CN117553944A - 一种新型测力垫圈设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种新型测力垫圈设备及其使用方法，涉及结构健康监测与无损检测领域。本发明是为了解决有些实际工程无法对测力垫圈进行现场标定，限制了测力垫圈的应用，并且测力垫圈厚度、内外径、受压偏心距等参数对测量结果均有很大影响的问题。在测力垫圈两端面增加金属垫片，能够减少现场标定的工作量，可将其作为标准产品直接交付使用。同时，通过保证测力垫圈居中的定位装置以及优化并合理布置传感元件，能够提高螺杆轴力的测量精度，进一步推动索夹螺杆轴力长期监测在实际工程中的应用。

Description

一种新型测力垫圈设备及其使用方法

技术领域

本发明属于结构健康监测与无损检测领域，尤其涉及用于螺栓或螺杆的轴力测量与长期监测的设备。

背景技术

在悬索桥中，吊索通过索夹与悬索桥的主缆固定在一起，索夹螺杆具有足够的预紧力(即轴力)是使得索夹能够紧密合抱在主缆上的关键。与普通螺杆相同，索夹螺杆在其长期使用过程中，由于螺杆材料蠕变、主缆界面减小、主缆材料蠕变等原因会导致索夹螺杆轴力降低，若索夹螺杆轴力过小，将有可能导致索夹沿主缆滑移，从而降低吊索索力，导致桥面内力重分配，使主梁线形发生改变。该变化过程具有持续发散增长效应，结果不可逆，恢复极其困难。

预防以上问题的出现，最有效的方法就是进行索夹螺杆轴力监测和预警。国内外对于普通螺栓的轴力测量研究很早就已开始，甚至已经出现了商业化的测量仪器，但工程实际测量结果却不太理想。目前提出的螺栓轴力测量方法主要有以下几种：1)扭矩扳手法，通过设置预紧值可以实现扭矩与轴力的转化，广泛用于桥梁工程、机械制造等领域，优点是携带及使用方便，缺点是准确度较低，且需要定期校准，需人工操作，无法长期监测；2)超声测量法，超声测量螺栓轴力的方法主要是基于声弹性原理，通过测量螺栓轴力与超声回波声时差的关系对螺栓轴力进行测量，优点是精度较高，缺点是无法测量已紧固螺栓的轴力，同时无法实时长期监测，只能定期检测；3)应变法，通过粘贴应变片进行轴力测量，优点是精度较高，可实现实时长期监测，但由于螺杆位于索夹内部，难以安装和连接应变传感器，目前未有成熟的针对索夹螺杆的应变测量方法。综上所述，采用基于应变测量原理的测力垫圈是解决索夹螺杆轴力长期连续实时测量的有效途径之一。

基于应变法的测力垫圈具有控制精度高、预紧操作简单和可长期实时连续监测等优点。通过长期监测数据，可以掌握螺杆轴力损失规律，有助于对其早期预警和维护。在使用测力垫圈时，将其安装于索夹与球面垫圈之间，当液压千斤顶对螺杆施加预紧力F后卸载时，作用在测力垫圈上的压力为N，根据力学原理，F＝N，测出N，就测出了螺杆轴力。测力垫圈受压后发生竖向弹性变形，可以通过测量其竖向或环向应变来计算施加在垫圈上的压力。由于在实际工程结构中，预留给测力垫圈的空间很小，因此往往尽可能减小测力垫圈高度，此时，更适合使用沿环向布设的传感器。

测力垫圈的设计和使用的关键过程是通过标定确定其灵敏度系数，然后进一步在实际工程中应用。然而，由于实际工程中，螺杆轴力最高可达1000kN，测力垫圈在受力和尺寸上，微小的偏差均会导致其灵敏度系数与标定值严重偏离。例如，测力垫圈上下环形接触面提供的摩擦力，会严重影响其受力状态，进而影响其灵敏度系数。在实验室进行标定时，其上下环形接触面的摩擦系数与现场环境不一致，会导致实际灵敏度系数与实验室标定的完全不同，从而引起非常大的测量误差。而有些情况下实际工程中又无法进行现场标定，限制了测力垫圈的应用。此外，测力垫圈厚度、内外径、受压偏心距等参数对测量结果均有很大影响。

发明内容

本发明是为了解决有些实际工程无法对测力垫圈进行现场标定，限制了测力垫圈的应用，并且测力垫圈厚度、内外径、受压偏心距等参数对测量结果均有很大影响的问题，现提供一种新型测力垫圈设备及其使用方法。

一种新型测力垫圈设备，包括测力垫圈本体7、两个金属垫片和定位装置10；所述两个金属垫片用于分别设置在测力垫圈本体7的两端，使得测力垫圈本体7的两端与金属垫片之间的摩擦系数相等；所述定位装置10具有弹性、并用于设置在测力垫圈本体7与螺杆2之间。

进一步的，上述两个金属垫片与测力垫圈本体7的接触面均为光滑面，所述两个金属垫片与测力垫圈本体7的非接触面均为粗糙面。

进一步的，上述金属垫片的光滑面与测力垫圈本体7之间的摩擦系数小于0.1，所述金属垫片的粗糙面和与其接触零件之间的摩擦系数大于0.2。

进一步的，上述两个金属垫片的厚度均为1mm。

进一步的，上述定位装置10包括内筒和外环，所述外环同轴套接在内筒外圆周面上，外环的一侧端面上设有与其同轴设置的环形台阶。

进一步的，上述测力垫圈本体7的传感器为光纤光栅应变传感器7-1和电阻式应变传感器7-2。

进一步的，上述光纤光栅应变传感器7-1和电阻式应变传感器7-2所在测力垫圈本体7半径夹角为90°。

上述一种新型测力垫圈设备的使用方法，具体为：

将定位装置10套在螺杆2上，并使得定位装置10的内筒一端伸入至索夹1与螺杆2之间的缝隙中并分别与索夹1和螺杆2紧贴，定位装置10的环形台阶与索夹1的端面紧贴；

将两个金属垫片和测力垫圈本体7均同轴套在定位装置10外部，所述两个金属垫片分别位于测力垫圈本体7的两端，所述定位装置10的外环位于测力垫圈本体7的中间端并与测力垫圈本体7的内壁紧贴；

调整测力垫圈本体7的光纤光栅应变传感器7-1和电阻式应变传感器7-2均位于X轴朝向索夹1外侧的半环上，所述X轴为测力垫圈本体7上与索夹1直轴相互平行的中轴。本发明提出一种基于环向应变测量的测力垫圈及其设计方法。

本发明在测力垫圈两端面增加金属垫片，能够减少现场标定的工作量，可将其作为标准产品直接交付使用。同时，通过保证测力垫圈居中的定位装置以及优化并合理布置传感元件，能够提高螺杆轴力的测量精度，进一步推动索夹螺杆轴力长期监测在实际工程中的应用。

附图说明

图1为典型索夹和螺杆配合的示意图；

图2为螺杆端部锁紧结构局部示意图；

图3为测力垫圈局部放大图；

图4为无圆环垫片时测力垫圈上下接触面不同摩擦系数下“螺杆预紧力—测力垫圈环向微应变”关系曲线图；

图5为有圆环垫片时测力垫圈上下接触面不同摩擦系数下“螺杆预紧力—测力垫圈环向微应变”关系曲线图；

图6为接触面A和D不同摩擦系数下“螺杆预紧力—测力垫圈环向微应变”关系曲线图；

图7为使用了定位装置的测力垫圈安装示意图；

图8为测力垫圈在水平方向产生1mm偏心时“螺杆轴力—测力垫圈环向微应变”关系曲线图；

图9为半个索夹的俯视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：现有测力垫圈在使用时位于螺杆上的结构，如图1和图2所示，其中两个半圆形索夹1围住主缆；螺杆2为索夹抱紧主缆提供预紧力；虚线圆圈中是螺杆端部的螺母和垫圈；中间所有空白位置为主缆所在位置；3为防水螺母，4为普通螺母，5为外球面垫圈，6为内球面垫圈，7为测力垫圈。索夹1和主缆通过摩擦咬合在一起，其咬合力由索夹1上的螺杆2提供，螺栓拉伸器拉伸螺杆2给与螺杆2初始预紧力，然后拧紧防水螺母3和普通螺母4，螺杆2上的预紧力便通过防水螺母3、普通螺母4、外球面垫圈5、内球面垫圈6和测力垫圈7施加到索夹1上，进而使得索夹1与主缆进行咬合在一起。

参照图3、7和9具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种新型测力垫圈设备包括测力垫圈本体7、上金属垫片8、下金属垫片9和定位装置10。上金属垫片8和下金属垫片9厚度均为1mm。

由于螺杆2上的轴力通常达到500kN以上，在如此大的轴力作用下，测力垫圈7上下表面摩擦力即使有较小的改变也会影响其上下表面的约束状态，从而导致测力垫圈7受力状态产生较大差异。在本实施方式中，如图3所示，上金属垫片8和下金属垫片9分别设置在测力垫圈本体7的上下两端面。上金属垫片8、下金属垫片9和测力垫圈本体7均为耐久性良好的钢材，如17-4PH钢淬火制作。上金属垫片8和下金属垫片9与测力垫圈本体7的接触面B和C均为光滑面。上金属垫片8和下金属垫片9的另外一面A和D是粗糙的。接触面A是粗糙的，增加上金属垫片8与内球面垫圈6之间的摩擦力。接触面D同接触面A一样粗糙。接触面B通过打磨等加工工艺制成光滑面，接触面C同接触面B一样光滑。所述金属垫片的光滑面与测力垫圈本体7之间的摩擦系数小于0.1，所述金属垫片的粗糙面和与其接触零件之间的摩擦系数大于0.2。

这种设置同实验室测试时保持一致，实现了现场与实验室中，测力垫圈7上下表面的摩擦系数基本一致，从而使其上下表面通过摩擦力对测力垫圈7的约束基本一致。图4给出了不加金属垫片时“螺杆预紧力—测力垫圈环向微应变”关系有限元分析的结果，图中三条曲线分别对应接触面摩擦系数分别为0.1、0.15、0.2。可以看出，从曲线中可以看出，不使用垫片时，不同的摩擦系数对螺杆预紧力—测力垫圈环向微应变”关系影响较大。图5为增加垫片后“螺杆轴力—测力垫圈环向微应变”关系拟合结果，可以发现加了垫片后“螺杆轴力—测力垫圈环向微应变”关系曲线受接触面B和C的摩擦系数影响明显减小，且1个微应变误差造成预测结果误差更小，即摩擦系数越大，影响越小。图6为接触面A和D摩擦系数为0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.4时的“螺杆轴力—测力垫圈环向微应变”关系曲线。由图6可以看出，界面A、界面D的摩擦系数越大，螺杆预紧力与测力垫圈环向微应变之间的关系所受的影响越小。

进一步的，由于测力垫圈7所受轴力很大，即使很小的偏心受力都会导致测力垫圈7应力沿环向分布极不均匀，且影响“螺杆预紧力—测力垫圈环向微应变”之间的线性关系。在实验室中标定的测力垫圈如果在现场安装发生偏心时，标定系数将产生很大的偏差。此外，如图8所示，当垫圈产生偏心时，由于垫圈的不均匀受力，在强大的轴力作用下，部分垫圈可能提前进入塑性阶段，垫圈环向微应变与螺杆轴力之间的线性关系很差且可能发生突变。由于经过设计的测力垫圈内径与螺杆外径经常并不一致，因此，测力垫圈安装时有可能导致偏心，即测力垫圈圆心与螺杆圆心不重合。

本实施方式中采用一种定位装置10来尽可能减少测力垫圈的偏心受力。所述定位装置10由弹性模量很低的硬质橡胶制成，具有弹性。由于其弹性模量相对于垫圈材料小很多，故对于测力垫圈的环向微应变的影响极小。具体的，如图7所示，定位装置10包括内筒和外环，所述外环同轴套接在内筒外圆周面上，外环的一侧端面上设有与其同轴设置的环形台阶。定位装置10与测力垫圈7同时使用，其定位装置10外径与测力垫圈7内径尺寸一致，外环外表面与测力垫圈7中部接触；内筒内径与螺杆2外径尺寸一致，内筒内表面与螺杆2外表面接触。另外，向下延伸一部分填充螺杆2与索夹1之间的空隙，进一步减少测力垫圈7偏心受力。图8为测力垫圈在水平方向即圆环所在平面产生1mm偏心，即测力垫圈圆心与螺杆圆心距离为1mm，时“螺杆预紧力—测力垫圈环向微应变”关系；由图8可得，当测力垫圈产生偏心时会使得螺杆预紧力与垫圈环向微应变之间的线性关系变差。

更进一步的，由于测力垫圈7受力沿环向存在一定的不均匀性，因此往往需要在测力垫圈7环向布设多个可进行应变测量的传感元件，如光纤光栅应变传感器、电阻式应变片等以测量测力垫圈7环向的平均应变，但数量较多的传感元件增加了测力垫圈的造价、对后端数据采集系统通道数要求更高且制作不方便。

图9为半个索夹的俯视图，图中1-1为索夹弧形段，1-2为索夹侧边平面段，X为测力垫圈的竖向几何对称轴，Y为测力垫圈的横向几何对称轴。因测力垫圈7附近索夹1局部的不对称性，测力垫圈7在螺杆轴力作用下，在X轴左右两侧的变形是不对称的，而Y轴上下两侧的变形是非常接近对称的。因此，利用该对称性，在Y轴一侧布设传感元件能够测量得到Y轴两侧的应变值。此外，经有限元模拟表明，由于X轴左侧索夹1局部刚度更大，施加在测力垫圈7上的力更大，而测力垫圈7在X轴右侧部分受力相对小，其“螺杆轴力—测力垫圈环向微应变”具有更好的线性关系，且在轴力较大时，上述关系更能保持线性。在本实施方式中，提出测力垫圈本体7的传感器为光纤光栅应变传感器7-1和电阻式应变传感器7-2。光纤光栅应变传感器7-1和电阻式应变传感器7-2所在测力垫圈本体7半径夹角为90°，且使用时将光纤光栅应变传感器7-1和电阻式应变传感器7-2均调整至X轴右侧。

综上所述，本实施方式通过增加金属垫片，减小因摩擦系数不同导致的测量误差。设置定位装置，消除垫圈偏心受力。对测力垫圈7中传感元件的位置进行优化以减少传感元件数量。

具体实施方式二：本实施方式是具体实施方式一所述的一种新型测力垫圈设备的使用方法，方法具体为：

将定位装置10套在螺杆2上，并使得定位装置10的内筒一端伸入至索夹1与螺杆2之间的缝隙中并分别与索夹1和螺杆2紧贴，定位装置10的环形台阶与索夹1的端面紧贴，

将两个金属垫片和测力垫圈本体7均同轴套在定位装置10外部，所述两个金属垫片分别位于测力垫圈本体7的两端，所述定位装置10的外环位于测力垫圈本体7的中间端并与测力垫圈本体7的内壁紧贴，

调整测力垫圈本体7的光纤光栅应变传感器7-1和电阻式应变传感器7-2均位于X轴朝向索夹1外侧的半环上，所述X轴为测力垫圈本体7上与索夹1直轴相互平行的中轴。

具体实施方式三：本实施方式是具体实施方式一所述的一种新型测力垫圈设备的设计方法，方法具体为：

步骤一，根据待测螺杆2的几何尺寸、索夹1几何尺寸、螺杆轴力的设计值，采用有限元方法对测力垫圈7进行受力分析及尺寸设计，设计目标主要包括：在保证测力垫圈厚度尽可能薄的基础上，其“螺杆轴力—测力垫圈外部环向微应变”关系在螺杆2试用期间的受力范围内为线性。本步骤所涉及的测力垫圈7内径往往与螺杆2外径并不一致。

步骤二，根据步骤一所得到的测力垫圈7尺寸，配置环形上金属垫片8和下金属垫片9，上金属垫片8和下金属垫片9厚度为1mm，材料与测力垫圈7一样，且上金属垫片8和下金属垫片9与测力垫圈7接触面摩擦系数小于0.1，另外一面摩擦系数大于0.2。

步骤三，根据步骤一所得到的测力垫圈7尺寸，设计定位装置10，要求其外径与测力垫圈7内径一致，内径与螺杆2外径一致，下方伸出部分厚度为索夹1内径与螺杆2外径之差。

步骤四，在测力垫圈7外部沿环向设置应变传感元件。

步骤五，在实验室对测力垫圈进行标定，具体方法为施加轴力，测量环向应变平均值，得到“螺杆轴力—测力垫圈环向微应变”关系。

步骤六，现场安装。将1mm环形垫片、测力垫圈、1mm环形垫片依次套在螺杆上，上方依次放置两个球面垫圈、普通螺母和防水螺母，然后使用千斤顶张拉，施加预紧力至螺杆轴力设计值。

步骤七，连接测力垫圈上的传感元件至数据采集设备，记录应变值，使用步骤五的“螺杆轴力—测力垫圈环向微应变”关系，计算螺杆轴力。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (8)

1.一种新型测力垫圈设备，包括测力垫圈本体(7)，其特征在于，还包括：两个金属垫片和定位装置(10)；

所述两个金属垫片用于分别设置在测力垫圈本体(7)的两端，使得测力垫圈本体(7)的两端与金属垫片之间的摩擦系数相等；

所述定位装置(10)具有弹性、并用于设置在测力垫圈本体(7)与螺杆(2)之间。

2.根据权利要求1所述的一种新型测力垫圈设备，其特征在于，所述两个金属垫片与测力垫圈本体(7)的接触面均为光滑面，所述两个金属垫片与测力垫圈本体(7)的非接触面均为粗糙面。

3.根据权利要求2所述的一种新型测力垫圈设备，其特征在于，所述金属垫片的光滑面与测力垫圈本体(7)之间的摩擦系数小于0.1，

所述金属垫片的粗糙面和与其接触零件之间的摩擦系数大于0.2。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种新型测力垫圈设备，其特征在于，所述两个金属垫片的厚度均为1mm。

5.根据权利要求4所述的一种新型测力垫圈设备，其特征在于，所述定位装置(10)包括内筒和外环，所述外环同轴套接在内筒外圆周面上，外环的一侧端面上设有与其同轴设置的环形台阶。

6.根据权利要求5所述的一种新型测力垫圈设备，其特征在于，所述测力垫圈本体(7)的传感器为光纤光栅应变传感器(7-1)和电阻式应变传感器(7-2)。

7.根据权利要求6所述的一种新型测力垫圈设备，其特征在于，光纤光栅应变传感器(7-1)和电阻式应变传感器(7-2)所在测力垫圈本体(7)半径夹角为90°。

8.权利要求7所述的一种新型测力垫圈设备的使用方法，其特征在于，

将定位装置(10)套在螺杆(2)上，并使得定位装置(10)的内筒一端伸入至索夹(1)与螺杆(2)之间的缝隙中并分别与索夹(1)和螺杆(2)紧贴，定位装置(10)的环形台阶与索夹(1)的端面紧贴，

将两个金属垫片和测力垫圈本体(7)均同轴套在定位装置(10)外部，所述两个金属垫片分别位于测力垫圈本体(7)的两端，所述定位装置(10)的外环位于测力垫圈本体(7)的中间端并与测力垫圈本体(7)的内壁紧贴，

调整测力垫圈本体(7)的光纤光栅应变传感器(7-1)和电阻式应变传感器(7-2)均位于X轴朝向索夹(1)外侧的半环上，所述X轴为测力垫圈本体(7)上与索夹(1)直轴相互平行的中轴。