ES3031516T3 - A method and a system for estimating the tension of a tension member - Google Patents

Abstract

Se describe un método para estimar la tensión de un tensor (1). Este método comprende los pasos de excitar el tensor (1) para inducir su vibración, muestrear la vibración para obtener una primera señal de vibración (VS1), modificar la masa o la inercia rotacional del tensor (1) para obtener un tensor modificado (1a), excitar el tensor modificado (1a) para inducir su vibración, muestrear la vibración del tensor modificado para obtener una segunda señal de vibración (VS2), y estimar la tensión del tensor comparando las señales de vibración (VS1) y (VS2). También se describe un sistema para estimar la tensión de un tensor. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

d e s c r ip c ió n

Método y sistema para estimar la tensión de un elemento de tensión

Campo de la invención

La invención se refiere a un método para estimar la tensión de un elemento de tensión basándose en señales de vibración. Además, la invención se refiere a un sistema para estimar la tensión de un elemento de tensión.

Antecedentes de la invención

Muchas estructuras de ingeniería se mantienen unidas por elementos de tensión. Dichos elementos de tensión están pretensados hasta cierto punto, de modo que la estructura se mantenga unida por la fuerza axial en el elemento de tensión. Sin embargo, en algunos casos, el elemento de tensión puede aflojarse debido a las vibraciones de la estructura, a un apriete insuficiente erróneo desde el principio, a efectos térmicos u otros casos. Por lo tanto, es importante ser capaz de estimar la tensión del elemento de tensión en cualquier punto de la vida útil de la estructura. Por lo tanto, a partir del documento WO 2017/203220 A1 se conoce, mediante el uso de un campo magnético, la detección de la carga de tracción en un conjunto de tuerca y perno. Otro método conocido se describe en el documento SU2024465A.

Sin embargo, un problema con la detección de la carga de tracción en un conjunto de tuerca y perno tal como se describe en la técnica anterior, es que es relativamente complejo y propenso a errores. Por lo tanto, un objeto de la presente invención es abordar estos problemas.

Resumen de la invención

Se describe un método para estimar la tensión de un elemento de tensión según la reivindicación 1.

Es ventajoso estimar la tensión de un elemento de tensión excitando el elemento de tensión antes y después de que se haya modificado el elemento de tensión y, a continuación, comparar las señales de vibración muestreadas, ya que es posible estimar la tensión de cualquier perno sin realizar un seguimiento de su historial, es decir, el historial de tensión y carga anteriores. Por lo tanto, no es necesario realizar un seguimiento del estado del perno, p. ej., en una base de datos, ya que basta con simplemente conocer el tipo de perno (longitud, grosor, calidad del perno, etc.), que normalmente está disponible directamente en el sitio. Esto es ventajoso ya que se mitigan los posibles errores del personal de mantenimiento, de modo que se evita una estimación errónea de la tensión, lo que podría conducir a una falsa percepción de la integridad de la estructura que se mantiene unida por dicho elemento de tensión.

La estimación de la tensión del elemento de tensión se puede realizar modelando el elemento de tensión como un modelo de viga, p. ej., según la teoría de vigas de Euler-Bernoulli o la teoría de vigas de Timoshenko. El modelado del elemento de tensión según cualquiera de estas teorías requiere el conocimiento de ciertos parámetros, lo que tiene en cuenta una combinación de la configuración del modelo de viga, las dimensiones, el material y otros. Estos parámetros se incluyen en las ecuaciones que describen las deformaciones y vibraciones de dichas vigas. Sin embargo, determinar estos parámetros puede resultar relativamente difícil debido al número de ecuaciones disponibles para resolver los parámetros desconocidos (es decir, la rigidez límite y la tensión axial). Por lo tanto, modificando el elemento de tensión de modo que la masa y/o la inercia rotacional se alteren ligeramente, es posible afectar a las características de vibración sin alterar significativamente la rigidez límite y la tensión del elemento de tensión, de modo que el comportamiento del elemento de tensión no se desvíe demasiado del modelo matemático.

Cabe señalar que la señal de vibración podría comprender vibraciones de flexiones transversales, vibraciones longitudinales y vibraciones torsionales. Por lo tanto, la señal de vibración podría comprender una mezcla de estos tipos de vibraciones.

El término “elemento de tensión” debe entenderse como un perno, un espárrago, un cable, una varilla de tensión, un remache u otro tipo de elemento de tensión que pueda sujetar o soportar al menos dos elementos debido a la carga de tracción sobre el elemento de tensión. Un espárrago es una varilla roscada en ambos extremos; la rosca puede extenderse a lo largo de toda la longitud de la varilla. A continuación, se pueden adjuntar tuercas a ambos extremos del espárrago.

El muestreo podría realizarse mediante el muestreo de las aceleraciones (p. ej., mediante el uso de un acelerómetro), la velocidad, el desplazamiento, las señales de audio u otros.

En una realización de la invención, el elemento de tensión se modifica modificando la masa y/o la inercia rotacional en los límites del elemento de tensión.

Como se explicó anteriormente, el elemento de tensión puede modelarse mediante el uso de un modelo de viga adecuado. Un modelo de viga de este tipo requiere varias condiciones de contorno que sean representativas de las restricciones físicas reales.

Modificar la masa y/o la inercia rotacional en los límites es ventajoso porque es posible cambiar la respuesta vibratoria del elemento de tensión sin afectar a la rigidez y tensión límite del elemento de tensión y sin introducir nuevos parámetros desconocidos en el conjunto de ecuaciones. Por lo tanto, es posible comparar las señales de vibración (una con y otra sin la modificación) más fácilmente para poder estimar la tensión del elemento de tensión.

En una realización de la invención, la etapa de modificación del elemento de tensión comprende aumentar la masa entre el 5 y el 80 por ciento, preferiblemente entre el 7 y el 70 por ciento y, lo más preferiblemente, entre el 10 y el 50 por ciento de la masa del elemento de tensión.

Si la modificación aumenta demasiado la masa del elemento de tensión, el comportamiento físico (p. ej., la tensión axial y la rigidez límite) puede verse gravemente afectado, y si la modificación aumenta demasiado poco la masa del elemento de tensión, el efecto de la modificación puede no ser lo suficientemente distinguible como para que no sea posible una distinción clara entre las dos señales de vibración, es decir, la diferencia puede “ahogarse” en el ruido de la señal. Por lo tanto, el rango mencionado anteriormente representa una relación ventajosa entre la facilidad de procesamiento de la señal y la representación matemática precisa.

Según la invención, la masa o la inercia rotacional del elemento de tensión se modifica adjuntando una masa a un primer extremo y/o a un segundo extremo del elemento de tensión.

Los cálculos necesarios para estimar la tensión en el elemento de tensión son más sencillos si la masa se adjunta a un extremo del elemento de tensión, p. ej., porque la ubicación de un extremo del elemento de tensión siempre está bien definida, mientras que ubicar la masa entre los extremos también requeriría mediciones y ajustes de cálculo adicionales en relación con la ubicación específica. Además, es ventajoso que una masa se adjunte a cualquiera de los extremos del elemento de tensión, ya que proporciona una manera fácil de modificar el elemento de tensión simplemente añadiendo una masa a los extremos. Esta masa podría atornillarse, pegarse, soldarse, fijarse o de cualquier otro modo adjuntarse a cualquiera de los extremos del elemento de tensión.

Debe enfatizarse que “una masa” podría ser una tuerca, una arandela, un bloque roscado, una masa acumulada o cualquier otro objeto que pueda adjuntarse al elemento de tensión de modo que la masa aumente en uno o ambos extremos del elemento de tensión.

Debe tenerse en cuenta que la masa debe adjuntarse a los extremos para que pueda vibrar junto con el elemento de tensión, sin alterar, sin embargo, el comportamiento físico del elemento de tensión. La masa adjuntada solo debería afectar a la rigidez límite y/o a la inercia rotacional.

En una realización de la invención, las condiciones límite del primer extremo y el segundo extremo del elemento de tensión son asimétricas cuando se modifica la masa y/o la inercia rotacional del elemento de tensión.

Es ventajoso que las condiciones límite en los extremos del elemento de tensión sean asimétricas (es decir, las condiciones límite del primer extremo sean diferentes de las del segundo extremo, o viceversa), ya que, por lo tanto, es más fácil distinguir matemáticamente entre los extremos del elemento de tensión, de modo que se pueda evitar una sustitución accidental. Además, al hacerlo, es posible obtener un modelo matemático que pueda converger más fácil y rápidamente hacia una solución (correcta) donde no se hayan intercambiado las rigideces límite (esto no se correspondería con la realidad, y daría como resultado una señal de vibración teórica errónea).

En una realización de la invención, la estimación se realiza mediante el uso de un modelo de regresión no lineal.

La estimación se puede realizar mediante el uso de una función de error, que minimiza el error entre un conjunto de parámetros supuestos y una nueva estimación. Esta función de error puede minimizarse (a fin de converger hacia una solución) mediante el uso de un modelo de regresión no lineal.

Debido a la relación entre la señal de vibración teórica (es decir, la frecuencia natural) y la rigidez y tensión límites, la función de error tampoco es lineal. Por lo tanto, es ventajoso usar un modelo de regresión no lineal para resolver el conjunto de ecuaciones, ya que la función de error se minimiza mediante iteraciones sucesivas.

El modelo de regresión no lineal podría ser un algoritmo de búsqueda exhaustivo, mínimos cuadrados no lineales, un método de minimización de Gauss, o cualquier otro tipo de modelo de regresión no lineal que pueda usarse para minimizar una función de error mediante un procedimiento iterativo.

En una realización de la invención, la estimación se realiza mediante el uso de un método de minimización de Gauss.

Es ventajoso usar un método de minimización de Gauss (o algoritmo de Gauss-Newton), ya que solo se necesitan las primeras derivadas; es decir, no se requieren las segundas derivadas, que son más difíciles de calcular.

En una realización de la invención, la etapa de modificación del elemento de tensión comprende un aumento de la inercia rotacional de entre el 0,1 y el 10 por ciento, preferiblemente entre el 0,5 y el 8 por ciento, y lo más preferiblemente entre el 1 y el 5 por ciento de la inercia rotacional del elemento de tensión.

Si la modificación aumenta demasiado la inercia rotacional del elemento de tensión, el comportamiento físico (p. ej., la tensión axial y la rigidez límite) puede verse afectado, y si la modificación aumenta demasiado poco la inercia rotacional del elemento de tensión, el efecto de la modificación puede no ser lo suficientemente distinguible como para que no sea posible una distinción clara entre las dos señales de vibración, es decir, la diferencia puede “ ahogarse” en el ruido de la señal. Por lo tanto, el rango mencionado anteriormente representa una relación ventajosa entre la facilidad de procesamiento de la señal y la representación matemática precisa (diagrama de cuerpo libre del elemento de tensión).

En una realización de la invención, el elemento de tensión es un perno o un espárrago.

Es ventajoso que el elemento de tensión sea un perno o un espárrago, ya que dichos elementos de tensión se utilizan ampliamente en estructuras de ingeniería y en el diseño de máquinas para proporcionar una conexión firme entre dos estructuras. Además, los pernos y los espárragos están diseñados específicamente para usarse como elementos de tensión, ya que normalmente se precargan con cierta pretensión. Además, las partes roscadas del perno o del espárrago facilitan adjuntar al elemento de tensión, de forma firme y segura, masa adicional, medios de excitación, medios de muestreo, u otros.

Además, es ventajoso que el elemento de tensión sea un perno, ya que el perno puede representarse mediante modelos de viga y, por lo tanto, es adecuado para el método según la presente invención.

En una realización de la invención, el elemento de tensión se excita con una placa piezoeléctrica o un martillo de impacto.

Es ventajoso que el elemento de tensión se excite con una placa piezoeléctrica o un martillo de impacto, ya que se puede realizar una excitación temporizada con precisión. Además, la fuerza de impacto precisa puede usarse para excitar el elemento de tensión de modo que se obtenga la respuesta de vibración correcta. La respuesta de vibración correcta se entiende como la respuesta de vibración en donde se espera que esté la señal de vibración teórica.

Además, dado que la carga eléctrica medible en un dispositivo piezoeléctrico está directamente relacionada con la fuerza aplicada y, por lo tanto, con la aceleración (segunda ley del movimiento de Newton), el uso de un dispositivo de este tipo es ventajoso ya que es posible con la fuerza necesaria excitar con precisión el elemento de tensión.

En una realización de la invención, la primera señal de vibración y/o la segunda señal de vibración se muestrean mediante el uso de un acelerómetro o una placa piezoeléctrica.

Esto es ventajoso ya que se puede realizar un muestreo preciso y exacto. Además, los elementos piezoeléctricos proporcionan una forma económica, duradera y fiable de muestrear la primera señal de vibración y/o la segunda señal de vibración, ya que los elementos piezoeléctricos proporcionan una señal de salida en voltios por medio de la cual se puede identificar fácilmente la frecuencia natural.

En una realización de la invención, la primera señal de vibración y la segunda señal de vibración son la frecuencia natural de flexión transversal.

Es ventajoso que la primera y la segunda señal de vibración sean la frecuencia natural de flexión transversal, ya que esta frecuencia de flexión es la más fácil para obtener vibraciones de gran amplitud debido a la esbeltez típica de un elemento de tensión. Además, es posible calcular una frecuencia natural teórica de flexión transversal que luego puede correlacionarse con las mediciones reales. Por lo tanto, es ventajoso que las señales de vibración sean la frecuencia natural de flexión transversal, ya que es más fácil “ sintonizar” el rango de frecuencia correcto, ya que se calcula de antemano y se puede saber en qué rango de frecuencia se espera que esté ubicada la frecuencia natural.

Otro aspecto ventajoso es que la frecuencia natural de flexión transversal está relacionada con la tensión axial. Por lo tanto, la medición de la frecuencia natural de flexión transversal puede correlacionarse con la carga axial y, por lo tanto, con la tensión en el elemento de tensión.

En una realización de la invención, el elemento de tensión se pretensa con un esfuerzo previo de entre el 30 y el 90 por ciento, preferiblemente de entre el 50 y el 85 por ciento y, lo más preferiblemente, de entre el 60 y el 80 por ciento del límite elástico del elemento de tensión.

La respuesta a la vibración está relacionada con la tensión del elemento de tensión de tal modo que la amplitud depende de la tensión del elemento de tensión. Por lo tanto, si la tensión es baja, la amortiguación es alta, mientras que si la tensión es alta, la amortiguación es baja. Es importante que la amortiguación no sea demasiado alta, ya que esto haría que la relación entre la respuesta a la tensión y a la vibración no fuera lineal, lo que no es deseable ya que el modelo matemático de viga es un modelo lineal; más específicamente, las frecuencias naturales transversales no deberían depender de la amplitud. Sin embargo, la tensión en el elemento de tensión también puede no ser demasiado alta, ya que esto podría potencialmente dañar el elemento de tensión.

Por lo tanto, los rangos mencionados anteriormente presentan una relación ventajosa entre el modelo matemático representativo y la aplicación práctica.

En otro aspecto de la invención, la invención proporciona un sistema para estimar la tensión de un elemento de tensión según la reivindicación 13.

Es ventajoso proporcionar un sistema para estimar la tensión de un elemento de tensión tal como se describió anteriormente, ya que es más fácil, p. ej., para el personal de mantenimiento comprobar si un elemento de tensión está suficientemente tensado o no.

Debe entenderse por “ medios de excitación” una placa piezoeléctrica, un martillo de impacto, un actuador piezoeléctrico u otro tipo de excitador.

Debe entenderse por “ medios de muestreo” los acelerómetros, la placa o elemento piezoeléctrico, el sensor de velocidad u otro tipo de muestreador.

Debe entenderse por “ medios modificadores de masa” cualquier tipo de modificador de masa capaz de modificar el elemento de tensión modificando la masa o la inercia rotacional, p. ej., añadiendo una tuerca, retirando material en los límites, añadiendo una masa acumulada u otros.

Debe entenderse por “ medios de procesamiento” un ordenador, una unidad de procesamiento, una unidad de procesamiento mecánico, un software para procesar datos o cualquier otro tipo de procesador.

En una realización de la invención, el sistema está dispuesto para realizar el método según cualquiera de los métodos descritos anteriormente.

Esto es ventajoso ya que el sistema está diseñado específicamente para llevar a cabo los métodos descritos anteriormente, de modo que la tensión de un elemento de tensión pueda determinarse llevando a cabo dicho método.

El sistema podría ser un dispositivo que incluya medios de excitación, medios de muestreo, medios modificadores de masa y medios de procesamiento en una sola cabina que sea transportable por el personal que pueda realizar la inspección de la tensión.

También podría contener únicamente algunos de los medios anteriores, p. ej., solo los medios de excitación y muestreo, de modo que el operador pueda comunicarse con una unidad externa que pueda procesar y estimar la tensión. Esta unidad podría ser, por ejemplo, un ordenador portátil, unsmartphone,una tableta u otro dispositivo de interfaz inteligente que el operador pueda llevar de un sitio a otro. Además, para limitar, por ejemplo, el consumo de batería en el sistema o dispositivo, el sistema/dispositivo puede comunicarse con una unidad externa que pueda realizar la estimación que precise cierta potencia de cálculo.

El sistema o dispositivo puede disponerse para estimar la tensión del elemento de tensión uno por uno, o varios elementos de tensión a la vez, de modo que se acelere el proceso de estimación de una pluralidad de elementos de tensión.

En un aspecto, el método comprende, además, comprobar si la tensión estimada del elemento de tensión está dentro de un rango de tensión predefinido.

El uso del presente método para estimar la tensión, p. ej., en los espárragos que conectan los elementos tubulares de una torre de turbina eólica, se realiza normalmente para confirmar si la tensión de cada elemento de tensión está o no dentro de un rango de tensión predefinido; es decir, para comprobar si el elemento de tensión funciona correctamente con respecto a garantizar una conexión segura a la torre. Por lo tanto, es ventajoso hacer que el método según la presente invención comprenda comprobar si la tensión estimada del elemento de tensión está dentro de un rango de tensión predefinido, ya que de este modo es posible proporcionar una señal de salida —p. ej., una señal visual o de audio a un operador, con respecto al estado de tensión del elemento de tensión específico— lo que permitirá al operador u otro individuo corregir el estado de tensión —si no es correcto— de inmediato, o al menos marcar los elementos de tensión que posteriormente necesitan un ajuste de tensión.

En un aspecto de la invención, se proporciona un programa informático para estimar la tensión de un elemento de tensión, que comprende instrucciones que, cuando el ordenador ejecuta el programa, hacen que el ordenador lleve a cabo las siguientes etapas

• muestrear una vibración de un elemento de tensión excitado, para obtener una primera señal de vibración, • muestrear una vibración de un elemento de tensión modificado en masa o modificado por inercia rotacional, para obtener una segunda señal de vibración,

• estimar la tensión de dicho elemento de tensión basándose en una comparación de la primera señal de vibración y la segunda señal de vibración, y

• proporcionar una salida de la tensión estimada del elemento de tensión.

El ordenador puede comprender preferiblemente una memoria y un procesador para ejecutar el programa informático utilizando la memoria. El programa informático puede tener acceso a una solución en la nube para recuperar las propiedades del elemento de tensión (dimensiones, tipo, material, etc.) y también para proporcionar y almacenar las estimaciones de tensión.

Además, la invención también se refiere al uso de un método según cualquiera de los métodos descritos anteriormente, para estimar la tensión de un perno o un espárrago.

El uso del método según la presente invención en relación con pernos o espárragos es particularmente ventajoso ya que estos elementos están muy estandarizados y, por lo tanto, son particularmente adecuados para el presente método. Además, las partes roscadas de los pernos o los espárragos facilitan adjuntar al elemento de tensión, de forma firme y segura, masa adicional, medios de excitación, medios de muestreo u otros medios de toma de muestras. Para una comprensión más completa de la descripción, a continuación se hace referencia a la siguiente breve descripción de varias realizaciones combinables de la invención.

Figuras

La figura 1 a ilustra un elemento de tensión que sujeta dos elementos entre sí, según se ve desde el lado, la figura 1b ilustra un elemento de tensión que se excita, según se ve desde la parte frontal,

la figura 2a ilustra un elemento de tensión modificado que sujeta dos elementos entre sí, según se ve desde el lado, la figura 2b ilustra un elemento de tensión modificado que se excita, según se ve desde la parte frontal, la figura 3 ilustra las etapas de estimación de la tensión de un elemento de tensión, y

la figura 4 ilustra un diagrama de cuerpo libre de un elemento de tensión modelado como una viga.

Descripción detallada

La figura 1 a ilustra un elemento 1 de tensión que sujeta dos elementos 13 entre sí, según se ve desde el lado. La figura también ilustra una aplicación típica de un elemento 1 de tensión. El principio de funcionamiento es que el elemento 1 de tensión se somete a una pretensión axial de modo que la elasticidad del material dé como resultado una fuerza de sujeción sobre los elementos 13 y, por lo tanto, mantenga unidos los elementos 13. Los elementos atornillados 13 pueden ser piezas de un motor, de una turbina eólica, de un puente o de cualquier otra construcción de ingeniería que implique uniones o elementos atornillados que se conecten mediante un elemento de tensión. El elemento de tensión puede comprender una tuerca 14 y una cabeza 16 del elemento de tensión de modo que se le pueda aplicar un momento para producir la tensión axial.

En esta realización, la estructura también comprende una arandela 12 de fuerza para detectar la carga aplicada, ya que la configuración también es un banco de pruebas con el fin de llevar a cabo la invención. Sin embargo, es obvio que la arandela de fuerza no necesariamente está presente o puede sustituirse por una arandela normal.

Además, en esta realización, el elemento 1 de tensión es un perno M12. Sin embargo, en otra realización, se pueden usar otro tipo de pernos, así como otros tipos de elementos de tensión, tal como se mencionó anteriormente. Es decir, en otra realización, el elemento 1 de tensión podría ser un perno o un espárrago anclados en donde solo sea accesible un extremo del elemento de tensión, o el elemento 1 de tensión podría ser un espárrago con tuercas adjuntas a uno o a ambos extremos.

El elemento de tensión representado en las figuras es relativamente delgado. Debe observarse que la relación de esbeltez es preferiblemente de entre s = 30 y s =80, tal como s = 40, s = 50, o s = 60. Sin embargo, en otra realización, la relación de esbeltez podría ser inferior a s = 20, tal como s = 20, s = 10, o incluso inferior, o la relación de esbeltez podría ser superior a s = 80, tal como s = 85, s = 95, o incluso superior.

En esta realización, el elemento 1 de tensión se pretensa con un esfuerzo previo del 60 por ciento del límite elástico del elemento 1 de tensión, aunque en otra realización el elemento 1 de tensión podría pretensarse con un esfuerzo previo del 10 por ciento, el 40 por ciento, o incluso, en algunas realizaciones, el 100 por ciento del límite elástico del elemento 1 de tensión.

La figura 1b ilustra un elemento 1 de tensión que se excita, según se ve desde la parte frontal.

Con el fin de obtener una primera señal de vibración VS1, el elemento 1 de tensión se excita de modo que el elemento 1 de tensión vibre. Estas vibraciones son capturadas por el acelerómetro 7, que mide las aceleraciones transversales, tal como lo ilustra la señal de onda, que no es necesariamente representativa de una respuesta vibratoria real del elemento 1 de tensión.

En esta realización, el elemento 1 de tensión se excita mediante el uso de un martillo 6 de impacto. Sin embargo, en otra realización 1, el elemento de tensión puede excitarse mediante cualquier otro medio de excitación, tal como se mencionó anteriormente.

En esta realización, el acelerómetro se coloca en el primer extremo 4. Sin embargo, en otra realización, el acelerómetro puede estar colocado en el segundo extremo 5. Además, el punto de impacto puede estar en cualquier punto del elemento 1 de tensión, aunque preferiblemente en cualquier extremo. Además, los medios 6 de excitación pueden impactar en el elemento 1 de tensión desde cualquier dirección (p. ej., transversal, longitudinal u otra, o una combinación de estas).

También debe tenerse en cuenta que, en esta realización, el acelerómetro se comunica por cable con un monitor (que puede comprender un monitor para mostrar la señal de vibración), pero también puede comunicarse de forma inalámbrica.

La figura 2a ilustra un elemento 1 a de tensión modificado que sujeta dos elementos 13 entre sí, según se ve desde el lado.

La etapa de modificación del elemento 1 de tensión puede realizarse, p. ej., añadiendo una tuerca 14 sobre el segundo extremo 5 para aumentar la masa límite y/o la inercia rotacional. Como el elemento 1 de tensión en esta realización es un perno, la masa 14 puede añadirse fácilmente al segundo extremo 5 del perno simplemente atornillando la masa 14 sobre la parte roscada del perno. Del mismo modo, si el elemento de tensión fuera un espárrago, la masa 14 puede añadirse fácilmente al primer extremo 4 o al segundo extremo 5 del espárrago simplemente atornillando la masa 14 sobre la parte roscada del espárrago.

En esta realización, la masa añadida 15 es una tuerca 14. Sin embargo, en otra realización, la masa añadida 15 podría ser cualquiera de los medios modificadores de masa descritos anteriormente.

La figura 2b ilustra un elemento 1 a de tensión modificado que se excita, según se ve desde la parte frontal.

Como se ilustra en la figura, la segunda señal de vibración VS2 es diferente de la primera señal de vibración VS1. La segunda señal de vibración VS2 se ve claramente afectada por la adición de la masa añadida 15 que, en esta realización, afecta a las condiciones límite, de modo que las características de vibración se han alterado. Posteriormente, la tensión del elemento de tensión puede estimarse basándose en una comparación de la primera señal de vibración VS1 y la segunda señal de vibración VS2, tal como se describe a continuación. En otra realización, el método podría comprender, además, la etapa de comparar la tensión estimada del elemento 1 de tensión con una tensión deseada, p. ej., para proporcionar información sobre si el elemento 1 de tensión específico está o no dentro del rango de tensión correcto en la aplicación específica. Es decir, en otra realización, el método podría incluir proporcionar información sobre el elemento de tensión específico —tal como, tipo, tamaño, marca, modelo, material y/u otro— y, p. ej., la aplicación o ubicación específicas, de modo que se pueda establecer un rango de tensión deseado, p. ej., por medio de una base de datos, una tabla de consulta, una entrada adicional, u otras, y de modo que el método incluya comprobar si la tensión estimada está dentro del rango de tensión deseado. El método puede incluir, además, proporcionar una señal al operador u otros individuos con respecto a si la tensión estimada del elemento 1 de tensión está o no dentro del rango de tensión deseado.

La figura 3 ilustra las etapas de estimación de la tensión de un elemento 1 de tensión.

Debe observarse que el orden de las etapas puede cambiarse de modo que el elemento 1a de tensión modificado se excite primero seguido del elemento 1 de tensión “ no” modificado. Sin embargo, esto es evidente, por supuesto, a partir del método descrito, ya que la etapa de modificación es, en esencia, solo un elemento de tensión modificado con respecto a su estado anterior. Por lo tanto, en el caso de usar una tuerca como masa añadida, la etapa de retirar la masa también es obviamente una modificación.

La figura 4 ilustra un diagrama de cuerpo libre de un elemento 1 de tensión modelado como una viga.

Con el fin de poder estimar la tensión N del elemento 1 de tensión, se debe establecer un modelo matemático apropiado con una ecuación de movimiento correspondiente. Por lo tanto, en esta realización, el elemento de tensión se modela como una viga de Bernoulli-Euler con muelles límite de traslación y rotación, y una masa añadida 15 con un momento de inercia de masa, estando el primer extremo 4 en el extremo en donde x = 0, y el segundo extremo 5 en el extremo en donde x = L.

Introducimos cantidades no dimensionales de la posición x, la deflexiónu(x,t), el tiempot, la frecuencia natural Wo, la tensión axial, la rigidez K1,2, la rigidez rotacional K3,4, la masa m, el momento de inercia másicoJy la relación de esbeltez s.

La ecuación de movimiento no dimensional de Bernoulli-Euler para la deflexión en dirección transversal es:

ü u '" — pu" = 0

Donde los puntos superiores representan la diferenciación con respecto al tiempo no dimensional, y los números primos denotan la diferenciación con respecto a la posición no dimensional.

La aplicación de las condiciones de límite en x = 0 y en x = L da como resultado:

u '" (0 , t) = p u '(0 , t) - /c1t¿(0, t),

i¿"( 0,t)=k3u '(0,t),

u '"(1,t)= pu '(1,t)+k2u(l ,T) mü( l , r ) ,

u "(l,<t )>=—k4u '(1,<t )>- Jü '(1,<t )>

La ecuación de movimiento no dimensionalizada de la ecuación de Bernoulli-Euler se resuelve mediante la superposición de soluciones propias

La inserción de las soluciones propias en la ecuación de movimiento de la ecuación de Bernoulli-Euler no dimensionalizada y en las ecuaciones de las condiciones límite, da como resultado un conjunto de ecuaciones que contienen los parámetros límite desconocidos K<1>, K<2>, K<3>, K<4>y p del modelo de viga, además de la masa de extremo y la inercia rotacional conocidas.

Con el fin de resolver estos parámetros desconocidos, se puede usar una regresión no lineal para ajustar los parámetros a las frecuencias naturales medidas (es decir, las frecuencias naturales medidas extraídas de la primera y la segunda señal de vibración VS1 y VS2, respectivamente). Se introduce una función de error (basada en una estimación de Máximaa posteriori[MAP]):

Donde el primer término es la desviación entre las frecuencias naturales medidas y las frecuencias naturales no amortiguadas predichas por el modelo (la amortiguación puede despreciarse en el modelo, ya que tiene un efecto insignificante en la frecuencia natural). El segundo término representa las desviaciones entre la suposicióna posteriori<de los parámetros desconocidos contenidos en>Ps<y la nueva estimación>Ps.<W y U son matrices de ponderación, donde>W indica la confianza en las frecuencias naturales medidas, y U la confianza en la estimacióna posteriori.Los demás parámetros de la ecuación son vectores.

La función de error anterior puede minimizarse mediante el uso del método de minimización de Gauss, estableciendo las matrices de ponderación y,a posteriori,los criterios de detención y las actualizacionesa posteriori,y eligiendo nuevas estimacionesa posteriorisi los parámetros estimados no son realistas o no convergen hacia una solución.

La invención se ha ejemplificado anteriormente con referencia a ejemplos específicos de elemento de tensión, medios de muestreo, medios de excitación y otros. Sin embargo, debe entenderse que la invención no se limita a los ejemplos particulares descritos anteriormente, sino que puede diseñarse y alterarse en una multitud de variedades dentro del ámbito de la invención como se especifica en las reivindicaciones.

Lista

1. Elemento de tensión

1 a. Elemento de tensión modificado

2. Límites de elemento de tensión

3. Masa

4. Primer extremo de elemento de tensión

5. Segundo extremo de elemento de tensión

6. Medios de excitación

7. Medios de muestreo

8. Medios modificadores de masa

9. Medios modificadores de masa

10. Sistema para estimar la tensión de un elemento de tensión

11. Modelo de viga

11a. Viga

12. Arandela de fuerza

13. Elemento sujetado

14. Tuerca

15. Masa añadida

16. Cabeza del elemento de tensión

K1, K2. Rigidez traslacional

K3, K4. Rigidez rotacional

VS1. Primera señal de vibración

VS2. Segunda señal de vibración

Claims (13)

1. r e iv in d ic a c io n e s

   i. Un método para estimar la tensión de un elemento (1) de tensión, comprendiendo dicho método las etapas de:

   • excitar dicho elemento (1) de tensión, tal como para inducir la vibración de dicho elemento (1) de tensión,

   • muestrear dicha vibración para obtener una primera señal de vibración (VS1),caracterizado porlas etapas de:

   • modificar la masa y/o la inercia rotacional de dicho elemento (1) de tensión para proporcionar un elemento (1a) de tensión modificado, adjuntando una masa (3) a un primer extremo (4) y/o un segundo extremo (5) de dicho elemento (1) de tensión,

   • excitar dicho elemento (1a) de tensión modificado, tal como para inducir la vibración de dicho elemento (1a) de tensión modificado,

   • muestrear dicha vibración de dicho elemento de tensión modificado, para obtener una segunda señal de vibración (VS2), y

   • estimar la tensión de dicho elemento de tensión basándose en una comparación de dicha primera señal de vibración (VS1) y dicha segunda señal de vibración (VS2).
2. 2. Un método según la reivindicación 1, en donde dicho elemento de tensión se modifica modificando la masa y/o la inercia rotacional en los límites (2) de dicho elemento (1) de tensión.
3. 3. Un método según la reivindicación 1 o 2, en donde dicha etapa de modificación de dicho elemento de tensión comprende aumentar la masa entre el 5 y el 80 por ciento, preferiblemente entre el 7 y el 70 por ciento y, lo más preferiblemente, entre el 10 y el 50 por ciento de la masa de dicho elemento (1) de tensión.
4. 4. Un método según la reivindicación 1, en donde las condiciones límite de dicho primer extremo (4) y dicho segundo extremo (5) de dicho elemento (1) de tensión, son asimétricas cuando se modifica dicha masa y/o dicha inercia rotacional de dicho elemento (1) de tensión.
5. 5. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha estimación se realiza mediante el uso de un modelo de regresión no lineal.
6. 6. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha etapa de modificación de dicho elemento de tensión comprende un aumento de la inercia rotacional de entre el 0,1 y el 10 por ciento, preferiblemente entre el 0,5 y el 8 por ciento y, lo más preferiblemente, entre el 1 y el 5 por ciento de la inercia rotacional de dicho elemento (1) de tensión.
7. 7. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho elemento (1) de tensión es un perno o un espárrago.
8. 8. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho elemento de tensión se excita con una placa piezoeléctrica o un martillo de impacto.
9. 9. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha primera señal de vibración y/o dicha segunda señal de vibración se muestrean mediante el uso de un acelerómetro o una placa piezoeléctrica.
10. 10. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha primera señal de vibración y dicha segunda señal de vibración son la frecuencia natural de flexión transversal.
11. 11. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho elemento de tensión se pretensa con un esfuerzo previo de entre el 30 y el 90 por ciento, preferiblemente entre el 50 y el 85 por ciento y, lo más preferiblemente, entre el 60 y el 80 por ciento del límite elástico de dicho elemento de tensión.
12. 12. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho método comprende además comprobar si dicha tensión estimada de dicho elemento de tensión está dentro de un rango de tensión predefinido.
13. 13. Un sistema (10) para estimar la tensión de un elemento de tensión, comprendiendo dicho sistema,

    medios (6) de excitación para inducir vibraciones en dicho elemento (1) de tensión, medios (7) de muestreo para muestrear las vibraciones de dicho elemento (1) de tensión cuando dichos medios (6) de excitación excitan dicho elemento (1) de tensión,

    caracterizado porquecomprende además:

    medios (8) modificadores de masa dispuestos para modificar la masa y/o la inercia de dicho elemento de tensión adjuntando una masa (3) a un primer extremo (4) y/o a un segundo extremo (5) de dicho elemento (1) de tensión, y

    medios (9) de procesamiento dispuestos para comparar dichas vibraciones muestreadas de dicho elemento de tensión, con las vibraciones muestreadas de dicho elemento de tensión modificado y, de este modo, estimar la tensión de dicho elemento (1) de tensión. Uso de un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, para estimar la tensión de un perno o un espárrago.