一种基于机电阻抗的法兰螺栓松动检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于机电阻抗的法兰螺栓松动检测方法，包括如下步骤：贴片与连接、寻找检测频段、对损伤状态标定、获取实际损伤曲线、数据分析。本发明专利技术利用螺栓松动会引起结构连接刚度下降，而机电阻抗值受该区域的结构刚度影响，因此通过监测压电片阻抗值的变化来识别螺栓的松动状态。为法兰结构的检修工作提供了一种新型的螺栓松动检测方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于机电阻抗的法兰螺栓松动检测方法
本专利技术涉及一种无损检测方法，尤其是一种基于机电阻抗的法兰紧固螺栓松动的无损检测方法。
技术介绍
螺栓连接具有连接可靠、可反复使用等特点，因此被广泛应用于各种机械结构的连接中，尤其以法兰连接为主。然而在螺栓的使用过程中，会受到横向振动、温度变化等环境因素的影响，从而引起螺栓松动，这样不仅会使连接结构失效，更严重的可能造成安全事故。因此，这一研究领域收到了许多学者的关注。目前，针对螺栓松动的检测技术主要有以下几种：(1)基于振动信号的测量方法；(2)基于视觉的测量方法；(3)基于机电阻抗的测量方法。其中振动信号通过激励被测件，并提取响应信号进行分析，获取系统模态对松动状态进行识别，是目前较为常见的检测方法。但是对于复杂结构或连接刚度较大的结构来说，整体的模态特性对螺栓松动并不敏感，因此无法准确识别到螺栓的松动。基于视觉的检测方法通过识别螺栓头部转角来实现检测，然而螺栓松动早期的表现形式是微观滑移，并没有明显的头部旋转，因此这一方法只适用于宏观检测。机电阻抗法主要是基于机电耦合效应，由于螺栓松动会引起结构连接刚度下降，因此通过检测结构的机电阻抗即可实现对螺栓的松动状态识别，而且机电阻抗法的激励频率非常高，可以达到500kHz以上，对微小的损伤十分敏感。虽然目前已有了基于机电阻抗的螺栓松动检测方法，但是具有十分明显的局限性，比如需要将压电陶瓷片贴在每颗螺栓上，这样的监测方法十分费时费力，因此需要发展一种新型法兰螺栓松动检测方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有检测方法的局限性，提出一种新型的法兰紧固螺栓松动检测方法。本专利技术的技术方案：一种基于机电阻抗的法兰螺栓松动检测方法，包括如下步骤：步骤1、在待检测试件正面均匀安装压电陶瓷片，压电陶瓷片胶接安装在每两颗螺栓中间位置的法兰表面；并将待检测试件平稳放置在平坦面上；选取待检测试件上的一个压电陶瓷片作为标定压电陶瓷片，连接阻抗分析仪至该压电陶瓷片；步骤2、寻找待检测试件的合适检测频段(1)定义标定压电陶瓷片旁的两颗螺栓为近场螺栓，将两颗近场螺栓拧至预期预紧力，其余螺栓仍保持松开状态；(2)定义分布在两颗近场螺栓左右两侧的螺栓为该标定压电陶瓷片对应的远场螺栓，将两颗远场螺栓分工况拧紧，共分为5种工况，工况1是远场螺栓完全松开；工况2是远场螺栓拧至预期预紧力的四分之一；工况3是远场螺栓拧至预期预紧力的二分之一；工况4是远场螺栓拧至预期预紧力的四分之三；工况5是远场螺栓拧至预期预紧力；每次拧紧后，对标定压电陶瓷片从低到高选择频段进行扫频，选择的频段应分布均匀，并且至少包含一个明显阻抗峰值，频率最高至5MHz，最后将扫描结果保存；(3)将扫描结果进行处理，实现从低到高对比各个频段下不同工况的阻抗曲线，直到发现某一频段下远场螺栓的松动状态对标定压电陶瓷片的阻抗曲线无任何影响，认为在这一频段下压电陶瓷片对待检测试件的监测范围只包括近场螺栓，因此在该频段下进行法兰螺栓松动的检测，并将该阻抗曲线保存，标记为健康状态；步骤3、标定(1)将标定压电陶瓷片周围的两颗近场螺栓分别按工况松至指定预紧力，共分为4种工况，工况1是松至预期预紧力的八分之七；工况2是松至预期预紧力的八分之六；工况3是松至预期预紧力的八分之五；工况4是松至预期预紧力的二分之一；对于每个工况，分别获取检测频段下的阻抗曲线，并标记工况；标定过程根据需要调整，工况分类越细最终检测的结果越精确；(2)对获得的阻抗曲线提取出特征：峰值频率位置和RMSD值，建立不同预紧力分别与峰值频率位置和RMSD之间的线性拟合方程，作为检测时的分类依据；步骤4，模拟实验随机拧松部分螺栓，模拟实际工作状况，并获取松动螺栓附近压电陶瓷片在检测频段下的阻抗曲线作为检测数据，标记为损伤曲线；步骤5，数据分析首先提取损伤曲线的特征，包括峰值频率位置以及RMSD值；将该损伤曲线的特征带入线性拟合方程中，即获知该压电陶瓷片附近是否有螺栓发生松动，并给出松动程度的大小。所述的压电陶瓷片通过超声探头连接至阻抗分析仪的输入端，阻抗分析仪的输出端通过数据线连接至计算机。所述的平坦面为地面或柔软泡沫面。本方法基于螺栓松动会引起结构刚度下降，而机电阻抗值受该区域的结构刚度影响，所以通过监测压电陶瓷片阻抗值的变化来识别螺栓的松动状态。利用按照一定规则分布的压电陶瓷片产生高频激励，获取该压电陶瓷片附近结构的阻抗信息，与预先标定的曲线特征做比较，可以确定压电陶瓷片附近是否有螺栓松动，以及松动程度。本专利技术有益效果：本专利技术的方法减少了需要的压电陶瓷片数量，即每个压电陶瓷片可以同时监测两个螺栓；而且压电陶瓷片直接安装在待测法兰的表面上，无需预先对结构或螺栓做处理，实现完全无损的螺栓松动检测；在完成预先标定后，不仅可以检测出螺栓是否松动，还可以确定螺栓的松动程度，从而为法兰结构的检修工作提供了一种新型的螺栓松动检测方法。附图说明图1为本专利技术的法兰螺栓松动检测装置；图2为本专利技术的压电陶瓷片布置位置图；图3为本专利技术的螺栓松动检测流程图。图中：1待测法兰；2连接螺栓；3压电陶瓷片；4阻抗分析仪；5计算机系统。具体实施方式下面以某型四螺栓传动轴连接法兰为例，进一步说明本专利技术的具体实施方式。步骤1，准备工作：11.在连接法兰正面均匀安装压电陶瓷片，安装规则是安装在每两颗螺栓中间位置的法兰表面，安装方式是胶接。12.将该法兰平稳放置在平坦面上。13.选取其中一个压电陶瓷片作为下一步骤中的标定压电陶瓷片，连接阻抗分析仪至该压电陶瓷片。步骤2，寻找待检测试件的合适检测频段：21.定义标定压电陶瓷片旁的两颗螺栓为近场螺栓，将两颗近场螺栓拧至60N·m，其余螺栓仍保持松开状态。22.定义分布在两颗近场螺栓左右两侧的螺栓为该标定压电陶瓷片对应的远场螺栓，将两颗远场螺栓分工况拧紧，分别拧至30N·m、50N·m，每次拧紧之后，对标定压电陶瓷片从低到高选择频段进行扫频，最后将扫描结果保存。23.利用计算机对比各个频段下不同工况的阻抗曲线，直到发现某一频段下远场螺栓的松动状态对待标定压电陶瓷片的阻抗曲线无任何影响，最终选择频段为958kHz至960kHz。步骤3，标定：31.将标定压电陶瓷片周围的两颗近场螺栓分别松至50N·m、30N·m，分别获取958kHz-960kHz频段下共四组阻抗曲线。32.将获得的标定曲线导入处理软件，提取出各曲线的特征如下：螺栓状态RMSD峰值频率偏移量近场螺栓1松至50N·m0.00005-50Hz近场螺栓2松至50N·m0.00017-70Hz近场螺栓1松至30N·m0.00045-160H本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于机电阻抗的法兰螺栓松动检测方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1、在待检测试件正面均匀安装压电陶瓷片，压电陶瓷片胶接安装在每两颗螺栓中间位置的法兰表面；并将待检测试件平稳放置在平坦面上；选取待检测试件上的一个压电陶瓷片作为标定压电陶瓷片，连接阻抗分析仪至该压电陶瓷片；/n步骤2、寻找待检测试件的合适检测频段/n(1)定义标定压电陶瓷片旁的两颗螺栓为近场螺栓，将两颗近场螺栓拧至预期预紧力，其余螺栓仍保持松开状态；/n(2)定义分布在两颗近场螺栓左右两侧的螺栓为该标定压电陶瓷片对应的远场螺栓，将两颗远场螺栓分工况拧紧，共分为5种工况，工况1是远场螺栓完全松开；工况2是远场螺栓拧至预期预紧力的四分之一；工况3是远场螺栓拧至预期预紧力的二分之一；工况4是远场螺栓拧至预期预紧力的四分之三；工况5是远场螺栓拧至预期预紧力；每次拧紧后，对标定压电陶瓷片从低到高选择频段进行扫频，选择的频段应分布均匀，并且至少包含一个明显阻抗峰值，频率最高至5MHz，最后将扫描结果保存；/n(3)将扫描结果进行处理，实现从低到高对比各个频段下不同工况的阻抗曲线，直到发现某一频段下远场螺栓的松动状态对标定压电陶瓷片的阻抗曲线无任何影响，认为在这一频段下压电陶瓷片对待检测试件的监测范围只包括近场螺栓，因此在该频段下进行法兰螺栓松动的检测，并将该阻抗曲线保存，标记为健康状态；/n步骤3、标定/n(1)将标定压电陶瓷片周围的两颗近场螺栓分别按工况松至指定预紧力，共分为4种工况，工况1是松至预期预紧力的八分之七；工况2是松至预期预紧力的八分之六；工况3是松至预期预紧力的八分之五；工况4是松至预期预紧力的二分之一；对于每个工况，分别获取检测频段下的阻抗曲线，并标记工况；标定过程根据需要调整，工况分类越细最终检测的结果越精确；/n(2)对获得的阻抗曲线提取出特征：峰值频率位置和RMSD值，建立不同预紧力分别与峰值频率位置和RMSD之间的线性拟合方程，作为检测时的分类依据；/n步骤4，模拟实验/n随机拧松部分螺栓，模拟实际工作状况，并获取松动螺栓附近压电陶瓷片在检测频段下的阻抗曲线作为检测数据，标记为损伤曲线；/n步骤5，数据分析/n首先提取损伤曲线的特征，包括峰值频率位置以及RMSD值；将该损伤曲线的特征带入线性拟合方程中，即获知该压电陶瓷片附近是否有螺栓发生松动，并给出松动程度的大小。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于机电阻抗的法兰螺栓松动检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、在待检测试件正面均匀安装压电陶瓷片，压电陶瓷片胶接安装在每两颗螺栓中间位置的法兰表面；并将待检测试件平稳放置在平坦面上；选取待检测试件上的一个压电陶瓷片作为标定压电陶瓷片，连接阻抗分析仪至该压电陶瓷片；
步骤2、寻找待检测试件的合适检测频段
(1)定义标定压电陶瓷片旁的两颗螺栓为近场螺栓，将两颗近场螺栓拧至预期预紧力，其余螺栓仍保持松开状态；
(2)定义分布在两颗近场螺栓左右两侧的螺栓为该标定压电陶瓷片对应的远场螺栓，将两颗远场螺栓分工况拧紧，共分为5种工况，工况1是远场螺栓完全松开；工况2是远场螺栓拧至预期预紧力的四分之一；工况3是远场螺栓拧至预期预紧力的二分之一；工况4是远场螺栓拧至预期预紧力的四分之三；工况5是远场螺栓拧至预期预紧力；每次拧紧后，对标定压电陶瓷片从低到高选择频段进行扫频，选择的频段应分布均匀，并且至少包含一个明显阻抗峰值，频率最高至5MHz，最后将扫描结果保存；
(3)将扫描结果进行处理，实现从低到高对比各个频段下不同工况的阻抗曲线，直到发现某一频段下远场螺栓的松动状态对标定压电陶瓷片的阻抗曲线无任何影响，认为在这一频段下压电陶瓷片对待检测试件的监测范围只包括近场螺栓，因此在该频段下进行法兰螺栓松动的检测，并将该阻抗曲线保存，标记为...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙清超，王琳涛，丁杰城，袁博，王新煦，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21