一种多档位振弦式螺栓状态监测装置及其使用与识别方法制造方法及图纸

一种多档位振弦式螺栓状态监测装置及其使用与识别方法，装置包括电缆线，夹槽，外壳，振弦，吸块，螺母卡环，承台，磁铁线圈，连杆，中轴，基座，弹簧。本发明专利技术基于弦振动频率随其张力变化而变化的原理实现螺栓松动监测目的，振弦设置有四根，分别对应于四种不同灵敏度的档位以适用于不同的监测要求。当装置与待监测螺栓连接后，测定弦初始固有频率为ω

【技术实现步骤摘要】
一种多档位振弦式螺栓状态监测装置及其使用与识别方法
本专利技术涉及土木工程结构健康监测
，更具体地涉及多档位振弦式螺栓松动监测装置及其识别技术。
技术介绍
随着我国基础设施建设的不断增长和发展，土木工程结构趋于大型化、复杂化，而结构健康监测（SHM）技术是保障工程结构安全性的重要手段。对于一个健康监测系统而言，传感器监测、采集结构响应及分析处理测量信号进而完成对结构损伤检测与状态的评估是土木工程结构健康监测的核心所在，作为损伤识别与状态监测的源头，传感器对于准确识别工程结构的状态变化具有关键性和决定性的作用。工程结构领域损伤种类繁杂，要想准确识别各种损伤并对结构服役状态进行监测，首先要利用各种的传感技术研制灵敏度高的检测装置。螺栓连接是一种重要的工程结构连接方式，其具有承载能力强、便于拆卸等的优点，被广泛应用于土木、机械、航空航天、汽车等领域，尤其是在预制装配式建筑、高铁技术以及风电行业等多个领域，螺栓被大量应用于关键节点部位的连接。在建筑结构领域，预制装配式建筑作为一种国家大力推广的结构形式和施工方法，发展迅猛。装配式建筑节点连接方法和施工工艺对结构整体性起着决定性作用，而节点处的连接往往采用螺栓连接，比如柱、梁的连接可采用全螺栓连接、栓焊混合连接等，尤其是装配式钢结构，节点处螺栓往往裸露在外部环境中，在长期荷载作用下，不可避免会发生预紧力衰减乃至松动，如何准确对节点处的螺栓连接进行松动监测和损伤识别则尤为关键。在交通领域，近年来，作为中国制造转型升级的一大亮点，中国高铁制造技术发展迅速。复兴号电力动车组是由中国具有完全自主知识产权，达到世界先进水平的电力动车组，最高速度可达350km/h，由于高铁各部件之间的连接方式大量采用螺栓连接，而高速运行的列车和铁轨之间产生摩擦震动对于列车各部件之间的螺栓连接影响较大，螺栓连接状态的检查对于高铁安全运行具有重大意义。在新能源领域，随着人类的不断开采，化石能源的枯竭不可避免，开发更清洁的可再生能源是今后发展的方向。风能是一种可再生能源，目前我国风力发电现状与发展趋势较好，同时也出现了一些诸如倒塔事故频发等问题，典型的倒塔事故如2010年1月大唐山西左云某风电项目风机倒塔事故，2012年9月5日托克逊风电场阳明风机倒塔事故，以及2015年的圣诞节瑞典的Lemnhult风场390英尺的风机倒塔事故等等，以上事故都是因未施加标准扭矩或紧固不当导致螺栓松动进而导致连接失效和倒塔。从近些年的倒塔事故来看，风电塔筒的法兰螺栓松动是倒塔的重要原因，螺栓松动的损伤识别与监测对于减少风电倒塔事故具有重要的实际意义。综上，在装配式结构、高铁以及风电行业领域等方面，螺栓连接在外部的冲击、振动以及蠕变、应力集中等的作用下，再加上本身的内部缺陷以及在装配之初未能施加标准扭矩，往往会出现预紧力下降，乃至滑动、分离甚至松脱现象，此时虽不致结构破坏，但若不能及时发现并采取针对性措施，损伤会持续积累，在外部突发诱因如地震、强风、过载工况的作用下，结构往往会发生毁灭性的破坏。因而，在工程结构服役期间，有效地监测和评估螺栓连接的实际状态，对于保证结构安全，避免重大安全事故具有重要意义。现有的螺栓松动监测的理论和方法主要有以下几种：（1）人工巡检与肉眼识别；（2）基于结构整体动力学特性的检测方法；（3）基于波传播非线性模型的方法；（4）基于机电阻抗法的螺栓连接状态监测与辨识；（5）基于声发射螺栓连接状态监测与辨识。其中，第一种人工方法目前最为普遍，但人工成本较高，且受巡检人员的个人经验等人为因素影响较大，而基于结构整体动力学特性的方法对于螺栓连接松动这种结构早期微小损伤具有不敏感的特点，其余方法大都需要较复杂的理论基础支撑或者价格昂贵的设备，而且大部分尚处于研究阶段，不便于大量工程实际应用。因此，目前风电领域亟待一种能够简便可靠的螺栓松动监测装置对螺栓连接状态进行监测。振弦传感的基本原理是振弦频率随其所受张力变化而工作，适用于应变测量系统，输出的是频率信号，抗干扰能力强，对电缆要求低，利于信号传输和远程测量，具有非常理想的测量效果。为了将振弦传感的基本原理应用到工程结构的螺栓松动监测问题的解决当中，设计了一种多档位的振弦式风电螺栓松动监测装置并提出相应的松动识别方法，以用于工程结构的螺栓连接状态的长期、实时在线监测。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多档位振弦式螺栓状态监测装置及其使用与识别方法。本专利技术是一种多档位振弦式螺栓状态监测装置及其使用与识别方法，多档位振弦式螺栓状态监测装置，包括电缆线1，夹槽2，外壳3，振弦4，吸块5，螺母卡环6，承台7，磁铁线圈8，连杆9，中轴10，基座11，弹簧12，外壳3上盖板开有圆孔，电缆线1从圆孔中穿过与磁铁线圈8连接，振弦4分为第一档位弦41、第二档位弦42、第三档位弦43、第四档位弦44，连杆9分为第一连杆91、第二连杆92、第三连杆93、第四连杆94，弹簧12分为第一弹簧121、第二弹簧122、第三弹簧123、第四弹簧124，第一档位弦41一端通过第一弹簧121与第一连杆91连接，另一端与中轴10连接，第二档位弦42一端通过第二弹簧122与第二连杆92连接，另一端与中轴10连接，第三档位弦43一端通过第三弹簧123与第三连杆93连接，另一端与中轴10连接，第四档位弦44一端通过第四弹簧124与第四连杆94连接，另一端与中轴10连接，连杆9下端与承台7连接，上端与夹槽2连接，承台7与螺母卡环6通过螺纹连接，磁铁线圈8固定于中轴10，磁铁线圈8分为激振线圈81和拾振线圈82，激振线圈81位于第一档位弦41、第二档位弦42、第三档位弦43第四档位弦44上方，拾振线圈82位于第一档位弦41、第二档位弦42、第三档位弦43第四档位弦44下方，中轴10上端面与夹槽2的下端面固定连接，夹槽2与外壳3的上盖板固定连接，基座11安装于夹槽2中间；外壳3分为两部分，两部分通过凸台31-U形滑槽32连接，凸台31内部嵌有磁铁，一半外壳为其他部件提供安装、工作空间，另一半在安装时取下来，待装置与待监测螺栓安装后装配至原位置，外壳3通过吸块5与待监测螺栓所连接的被连接件连接。以上所述的多档位振弦式螺栓状态监测装置的使用方法，其步骤为：（1）将装置下端与待监测螺栓连接：首先取下可活动的一半外壳，使吸块5吸附在待监测螺栓所连接的被连接件上面，螺母卡环与螺母连接，卡在螺母的六个侧面，将取下的一半外壳通过凸台31-U形滑槽32装配至原位置，装置安装完成后通过透明外壳3检查装置与螺栓连接是否可靠，连接是否异常；（2）振弦振动频率测量：激振线圈81激发振弦4起振，产生感应电动势，拾振线圈82对产生的感应电动势信号进行拾取、变换，送外部单片机处理，根据所测量电动势的信号频率即可求得振弦的频率值ω。多档位振弦式螺栓状态的识别方法，采用以上所述的多档位振弦式螺栓状态监测装置，其步骤为：（1）振弦的振动频率公式可由以下公式确定：E为振弦的弹性模量，为弦受到的应力，l为弦的长度，为弦的密度，为振弦受张力后的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多档位振弦式螺栓状态监测装置，包括电缆线（1），夹槽（2），外壳（3），振弦（4），吸块（5），螺母卡环（6），承台（7），磁铁线圈（8），连杆（9），中轴（10），基座（11），弹簧（12），其特征在于外壳（3）上盖板开有圆孔，电缆线（1）从圆孔中穿过与磁铁线圈（8）连接，振弦（4）分为第一档位弦（41）、第二档位弦（42）、第三档位弦（43）、第四档位弦（44），连杆（9）分为第一连杆（91）、第二连杆（92）、第三连杆（93）、第四连杆（94），弹簧（12）分为第一弹簧（121）、第二弹簧（122）、第三弹簧（123）、第四弹簧（124），第一档位弦（41）一端通过第一弹簧（121）与第一连杆（91）连接，另一端与中轴（10）连接，第二档位弦（42）一端通过第二弹簧（122）与第二连杆（92）连接，另一端与中轴（10）连接，第三档位弦（43）一端通过第三弹簧（123）与第三连杆（93）连接，另一端与中轴（10）连接，第四档位弦（44）一端通过第四弹簧（124）与第四连杆（94）连接，另一端与中轴（10）连接，连杆（9）下端与承台（7）连接，上端与夹槽（2）连接，承台（7）与螺母卡环（6）通过螺纹连接，磁铁线圈（8）固定于中轴（10），磁铁线圈（8）分为激振线圈（81）和拾振线圈（82），激振线圈（81）位于第一档位弦（41）、第二档位弦（42）、第三档位弦（43）第四档位弦（44）上方，拾振线圈（82）位于第一档位弦（41）、第二档位弦（42）、第三档位弦（43）第四档位弦（44）下方，中轴（10）上端面与夹槽（2）的下端面固定连接，夹槽（2）与外壳（3）的上盖板固定连接，基座（11）安装于夹槽（2）中间；外壳（3）分为两部分，两部分通过凸台（31）-U形滑槽（32）连接，凸台（31）内部嵌有磁铁，一半外壳为其他部件提供安装、工作空间，另一半在安装时取下来，待装置与待监测螺栓安装后装配至原位置，外壳（3）通过吸块（5）与待监测螺栓所连接的被连接件连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种多档位振弦式螺栓状态监测装置，包括电缆线（1），夹槽（2），外壳（3），振弦（4），吸块（5），螺母卡环（6），承台（7），磁铁线圈（8），连杆（9），中轴（10），基座（11），弹簧（12），其特征在于外壳（3）上盖板开有圆孔，电缆线（1）从圆孔中穿过与磁铁线圈（8）连接，振弦（4）分为第一档位弦（41）、第二档位弦（42）、第三档位弦（43）、第四档位弦（44），连杆（9）分为第一连杆（91）、第二连杆（92）、第三连杆（93）、第四连杆（94），弹簧（12）分为第一弹簧（121）、第二弹簧（122）、第三弹簧（123）、第四弹簧（124），第一档位弦（41）一端通过第一弹簧（121）与第一连杆（91）连接，另一端与中轴（10）连接，第二档位弦（42）一端通过第二弹簧（122）与第二连杆（92）连接，另一端与中轴（10）连接，第三档位弦（43）一端通过第三弹簧（123）与第三连杆（93）连接，另一端与中轴（10）连接，第四档位弦（44）一端通过第四弹簧（124）与第四连杆（94）连接，另一端与中轴（10）连接，连杆（9）下端与承台（7）连接，上端与夹槽（2）连接，承台（7）与螺母卡环（6）通过螺纹连接，磁铁线圈（8）固定于中轴（10），磁铁线圈（8）分为激振线圈（81）和拾振线圈（82），激振线圈（81）位于第一档位弦（41）、第二档位弦（42）、第三档位弦（43）第四档位弦（44）上方，拾振线圈（82）位于第一档位弦（41）、第二档位弦（42）、第三档位弦（43）第四档位弦（44）下方，中轴（10）上端面与夹槽（2）的下端面固定连接，夹槽（2）与外壳（3）的上盖板固定连接，基座（11）安装于夹槽（2）中间；外壳（3）分为两部分，两部分通过凸台（31）-U形滑槽（32）连接，凸台（31）内部嵌有磁铁，一半外壳为其他部件提供安装、工作空间，另一半在安装时取下来，待装置与待监测螺栓安装后装配至原位置，外壳（3）通过吸块（5）与待监测螺栓所连接的被连接件连接。


2.根据权利要求1所述的多档位振弦式螺栓状态监测装置，其特征在于所述振弦（4）为弹性钢弦，分为四个档位，并对应第一弹簧（121）、第二弹簧（122）、第三弹簧（123）、第四弹簧（124），四根弹簧的弹性变形能力不同，四根弦相应的灵敏度也就不同，可针对不同重要程度和状态阈值的螺栓，使用不同档位的弦进行监测，随着档位的增加，弹簧刚度逐渐增大，则灵敏度也相应增大，被监测螺栓状态的阈值也就相应的减小，针对具体应用背景的螺栓，实际监测时使用相应的档位即可，所述振弦（4）在实际设计安装时为防潮防尘并尽量减少温度变化的作用应封装在保护壳内，从而延长装置的使用寿命，所述振弦（4）在安装时不存在初始张力，在激振线圈（81）激励下能够可靠起振，所述电缆线（1）外接电源后能够为装置供电，并能够与外部单片机接口连接后实现信号传输功能。


3.根据权利要求1所述的多档位振弦式螺栓状态监测装置，所述螺母卡环（6）下端面开有凹槽，槽口截面为正六边形，规格与待监测螺栓相同，且能够适应一定范围大小的螺母尺寸，并且能够根据所监测螺栓的大小和尺寸不同可更换不同的螺母卡环（6），上端与承台（7）通过螺纹连接，从而能够进行调节以适应不同的螺母厚度和螺杆高度；所述基座（11）安装于夹槽（2）中间，能绕中轴（10）转动，所述中轴（10）截面为圆形，内部为空心，能与螺杆连...

【专利技术属性】
技术研发人员：李万润，刘学智，蒋伟，周超杰，李刚刚，王海峰，郭赛聪，火茜，杜永峰，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62