[发明专利]一种用于评估螺栓松动和失效的监测系统及其监测方法

说明书

本发明公布了一种用于评估螺栓松动和失效的监测系统及其监测方法，系统包括螺纹紧固件，螺栓在上工件伸出的螺纹段先套合智能垫片后再通过螺母拧紧；智能垫片上设置有第一电极层、第二电极层以及两者之间设置的柔性压电材料层；第一电极层上部以及第二电极层下部分别设置有第一绝缘层和第二绝缘层；第一电极层与第二电极层分别连接有第一接线端子和第二接线端子；第一接线端子与第二接线端子与信号采集处理终端连接。监测方法对螺纹连接件松动或失效进行全过程监测，并及时提出预警，通过压电信号的采集与分析，实时监测螺栓的松动或失效情况，并能在松动或失效进行及时报警，避免机械设备在运行中由于螺栓的松动或失效造成的安全事故。

技术领域

本发明涉及一种用于评估螺栓松动和失效的监测系统及其监测方法。

背景技术

螺栓连接作为一种通用的连接方式，在轨道交通装备、风电、建筑、汽车等各工程领域中广泛应用，但其可拆装性相较于不可拆装件容易失效。螺栓的失效形式同样多种多样，最普通的失效形式就是螺栓松动，螺栓在循环载荷的冲击和强迫振动的作用下会出现不同程度的松动或失效现象，螺栓的松动或失效会导致毁灭性的后果和重大财产损失。为了避免已松动或失效的螺栓带来的安全事故，对螺栓健康状态进行监测和维护显得非常必要。

结构健康监测技术是基于智能结构的思想发展起来的现场监测技术。在结构健康监测系统中，将智能材料用作传感器，使健康监测具备了获得更加精确信息的基础。而压电材料正是目前智能结构系统研究中应用最多的一种传感和驱动材料，其因具有响应快，频响范围宽，易剪裁，价格低廉等特点而在工程结构健康监测方面存在着巨大的应用潜力。而传统的压电元件脆性大，在螺栓预紧时受到压迫容易发生断裂，本专利采用柔性的压电元件能解决这一难题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于评估螺栓松动和失效的监测系统及其监测方法，旨在对螺纹连接件松动或失效进行全过程监测，并及时提出预警，其中利用螺栓预紧力的变化导致智能垫片中柔性压电元件的压电性能变化，通过压电信号的采集与分析，实时监测螺栓的松动或失效情况，并能在松动或失效进行及时报警，提醒工作人员对螺纹连接件进行维修与更换，避免机械设备在运行中由于螺栓的松动或失效造成的安全事故。

根据压电材料的机电耦合特性，如果螺栓存在松动或失效，其机械阻抗将发生变化，通过粘贴在结构表面压电材料电导纳的变化可以直观反映出结构机械阻抗的变化；同时，通过监测循环载荷的冲击和强迫振动的作用下结构的振动信号，也可以分析螺栓是否松动或失效。这种监测可以实现螺纹连接件全过程不间断监测，这样就使得机械设备所造成的故障和损失大大减少。本申请通过柔性压电材料制成智能垫片，能实时不间断监测螺栓的松动或失效。根据螺纹连接件预紧力的变化，智能垫片的压电导纳数据或采集的振动信号传递给信号数据采集处理终端进行分析，当压电导纳数据或采集的振动信号不在正常变化范围内时会发出警报，能实时监测到螺栓松动或失效，及时进行维修或更换。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于评估螺栓松动和失效的监测系统，包括螺纹紧固件，所述螺纹紧固件包括螺母和螺栓，上工件和下工件，所述上工件与下工件通过螺纹紧固件紧固，所述螺栓在上工件伸出的螺纹段先套合智能垫片后再通过螺母拧紧；所述智能垫片上设置有第一电极层、第二电极层以及两者之间设置的柔性压电材料层；所述第一电极层上部以及第二电极层下部分别设置有第一绝缘层和第二绝缘层；所述第一电极层与第二电极层分别连接有第一接线端子和第二接线端子；所述第一接线端子与第二接线端子与信号采集处理终端连接。