[发明专利]基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法

权利要求书

1.一种基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、在上法兰和下法兰连接处的内圆周或外圆周均匀地布置一组法兰纵向横向相对位移传感器和一组法兰径向相对位移传感器；

S2、将法兰纵向横向相对位移传感器的限位块安装垫块的下边缘中点记为A点，壳体安装垫块的上边缘中点记为B点，每个法兰纵向横向相对位移传感器分别采集A点和B点沿法兰轴向的相对位移u以及A点和B点沿法兰边缘切向的相对位移v；

S3、将法兰径向相对位移传感器的滑动基体外端与L形限位块接触面的中心点记为C点，将竖垫块与限位块接触面上边缘的中点记为D点，将在过C点和D点连线、垂直于法兰内圈表面或外圈表面的平面上、并且位于法兰上表面边缘线的点记为C1点，将过C点、D点和C1点的平面与法兰内圈表面或外圈表面的交线、且在D点下部与D点在法兰轴向距离等同于C1点与C点在法兰轴向距离的点标记为D₁点；采集法兰径向相对位移传感器所测C点和D点在法兰径向的相对位移w，该位移值近似等同于法兰受到载荷作用上法兰和下法兰在径向出现相对位移时，上法兰C1点和下法兰D1点在法兰径向的相对位移；

S4、综合A点和B点沿法兰轴向的相对位移u、A点和B点沿法兰边缘切向的相对位移v以及C点、D点在法兰径向的相对位移w，计算螺栓拉力和螺栓连接处的工作载荷，并进一步计算获得作用在法兰上的总工作载荷；

S5、将计算得到的螺栓拉力和法兰上的总工作载荷分别与设置的阈值进行比对，当超过阈值时进行预警。

2.根据权利要求1所述的基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，其特征在于：步骤S4中，通过以下过程计算螺栓拉力和螺栓连接处的工作载荷：

S4.1、对法兰所有螺栓施加初始预紧力F0后，在无工作载荷作用时，从上垫片外缘至下垫片外缘的距离即装夹厚度为L1，A点和B点间距为L2，C1点和D1点间距为L3，螺栓刚度为C1，螺栓连接处垫片与连接件整体的刚度为C2，连接件包括上法兰和下法兰；当施加预紧力F0后，螺栓连接处垫片与连接件整体被压缩量为F0/C2；

S4.2、计算螺栓拉力和螺栓连接处的工作载荷：

S4.2.1、当A点和B点沿法兰轴向的相对位移为向法兰外侧增加u时，则螺栓连接处受到拉伸性外载荷作用；

记参考长度

其中，k_u表示A点和B点沿法兰轴向的相对位移为u时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰轴向的位移变化量与所成的比例系数；k_v表示A点和B点沿法兰切向的相对位移为v时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰切向的位移变化量与所成的比例系数；k_w表示当位移传感器所测C点和D点沿法兰径向的相对位移为w时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰径向的位移变化量与所成的比例系数；

根据以下情况计算螺栓拉力和螺栓连接处的工作载荷：

(a)若△L≤F0/C2，通过以下公式计算螺栓拉力F1和螺栓连接处工作载荷F2：

F1＝F0+△F1

F2＝△F1+△F2

其中，△F1表示螺栓拉力增加值，△F2表示连接处垫片与连接件整体的压紧力减小值，通过以下公式计算：

△F1＝△L×C1

△F2＝△L×C2

(b)若△L＞F0/C2，通过以下公式计算螺栓拉力F1和螺栓连接处工作载荷F2：

F1＝F0+△F1

F2＝△F1+△F2

其中，△F2＝F0，螺栓拉力增加值△F1通过以下公式计算：

△F1＝△L×C1

S4.2.2、当A点和B点沿法兰轴向的相对位移为向法兰内侧减少u时，则螺栓连接处受到压缩性外载荷作用；

记参考长度

k_u1表示当位移传感器所测A点和B点沿法兰轴向的相对位移为u时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰轴向的位移变化量与所成的比例系数；k_v1表示当位移传感器所测A点和B点沿法兰切向的相对位移为v时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰切向的位移变化量与所成的比例；k_w1表示当位移传感器所测A点和B点沿法兰径向的相对位移为w时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰径向的位移变化量与所成的比例系数；

通过以下公式计算螺栓拉力F1和螺栓连接处工作载荷F2：

F1＝F0+△F1

F2＝△F1+△F2

其中，△F1表示螺栓拉力增加值，△F2表示连接处垫片与连接件整体的压紧力减小值，通过以下公式计算：

△F1＝(-△L)×C1

△F2＝(-△L)×C2

S4.3、根据各个螺栓连接处的外部载荷计算作用在法兰上的总工作载荷。