聲激勵錨桿軸力監(jiān)測傳感器的研制

尹瑞 趙利平 梁義維

(太原理工大學(xué)機械工程學(xué)院　太原 030024)

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聲激勵錨桿軸力監(jiān)測傳感器的研制

(太原理工大學(xué)機械工程學(xué)院太原 030024)

根據(jù)現(xiàn)有的錨桿支護方式，提出一種采用聲激勵來監(jiān)測錨桿軸力的新方法，該方法屬于無損檢測。闡述了錨桿軸力監(jiān)測傳感器的基本原理，介紹了傳感器的構(gòu)造及參數(shù)的設(shè)置，從強度、模態(tài)、聲學(xué)3個方面進行了詳細說明，分析了共振板的厚度變化對聲學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，該傳感器滿足設(shè)計要求，方法可行、有效。

聲激勵錨桿軸力監(jiān)測無損檢測

0　引言

錨桿支護作為巖土錨固支護技術(shù)的主要方式，廣泛應(yīng)用于水利、水電、交通、鐵道、礦山、城市基礎(chǔ)設(shè)施等工程建設(shè)中，錨桿在工程領(lǐng)域內(nèi)的大量使用，有時會因為巖土的松動或錨桿本身的受力狀態(tài)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致錨桿失效發(fā)生斷裂。為保證人員和財產(chǎn)安全，及時、準確地對錨桿受力狀態(tài)進行監(jiān)測十分必要。國內(nèi)外有關(guān)人員對錨桿的監(jiān)測進行了大量的研究，主要成果有液壓式[1]、應(yīng)變片式[2]、光纖光柵式[3]等。這些裝置存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、維護困難、對錨桿桿體破壞、不適合大規(guī)模使用等一系列問題。

針對錨桿監(jiān)測的現(xiàn)有方法和理論，本文提出一種采用聲激勵，利用聲固耦合和聲譜分析對錨桿軸力進行監(jiān)測的新方法。該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、操作方便、不會對錨桿桿體產(chǎn)生破壞、適合大規(guī)模安裝使用的特點。

1　監(jiān)測原理

1.1聲激勵錨桿軸力監(jiān)測傳感器的原理

由振動學(xué)的相關(guān)知識可知，薄板處于自由狀態(tài)時受到外界激勵，當薄板的某階固有頻率和外界激勵頻率相同或接近時，薄板振幅會顯著增大，即會發(fā)生機械共振，薄板的振動會發(fā)出聲音。根據(jù)機械共振原理設(shè)計思路為：在由4個薄板圍成的封閉腔室中，有一個聲源，給定聲源大小和一定范圍的頻率，使得薄板在某階頻率處產(chǎn)生共振，發(fā)出聲音，通過辨別聲音的大小和已知頻率的聲源，來判斷錨桿承受的軸力大小。當錨桿承受的壓力變化時，薄板中的內(nèi)應(yīng)力也隨之改變，其發(fā)生共振的振型頻率也會相應(yīng)改變，此時改變聲源的大小和頻率范圍，也會使薄板共振，即可得知變化后的應(yīng)力大小。

本文以薄板的受迫振動為例，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)[4]。厚度為h的薄板，以板變形前的中面為xoy平面建立坐標系，規(guī)定u,v,w分別為沿x,y,z 3個方向的線位移，θx,θy,θz分別為繞3個軸線的角位移。坐標系中，6個應(yīng)力分量為σx,σy,σz,τxy,τyz,τzx，6個應(yīng)變分量為εx,εy,εz，γxy,γyz,γzx。

彈性薄板橫向振動的基本假設(shè)：

(1)直線法假設(shè)，認為變形前垂直于中面的直線在板變形后仍是直線，并與中面垂直。

(2)忽略與中面垂直的法向應(yīng)力。

(3)只考慮質(zhì)量移動的慣性力，忽略質(zhì)量轉(zhuǎn)動的慣性力矩。

(4)當板作微振動時，中面內(nèi)各點均沒有平行于中面的位移。一般認為z方向的位移w<(1/5)h時，符合微振動條件。

根據(jù)薄板微單元的受力分析，考慮板微單元的動力平衡，則

(1)

(2)

(3)

式中，q為強迫振動外載荷，ρ為密度。

剪力的表達式：

(4)

(5)

式中，D為板的抗彎剛度，D=Eh3/12(1-v2)。E為材料的彈性模量，v為材料的泊松比。

把式(4)、式(5)帶入板微單元的動力平衡方程中，得到薄板的受迫振動方程：

(6)

根據(jù)薄板的受迫振動方程及邊界條件，即可求得板的振型函數(shù)及固有頻率。

當錨桿承受的壓力變化時，安裝在錨桿上的監(jiān)測傳感器會同步發(fā)生變化，薄板的應(yīng)力也隨之改變。以下將從理論上說明固有頻率和預(yù)應(yīng)力的關(guān)系。

彈性模量與預(yù)應(yīng)力σr之間的關(guān)系可用式(7)表示[5]。

E=E0-kσr

(7)

式中，E為預(yù)應(yīng)力等于σr時的彈性模量，E0為無預(yù)應(yīng)力時的彈性模量，k為表征預(yù)應(yīng)力影響的常系數(shù)，規(guī)定式中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負。

可得單元固有頻率與預(yù)應(yīng)力具有以下關(guān)系:

(8)

從式(8)中可以看出，當板厚和材料確定后，影響固有頻率的只有預(yù)應(yīng)力。

1.2聲激勵錨桿軸力監(jiān)測傳感器的設(shè)計條件及要求

錨桿的種類有很多，根據(jù)錨固方式分為集中端頭錨固類和全長錨固類[6]，本文以對端頭錨固類的樹脂錨桿為例進行監(jiān)測。錨桿材質(zhì)為20MnSi螺紋鋼，桿體公稱直徑為22 mm，其屈服載荷10.9 t，破斷載荷17. 8 t。根據(jù)錨桿的初錨力是屈服載荷的50%～75%，本文設(shè)定初錨力為6 t。

根據(jù)錨桿受力和實際應(yīng)用分析，監(jiān)測裝置的性能指標應(yīng)滿足以下要求：①裝置在設(shè)定距離監(jiān)測時的聲壓級不能小于70 dB；②裝置的靈敏度不能小于2 t；③裝置應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。

2　監(jiān)測傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于機械共振原理和聲固耦合，采用聲激勵，本文設(shè)計的錨桿軸力監(jiān)測傳感器結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。圖1中4個側(cè)面為共振板。壓板上與壓板下的區(qū)別在于，壓板下有一個?2的通孔。壓板上、壓板下、承載體和共振板的材料選擇45#，支撐柱材料選為尼龍1010。材料的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1　材料的基本參數(shù)

圖1　監(jiān)測傳感器的三維視圖

1-壓板上；2-承載體；3-支撐柱；4-共振板；5-壓板下

3　監(jiān)測傳感器的設(shè)計方法

3.1錨桿軸力監(jiān)測傳感器的靜力分析

根據(jù)錨桿的受力情況得知，在ANSYS計算時，豎直方向為Y向，設(shè)置以下約束：設(shè)置裝置的邊界條件為圓形底面全約束，板厚定為0.7 mm，共振板上下面與壓板粘接，兩側(cè)面與支撐柱搭接，約束方式為遠離裝置中心線的X向或Z向約束，為查看裝置的承載能力是否滿足要求，以承受的最大壓力17. 8 t為例。

根據(jù)靜力學(xué)分析結(jié)果得知，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為134 MPa，遠小于鋼的屈服強度極限，最大應(yīng)力出現(xiàn)在壓板上和壓板下的內(nèi)圓孔尖角處，支撐柱的應(yīng)力也遠小于尼龍的屈服強度，故監(jiān)測裝置滿足力學(xué)性能要求。

3.2錨桿軸力監(jiān)測傳感器的模態(tài)分析

模態(tài)求解結(jié)果如表2所示。在ANSYS中模態(tài)求解時，板厚為0.7 mm，承受的壓力為17.8 t，本文求取了對監(jiān)測傳感器的動力學(xué)性能影響較大的前10階模態(tài)。根據(jù)求解結(jié)果知，監(jiān)測裝置的模態(tài)前4階很接近，究其原因是4個共振板在受力過程中受其他部件的影響，頻率產(chǎn)生了差異。

本文主要利用前4階模態(tài)，前4階的振型幾乎一致，根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)知識，該振型振動區(qū)域和振動幅值較大，對監(jiān)測傳感器的振動最有利。

表2　監(jiān)測傳感器的模態(tài)求解結(jié)果

根據(jù)模態(tài)計算理論分析得知，當承受應(yīng)力大小成線性變化時，第一階模態(tài)固有頻率的變化也會相應(yīng)地成線性變化。

3.3錨桿軸力監(jiān)測傳感器的聲學(xué)性能分析

在巷道中，采掘和運輸設(shè)備不工作時，現(xiàn)場噪聲的大小約為50 dB，人耳容易聽到的聲壓級在60 dB以上(人耳可聽到的頻率范圍之內(nèi))，計算時，施加聲源激勵聲壓大小為60 dB，根據(jù)模態(tài)的計算結(jié)果，聲源的頻率施加范圍為20～1 100 Hz，其中聲源的頻率間隔為2 Hz，聲源頻率要逐一施加，傳感器的阻尼比為0.1。實施監(jiān)測時，聲音聽取的位置為距離裝置正下方0.92～1.08 m的范圍，經(jīng)計算，該區(qū)間的聲壓級差值為0.5 dB，不影響裝置的監(jiān)測性能。

為詳細闡述監(jiān)測方法，本文以裝置承受壓力17.8 t，板厚為0.7 mm為例進行說明。聲源的頻率范圍150～700 Hz，如圖3所示，縱坐標為聲壓級[8]，橫坐標為頻率。經(jīng)過聲源的激勵，板會在275 Hz處發(fā)生共振，并且聲壓級達到最大，為82 dB，通過獲知的聲壓級大小和已知頻率的聲源，就可以判斷出此時錨桿所承受的壓力大小。正常人耳所能分辨的聲壓級差是3 dB，對最大聲壓位置附近的聲壓曲線進行分析，左側(cè)達到79 dB的頻率為270 Hz，右側(cè)達到79 dB的頻率為277 Hz，即聲壓級在79 dB到82 dB的頻率區(qū)間為270～277 Hz，區(qū)間大小為7 Hz，人耳無法對這7 Hz范圍內(nèi)的聲壓變化進行分辨，可以通過計算整個受力區(qū)間的頻率變化范圍得出監(jiān)測傳感器的分辨率。

圖3　監(jiān)測傳感器的聲壓級曲線

根據(jù)模態(tài)計算的理論分析，內(nèi)應(yīng)力的大小會影響物體的固有頻率，如圖4所示。從圖形中可以看出：在不同壓力下的監(jiān)測裝置具有不同的聲壓級曲線；隨著監(jiān)測裝置承受壓力的減小，聲壓級的最大值也減?。浑S著監(jiān)測裝置承受應(yīng)力的減小，兩相鄰聲壓級曲線峰值頻率的差值逐漸減??；監(jiān)測裝置的聲壓級曲線峰值均大于70 dB。該圖形曲線為實際監(jiān)測提供參考。

對圖4進行分析得知，監(jiān)測傳感器受到較小的壓力時，其聲壓級曲線波峰處的波形較寬，所以監(jiān)測傳感器的分辨率應(yīng)該以承受6 t的壓力作為分辨率基準。經(jīng)計算，監(jiān)測傳感器在承受6 t的壓力時，聲壓級變化3 dB，頻率變化了10 Hz，工作壓力為6～17.8 t，頻率變化了200 Hz，根據(jù)比例關(guān)系，本監(jiān)測傳感器的分辨率為0.5 t，滿足設(shè)計要求。

圖4　監(jiān)測傳感器在不同應(yīng)力下的聲壓級曲線

3.4共振板厚度對傳感器聲學(xué)性能的影響

以承受的應(yīng)力為17.8 t，厚度為0.65～1 mm的板為例(小于0.65 mm厚的共振板，對其模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲現(xiàn)象[9]，故在本文中不作討論)，分析結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，隨著板厚的減小，監(jiān)測裝置聲壓級的最大值呈增大的趨勢；從聲壓級數(shù)值的變化來觀察，板厚對聲壓級變化差值的影響不是線性的，即相比于較厚的板，較薄板厚度的變化對聲壓級的影響更大；板厚對監(jiān)測裝置的共振頻率產(chǎn)生影響，板越厚，共振頻率的數(shù)值也越大，且不為線性關(guān)系；板厚對監(jiān)測裝置的聲壓級曲線形狀會有影響，但不變的是都在特定的頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)一個明顯的尖端峰值，即板厚的變化對監(jiān)測方法不會產(chǎn)生明顯的影響；板厚對波峰的寬窄有影響，以聲壓級的最大值變化3 dB的范圍為例，板越厚，對應(yīng)的頻率范圍就越大，即板厚會影響監(jiān)測裝置的性能。

圖5　共振板不同板厚的聲壓級曲線

4　結(jié)論

本文提出了一種錨桿軸力監(jiān)測的新的方法，研究結(jié)果表明，監(jiān)測裝置的強度、模態(tài)、聲學(xué)性能均滿足設(shè)計要求；共振板厚度顯著影響聲壓級的大小，板越厚，聲壓級的峰值就越?。还舱癜逶谔囟ǚ秶鷥?nèi)的厚度變化不會影響監(jiān)測方法；共振板的厚度對共振頻率有明顯的影響，板越厚，共振頻率越大。經(jīng)試驗，該裝置滿足使用要求。

[1]蔡青林.一種錨桿測力計[P].中國專利，CN203310557U.2013.

[2]邢龍龍.應(yīng)變式測力錨桿設(shè)計及在煤礦巷道中的應(yīng)用[J].科技資訊,2011(10)：132-133.

[3]李毅,柴敬,邱標.光纖光柵傳感技術(shù)在錨桿測力計上的應(yīng)用[J].煤礦安全,2009(2):50-52.

[4]趙玫,周海亭.機械振動與噪聲學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,2004：164-170.

[5]廖代輝,成艾國,謝慧超.考慮沖壓殘余應(yīng)力和厚度變化的車身結(jié)構(gòu)模態(tài)分析與優(yōu)化[J].振動與沖擊,2010(3)：30-33.

[6]何滿潮,袁和生.中國煤礦錨桿支護理論與實踐[M].北京：科學(xué)出版社,2004：149-152.

[7]李增剛,詹福良.Virtual.Lab Acoustics 聲學(xué)仿真計算高級應(yīng)用實例[M].北京：國防工業(yè)出版社,2010:47-48.

[8]馬大猷.現(xiàn)代聲學(xué)理論基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社,2004:33-37.

[9](美)克拉夫(R W Clough)，(美)彭津(J Penzien).王光遠，等譯.結(jié)構(gòu)動力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,1981:166-167.

配電變壓器調(diào)節(jié)分接開關(guān)操作步驟

(1)先停電。斷開配電變壓器低壓側(cè)負荷后，用絕緣棒拉開高壓側(cè)跌落式熔斷器，然后做好必要的安全措施。

(2)擰開變壓器上的分接開關(guān)保護蓋，將定位銷置于空檔位置。

(3)調(diào)節(jié)檔位時，應(yīng)根據(jù)輸出電壓高低，調(diào)節(jié)分接開關(guān)到相應(yīng)位置，調(diào)節(jié)分接開關(guān)的基本原則是：

當變壓器輸出電壓低于允許值時，把分接開關(guān)位置由Ⅰ檔調(diào)到Ⅱ檔，或由Ⅱ檔調(diào)整到Ⅲ檔。

當變壓器輸出電壓高于允許值時，把分接開關(guān)位置由Ⅲ檔調(diào)到Ⅱ檔，或Ⅱ檔調(diào)整到Ⅰ檔。

(4)調(diào)節(jié)檔位后，用直流電橋測量各相繞組直流電阻值，檢查各繞組之間直流電阻是否平衡。若各相之間電阻值相差大于2%，必須重新調(diào)整，否則運行后，動靜觸頭會因接觸不好而發(fā)熱，甚至放電，損壞變壓器。

(5)確認無誤再送電，查看電壓情況。

(趙建文)

Development of Rock Bolt Axial Force Monitoring Sensors by Acoustic Excitation

YIN QiruiZHAO LipingLIANG Yiwei

(CollegeofMechanicalEngineering,TaiyuanUniversityofTechnologyTaiyuan030024)

According to the existing mode of rock bolt support, the paper puts forward a new kind of method of rock bolt axial force monitoring sensors by acoustic excitation, which belongs to nondestructive testing. The basic principle of the monitoring sensors is elaborated, the structure of the sensor and the parameter settings of each part are introduced, a detailed description of the sensor is made from three aspects of intensity, mode and acoustic, and the effects of resonance plate thickness on the performance of acoustic are analyzed. The results show that the method is feasible and effective, meeting the requirements of design.

acoustic excitationmonitoring of axial force of rock boltnondestructive testing

尹瑞,男,1990年生,碩士研究生,主要從事故障診斷方面的研究。

2015-08-10)