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      基于壓電阻抗法的螺栓連接狀態(tài)松動監(jiān)測試驗

      2019-10-31 01:10:42
      無損檢測 2019年10期
      關(guān)鍵詞:螺母壓電螺栓

      (國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 淮安供電分公司,淮安 223000)

      利用壓電阻抗法檢測時,產(chǎn)生的機(jī)械振動從主體結(jié)構(gòu)被傳輸至壓電材料,壓電材料在正壓電效應(yīng)作用下會出現(xiàn)電響應(yīng)的現(xiàn)象,對其電阻抗的變化結(jié)果進(jìn)行測試,再通過分析電阻抗信號的變化信息可獲得結(jié)構(gòu)損傷的數(shù)據(jù),并將其和不存在缺陷的試樣電阻抗譜進(jìn)行對比,便可推斷出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷狀態(tài)[1-3]。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康測試方法相比[4-6],壓電阻抗法的工作頻率更高,能夠使結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生更精確的變化,具備更優(yōu)異的抗外部因素干擾的性能,可高效地監(jiān)控結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)[7-11]。

      檢測螺栓的松動程度,通??梢栽诖郎y螺栓上粘附壓電材料,而地腳栓是埋藏在結(jié)構(gòu)內(nèi)的螺栓連接結(jié)構(gòu),壓電材料不方便黏附于螺栓上[12-15],因此文章選擇螺母作為測試對象。根據(jù)機(jī)電耦合系統(tǒng)電導(dǎo)納計算式以及螺母外側(cè)的受力情況可知,當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)的螺栓預(yù)緊力上升后,螺母外表面會形成更大的拉伸應(yīng)力,從而使耦合結(jié)構(gòu)達(dá)到更高的峰值頻率。建立相應(yīng)的試驗裝置,對螺栓連接部位的螺母進(jìn)行測試,同時將精密阻抗儀黏附于螺母外側(cè)的壓電材料上來測試壓電材料的電導(dǎo)納信號,并對得到的導(dǎo)納譜峰值頻率和螺栓預(yù)緊力之間的變化規(guī)律進(jìn)行分析,再根據(jù)壓電導(dǎo)納譜峰值頻率來計算螺栓預(yù)緊力,以此完成螺栓連接狀態(tài)的監(jiān)測。

      1 基于壓電阻抗法的螺栓連接狀態(tài)松動監(jiān)測設(shè)計

      壓電材料(PZT)工作過程的彈性約束傳感器模型,如圖1所示。

      圖1 彈性約束的PZT傳感器

      主體和壓電材料間通過彈性結(jié)構(gòu)進(jìn)行相連,可將其表示為一對動剛度彈簧組成的結(jié)構(gòu),利用驅(qū)動點(diǎn)動態(tài)剛度來表示主體結(jié)構(gòu)和PZT處于端點(diǎn)位置時形成的互相影響,獲得傳感器對應(yīng)的導(dǎo)納響應(yīng)計算式,如式(1)所示。

      (1)

      式中:C為負(fù)載電容;θ為連接角度;Kstr和KPZT分別為主體和壓電材料的剛度;ω為壓電材料的角頻率;κ31為耦合系數(shù)。

      根據(jù)式(1)可知,當(dāng)主體剛度改變后,壓電材料會形成不同的諧振頻率,并通過壓電導(dǎo)納信號體現(xiàn)出來,因此當(dāng)結(jié)構(gòu)動態(tài)剛度改變后,壓電導(dǎo)納峰值頻率也會出現(xiàn)明顯變化。

      根據(jù)圖1所示的模型結(jié)構(gòu),考慮壓電材料與等截面梁之間的粘連情況,將等截面梁結(jié)構(gòu)簡化成兩端受到反軸向力作用時形成的簡支梁結(jié)構(gòu),之后再推導(dǎo)得到如式(2)所示的等截面梁剛度表達(dá)式。

      (2)

      式中:ls,hs分別為梁的長度,厚度;Ys為梁的彈性模量;ρs,As,Ix分別為梁的密度,截面積和慣性矩;N為軸向力;n為模態(tài)階數(shù);n0,n1分別為低階模態(tài)和高階模態(tài);x1,x2分別為梁的不同測點(diǎn)距中心的距離。

      根據(jù)式(2)可以得到梁動態(tài)剛度與軸向力之間的關(guān)系:當(dāng)軸向受到拉伸載荷作用時,梁的動態(tài)剛度會明顯提高;反之,當(dāng)軸向受到壓縮載荷作用時,梁的動態(tài)剛度會降低。隨著動態(tài)剛度的提高,壓電材料和主體結(jié)構(gòu)之間形成的耦合系統(tǒng)將產(chǎn)生更大的諧振頻率,根據(jù)式(1)可得,受到拉伸應(yīng)力作用后,壓電導(dǎo)納信號的峰值頻率也會明顯升高。即,壓電材料阻抗與峰值頻率受到安裝部位應(yīng)力變化的顯著影響,且螺栓連接部位的螺母應(yīng)力跟實際連接狀態(tài)也存在緊密聯(lián)系,因此可以將壓電材料黏附于螺母的外側(cè)部位,根據(jù)測試得到的壓電材料阻抗峰值頻率來監(jiān)測螺栓的連接狀態(tài)。

      2 試驗測試

      2.1 試驗裝置布置

      構(gòu)建測試平臺時,利用環(huán)氧樹脂將壓電材料黏貼在螺母的中上部位,黏貼前先在環(huán)氧樹脂中放入兩根短光纖,以確保壓電材料的厚度和基體黏接層的厚度相同,從而得到相同的試驗測試條件。試驗在CMT5105電子萬能測試機(jī)上進(jìn)行螺栓連接裝置的載荷測試,通過高精度阻抗測試儀得到螺母上部壓電材料在各預(yù)緊力條件下形成的電導(dǎo)納信號,并將數(shù)據(jù)收集和存儲于計算機(jī)中,以利于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。試驗選擇尺寸(長×寬)為8 mm×7 mm的壓電材料,該材料的各項參數(shù)為:密度,7 650 kg·m-3;介電常數(shù),2.82×10-8F·m-1;壓電常數(shù),-265×10-12C·N-1。

      試驗時,先對螺母上的壓電材料實施大范圍掃頻,然后在靠近導(dǎo)納峰值頻率的一個小頻率區(qū)間內(nèi)實施測試。試驗采用48級M16螺栓、螺母與雙頭蝶柱作為測試對象,螺栓的最大拉力載荷可達(dá)624 kN,其中螺栓能夠達(dá)到的預(yù)緊力等于0.5~0.7倍的最大拉力載荷,通過計算可得螺栓的額定預(yù)緊力介于42.6~312 kN之間,因此設(shè)定測試機(jī)最大拉力為30 kN。在測試期間將拉力由0逐漸增大至30 kN,每次增加5 kN。同時,在各拉力保載階段,將通過精密阻抗分析儀得到的電導(dǎo)納信號存儲于計算機(jī)內(nèi)。

      2.2 試驗結(jié)果分析

      圖2為各預(yù)緊力條件下螺母的導(dǎo)納峰值頻率曲線,可見,所有預(yù)緊力條件下的導(dǎo)納峰值頻率都發(fā)生了右移的現(xiàn)象。

      圖2 不同載荷下的壓電材料的導(dǎo)納峰值頻率

      圖3 螺栓預(yù)緊力與峰值頻率擬合曲線

      從圖2的導(dǎo)納峰值曲線中提取峰值頻率點(diǎn),獲得不同預(yù)緊力條件下的峰值頻率數(shù)據(jù),并進(jìn)行擬合,得到的曲線如圖3所示。經(jīng)重復(fù)測試后發(fā)現(xiàn),當(dāng)預(yù)緊力增大后,螺母達(dá)到更高的導(dǎo)納峰值頻率,并且峰值頻率與預(yù)緊力之間屬于一種近線性關(guān)系。在實際測試數(shù)據(jù)存在小幅波動的情況下,依然可以看到擬合曲線呈現(xiàn)良好的線性變化規(guī)律,兩者具有相近的變化率。由此可見,根據(jù)峰值頻率可以得到螺栓的預(yù)緊力,從而推斷出螺栓的連接情況。

      根據(jù)上述各項測試結(jié)果可知,當(dāng)預(yù)緊力提高后,螺母導(dǎo)納峰值頻率也明顯增大,并呈現(xiàn)良好的線性變化規(guī)律,表明可以根據(jù)峰值頻率來精確獲得預(yù)緊力,進(jìn)而測試螺栓的連接情況。圖3顯示在預(yù)緊力提高5 kN之后,頻率將增大0.000 5 MHz左右。即當(dāng)預(yù)緊力載荷上升后,壓電材料的剛度將提高,使得壓電材料與螺母發(fā)生耦合而形成更大的諧振頻率。

      3 結(jié)論

      (1) 壓電材料阻抗與峰值頻率受到螺栓安裝部位應(yīng)力變化的顯著影響,螺栓連接部位的螺母應(yīng)力跟實際連接狀態(tài)也存在緊密關(guān)聯(lián),因此可以將壓電材料黏附于螺母的外側(cè)部位,再根據(jù)測試得到的壓電材料阻抗峰值頻率來監(jiān)測螺栓的連接狀態(tài)。

      (2) 試驗時,所有預(yù)緊力條件下的導(dǎo)納峰值頻率都發(fā)生了右移的現(xiàn)象。當(dāng)預(yù)緊力增大后,螺母達(dá)到更高的導(dǎo)納峰值頻率,并且峰值頻率與預(yù)緊力之間存在近線性變化的關(guān)系。

      (3) 根據(jù)峰值頻率可精確獲得預(yù)緊力,即利用峰值頻率可以測試螺栓的連接情況。當(dāng)預(yù)緊力載荷上升后,壓電材料的剛度將提高,使得壓電材料與螺母發(fā)生耦合而形成更大的諧振頻率。

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