基于压电阻抗技术的螺栓松动检测试验研究.pdf

第 2 7卷 第 1 0期 2 0 1 4年 1 0月 传 感 技 术 学 报 C HI N ES E J O UR NA L O F S E NS OR S AN D AC T UA T OR S Vo 1 2 7 No 1 0 0ct 2 01 4 Re s e a r ch o n Bo l t Lo o s e n De t e ct io n Ba s e d o n P i e z o e l e ct r i c I mp e d a n ce Te ch n o l o g y WA NG T a o g A NG Z h iw u S HA 0 J u n h u a IL l Y o u r o n g K e y L a b o r a t o r y o fMe t a l l u r g i ca l E q u i p me n t a n d C o n t r o l 0 厂 胧n ofE d u ca t i o n W u h a n U n i v e r s i t y o fS ci e n ce a n d T e ch n 0 l o g y Wu h 0 n 4 3 0 0 8 1 C h i n n Abs t r a ct F o r t h e pr o b l e m o f b o l t l o o s e n e s s in t h e e n g ine e r in g s t r u ct u r e t he p ie z o e l e ct r ic imp e d a n ce ba s e d me t h o d is i n v e s t i g a t e d a n d a p pl i e d t o d e t e ct t h e b o l t l o o s e n e s s s t a t u s a n d t h e u n iv e r s a l t e s t i n g ma ch in e i s u s e d t o s imu l a t e t h e ch a n g e s o f b o l t pr e t ig h t e ni n g f o r ce o n t h e b o l t e d s t ruct u r e f o r t h e e x p e r ime n t s Und e r d i f f e r e n t p r e t i g h t e n i n g f o r ce t h e im p e d a n ce a n a l y z e r is u t i l iz e d t o me a s u r e t h e im p e d a n ce o f t h e P Z T L e a d Z ir co n a t e T it a n a t e p ie z o e l e ct r ic p a t ch e s w h ich p a s t e d o n t h e m a in s t r u ct u r e E x p l o i t in g t h e r o o t me a n s q u a r e d e v i a t i o n R M S D v a l u e o f a d mit t a n ce o f t h e r e a l p a r t t h e d e g r e e o f b o l t l o o s e n e s s i s i d e n t ifi e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d a ma g e in d ica t o r s t e n d e d t o d e cr e a s e wh il e t h e b o l t p r e t ig h t e n in g f o r ce in cr e a s e a n d t h e ch a n g e o f b o l t p r e t ig h t e n in g f o r ce co u l d be id e n t i fi e d b y t h e RMS D b o t h t h e p o s it i o n o f PZT a n d t h e r o u g h ne s s o f co n t a ct s u r f a ce h a v e ce r t a in in flu e n ce s o n t he r e s u l t s o f d a ma g e in d ica t o r Ke y wo r ds h e a l t h mo n it o r i ng b o l t l o o s e n e s s p ie z o e l e ct r i c i mp e da n ce d a ma g e in d ica t o r E E ACC 7 1 1 0 7 1 3 0 d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 4 1 6 9 9 2 0 1 4 1 0 0 0 4 基 于压 电阻抗 技术 的螺栓松动检测试验研究 术 王 涛 杨志武 邵俊华 李友荣 武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室 武汉 4 3 0 0 8 1 摘 要 针对工程结构中螺栓松动问题 采用万能试验机对螺栓联接结构进行加载模拟螺栓预紧力的变化 在不同螺栓预紧 力作用下 测量螺栓联接结构上所安装的压电材料的阻抗变化 利用压电导纳实部均方根偏差 R MS D 对螺栓的松紧程度进 行识别 分析损伤指标 R MS D 随预紧力变化的规律和压电材料安装位置及联接结构接触面粗糙度对损伤指标的影响 试验 结果表明 在不同频率段和不同预紧力的作用下 随着预紧力的增大 损伤指标呈减小的趋势 压电材料的安装位置和接触面 粗糙度对损伤指标测量结果均有一定的影响 损伤指标可以较准确地识别螺栓预紧力的变化 关键 词 健康监测 螺栓松动 压电阻抗 损伤指标 中图分类号 T B 3 8 1 T H7 0 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 1 6 9 9 2 0 1 4 1 0 1 3 2 1 0 5 工程结构之间有 多种连接方式 螺栓连接就是 一 种在工程实践中应用最为广泛的连接方式 螺栓 在循环载荷的冲击和强迫振动 的作用下会出现疲劳 损伤 和松动现象 螺栓 的失效会造成灾难性 的后果 和重大财产损失 对于那些工作在恶劣环境下的螺 栓 其松紧程度和疲劳损伤往往难 以直接判断 或者 其健康状况经常被忽视 为了避免那些健康状况不 良的螺栓带来的灾难性后果 对螺栓健康状况进行 实时在线监测显得尤为重要 2 0世纪 9 0年代 L ia n g等 率先对压电材料一 主 体结构机电耦合系统特性进行 了研究 并且提 出把 压电阻抗技术应用于结构的健康监测中 近年来基 于压电阻抗技术 的结构健康 监测 有 了较深入 的研 究 国内外学者将该项技术广泛 的应用 于工程结构 的健康监测 B h a l l a等 将压 电材料粘贴在航空 元件和钢筋混凝土桥上来进行压电阻抗实验 结果 证 明压 电阻抗 技 术用于结 构健 康 监测 的有效性 P E A I R S等 将该技术应用于煤气管道损伤 的监测 中 发现该技术可 以检测地下管道裂缝等损伤 卢翔 等 5 将压 电阻抗技术用于焊缝裂纹的监测 结果表 明压电片可以灵敏的监测到裂纹微小的变化 近年来基于压电阻抗技术的螺栓松动的监测研 究有 了较快发展 高峰等 6 将该技术应用于螺栓 的 健康监测中 并 提 出高频 机械阻抗 的概念 王丹生 项 目来源 国家 自然科学基金项 目 5 1 3 7 5 3 5 4 5 1 2 7 8 0 8 4 湖北省 自然科学基金项 目 2 0 1 1 C D A1 2 1 收稿 日期 2 0 1 4 0 6 2 3 修 改 日期 2 0 1 4 0 8 2 6 第 1 0期 王涛 杨 志武等 基于压电阻抗技 术的螺栓松动检测试验研究 1 3 2 3 实验采 用公称直径为 1 6 m m 强度等级 为 4 8 的普通螺栓 以 0 5 6 屈服极 限 来 计算最大预 紧 力 经计算 该型号 的螺栓最 大预紧力约为 4 3 k N 实验开始前先设定试验机 的加载间隔为 5 k N 加载 的力依次为 0 k N 5 k N 1 0 k N 1 5 k N 2 0 k N 2 5 k N 3 0 k N 3 5 k N 4 0 k N 4 3 k N 在每个载荷保载的过程 中 采用静态测 量 的方法 利用 WK 6 5 0 0 B精密阻抗 分析仪 测量频率 范围为 2 0 H z 3 0 MHz 对压 电 材料导纳的实部和虚部进行测量 并记录每个 载荷 下压电材料 导 纳实 部 和虚 部 的值 实验 选 取 1 5 0 k H z 一1 8 0 k H z 和 2 0 0 k H z 2 5 0 k H z作为扫描频段 最后在计算机上进行数据采集 和分析 实验所用 的压 电片尺 寸为 1 0 m mX 6 m m 0 5 mm 压电片及实验所用 的四组试样规格参数见表 1 和表 2 每组试样 由两块相 同尺寸 的压板组成 1 试样和 2 试样为厚度不 同的圆形压板 在 1 2 试 样表面相同位置各粘贴一块压电片 3 试样和 4 试 样为粗糙度不同的长方形压板 在试样表面距离 螺 栓 3 5 mm 7 0 mm 1 0 5 m m 的位置各粘贴一块压 电 片如图 4所示 形成位置和粗糙度不同的对比试样 加载方式和圆形压板一样 表 1 P Z T的参 数表 表 2 四组试样规格 2 2 实验和结果分析 图 5是 1 试样 上粘贴 的 P Z T在 1 5 0 k H z 1 8 0 k H z 频段下的导纳实部和虚部曲线 图 6是 1 试样上 粘贴的 P Z T在 2 0 0 k H z 2 5 0 k Hz 频段下导纳实部 和 虚部曲线 从图 5和图 6中可以看到在不同预紧力 的作用下压电导纳的实部变化明显 最显著的变化是 随着预紧力的增加导纳实部的峰值在不断的变小 曲 线变得越来越平缓 从曲线的纵坐标可以观察到 同 一 试样在相同频率下的导纳实部数值约为导纳虚部 数值的十倍 可知导纳虚部变化 区间较小 且导纳实 部对结构特性变化更敏感 因此本实验主要对导纳实 部进行数据分析和处理 J 同样 2 3 4 试样在这 两个敏感的频率段也可以得到相同的结论 1 0 b I I z 图 5 1 试样 P Z T在 1 5 0 k H z 1 8 0 k H z 频段 下的导纳 从上面 1 试样 P Z T的导纳曲线图可以得到 压 电导纳实部的变化可 以反应出螺栓预紧 力的变化 但是很难判断螺栓 的松动程度 为了表达 出在不同 预紧力作用下相应的螺栓松动程度 利用压 电导纳 实部的均方根偏差 R MS D 来定义损伤指标 R MS D 厂 i E R e 一 R e y n R e y x l O 0 z 1 i 1 2 式 中 R e 为各预紧力作用下所测得的压 电导纳 实部 R e 1 0 为最大预紧力 时的压 电导纳实部 以 R e Y o 所对应 的值为理想的健康状况 其损伤指标 为零 通过上式的计算就可 以得到各 预紧力作用下 的损伤指标 对 比分析损伤指标 随预紧力变化的规 律 i为扫描频 率点 Z为扫描 点数 本 次实验采 用 l 3 2 4 传感技术学报 W W W c h i n a t r a n s d u c e r s c o rn 第 2 7卷 1 0 图 6 l 试样 P Z T在 2 0 0 k H z 2 5 0 k H z 频段 下的导纳 4 0 0个扫描点 根据定义的损伤指标进行数据处理 图 7为 1 试 样在两个扫描频率段下 对螺栓进行加载和卸载所得 到的损伤指标 结果显示加载和卸载两种方式所得到 的损伤指标有类似的变化趋势 本实验采用对螺栓加 载的方式来模拟螺栓预紧力的变化 图 8为 2 试样 在相同的环境和条件下 对损伤指标共测量四次并计 算平均值 结果显示四次测量结果基本相同 图 7 l 试样 P Z T在不 同频率段 下加载 和卸载所得到的损伤指标 根据 1 2 试样所测得 的损伤指标很容易判别 螺栓的松动程度 随着预紧力 的增大螺栓的损伤指 标越来越小 也即螺栓在预紧力为零 时损伤指标最 大 在预紧力最大时损伤指标最小 当螺栓从无载荷 的自由状态到受 到 1 0 k N左右的预紧力作用 时 损 图 8 2 试样 P Z T在 不同频 率断下的损伤指标 伤指标快速下降 这是因为压板刚受到预紧力 的作 用时 内部刚度和阻尼瞬间产生巨大变化 压 电片表 现出对两表面刚接触 时的高度敏感性 当预紧力在 1 0 k N 3 5 k N的范围内变化时损伤指标下降缓慢 两组试样在所选的两个频率段下 所监测到的损伤 指标都呈一定的线性变化 且两组试样在 2 0 0 k H z 2 5 0 k H z 频率范 围内损