基于壓電阻抗技術(shù)的螺栓松動檢測試驗(yàn)研究*

王 濤,楊志武,邵俊華,李友榮

(武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430081)

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基于壓電阻抗技術(shù)的螺栓松動檢測試驗(yàn)研究*

王 濤*,楊志武,邵俊華,李友榮

(武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430081)

針對工程結(jié)構(gòu)中螺栓松動問題,采用萬能試驗(yàn)機(jī)對螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載模擬螺栓預(yù)緊力的變化,在不同螺栓預(yù)緊力作用下,測量螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)上所安裝的壓電材料的阻抗變化,利用壓電導(dǎo)納實(shí)部均方根偏差(RMSD)對螺栓的松緊程度進(jìn)行識別;分析損傷指標(biāo)(RMSD)隨預(yù)緊力變化的規(guī)律和壓電材料安裝位置及聯(lián)接結(jié)構(gòu)接觸面粗糙度對損傷指標(biāo)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:在不同頻率段和不同預(yù)緊力的作用下,隨著預(yù)緊力的增大,損傷指標(biāo)呈減小的趨勢;壓電材料的安裝位置和接觸面粗糙度對損傷指標(biāo)測量結(jié)果均有一定的影響;損傷指標(biāo)可以較準(zhǔn)確地識別螺栓預(yù)緊力的變化。

健康監(jiān)測;螺栓松動;壓電阻抗;損傷指標(biāo)

工程結(jié)構(gòu)之間有多種連接方式,螺栓連接就是一種在工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛的連接方式。螺栓在循環(huán)載荷的沖擊和強(qiáng)迫振動的作用下會出現(xiàn)疲勞損傷和松動現(xiàn)象,螺栓的失效會造成災(zāi)難性的后果和重大財(cái)產(chǎn)損失。對于那些工作在惡劣環(huán)境下的螺栓,其松緊程度和疲勞損傷往往難以直接判斷,或者其健康狀況經(jīng)常被忽視。為了避免那些健康狀況不良的螺栓帶來的災(zāi)難性后果,對螺栓健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測顯得尤為重要。

20世紀(jì)90年代Liang等[1]率先對壓電材料-主體結(jié)構(gòu)機(jī)電耦合系統(tǒng)特性進(jìn)行了研究,并且提出把壓電阻抗技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中。近年來基于壓電阻抗技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測有了較深入的研究,國內(nèi)外學(xué)者將該項(xiàng)技術(shù)廣泛的應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。Bhalla等[2-3]將壓電材料粘貼在航空元件和鋼筋混凝土橋上來進(jìn)行壓電阻抗實(shí)驗(yàn),結(jié)果證明壓電阻抗技術(shù)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的有效性;PEAIRS等[4]將該技術(shù)應(yīng)用于煤氣管道損傷的監(jiān)測中,發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以檢測地下管道裂縫等損傷;盧翔等[5]將壓電阻抗技術(shù)用于焊縫裂紋的監(jiān)測,結(jié)果表明壓電片可以靈敏的監(jiān)測到裂紋微小的變化。

近年來基于壓電阻抗技術(shù)的螺栓松動的監(jiān)測研究有了較快發(fā)展,高峰等[6]將該技術(shù)應(yīng)用于螺栓的健康監(jiān)測中,并提出高頻機(jī)械阻抗的概念;王丹生等[7]將該技術(shù)應(yīng)用于大型鋼結(jié)構(gòu)螺栓松動的研究,用損傷指標(biāo)來定義螺栓的松動程度。該項(xiàng)技術(shù)在螺栓的健康監(jiān)測領(lǐng)域還存在很大的發(fā)展空間,尤其是在螺栓損傷程度的定量判別方面。針對螺栓聯(lián)接松動問題,本文采用萬能試驗(yàn)機(jī)對螺栓進(jìn)行加載,精確控制螺栓預(yù)緊力,避免了聯(lián)接結(jié)構(gòu)中摩擦力對實(shí)驗(yàn)的干擾,準(zhǔn)確地獲得損傷指標(biāo)隨預(yù)緊力變化的規(guī)律,據(jù)此展開了試驗(yàn)研究。

1 壓電阻抗技術(shù)原理

基于壓電材料的正逆壓電效應(yīng),可將其作為傳感器和驅(qū)動器。將壓電材料粘貼在主體結(jié)構(gòu)表面,給壓電材料通以高頻激勵信號使之產(chǎn)生微小振動,壓電材料的振動信號作用在主體結(jié)構(gòu)表面使之產(chǎn)生相應(yīng)的振動;主體結(jié)構(gòu)的振動反過來會作用在壓電材料上,壓電材料受力會使其表面電荷發(fā)生改變;壓電材料表面電荷的變化可以通過精密阻抗分析儀以壓電阻抗的形式反映出來;主體結(jié)構(gòu)特性(如剛度和阻尼等)的變化會使其振動發(fā)生變化,進(jìn)而使其作用于壓電材料的振動發(fā)生改變,從而使得壓電材料反饋的電信號不同,因此可以通過比較壓電材料反饋的電信號來分析主體結(jié)構(gòu)的變化;而對于螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu),主結(jié)構(gòu)的變化在這里主要來自螺栓的預(yù)緊力的變化,故可以通過分析壓電材料的阻抗變化情況來確定螺栓的松緊狀況。將壓電材料和主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合之后,給壓電材料通以高頻激勵電壓使之產(chǎn)生相應(yīng)的振動,在只考慮該系統(tǒng)做軸向振動的情況下,可以將該耦合系統(tǒng)簡化為一個(gè)一維的彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)[1]如圖1所示。

圖1 機(jī)電耦合系統(tǒng)力學(xué)模型

在激勵電壓的作用下,PZT產(chǎn)生輸出電流I,因?yàn)閴弘妼?dǎo)納和壓電阻抗互為倒數(shù),所以Y=I/V,由此Liang等[1]推導(dǎo)出了PZT的壓電導(dǎo)納:

(1)

根據(jù)上式可知,壓電材料在外部載荷的作用下,其壓電導(dǎo)納隨主體結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗變化而變化,在壓電材料的特性參數(shù)不變和周圍環(huán)境條件維持在較為理想的情況下,主體結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗Zs決定PZT壓電導(dǎo)納Y的變化。因此通過精密阻抗儀監(jiān)測壓電材料電導(dǎo)納Y的變化可以得到主體結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的變化,而結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的變化來源于作用在結(jié)構(gòu)表面的外部載荷,使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部特性(剛度和阻尼等)發(fā)生變化,因此可以通過對比分析結(jié)構(gòu)受載前后壓電材料阻抗的異同,來分析螺栓預(yù)緊力的變化,從而得到螺栓的松緊狀況。

圖3 1#、2#試樣示意圖

2 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

通過環(huán)氧樹脂將壓電材料分別粘貼在各組試樣的相應(yīng)位置,搭建如圖2所示的實(shí)驗(yàn)平臺。由于扭矩扳手等加載精度低、誤差大[8],因此實(shí)驗(yàn)采用CMT5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)對螺栓的頭部和螺帽進(jìn)行加壓,來模擬螺栓預(yù)緊力的變化,如圖3所示,壓力通過墊片作用在試樣的表面,相當(dāng)于擰緊螺栓時(shí)產(chǎn)生的預(yù)緊力作用在試樣的表面,使得兩壓板壓緊,試驗(yàn)機(jī)的加載范圍為0～100 kN,加載精度高且操作簡單。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)采用公稱直徑為16 mm、強(qiáng)度等級為4.8的普通螺栓,以0.5δs(屈服極限)來計(jì)算最大預(yù)緊力,經(jīng)計(jì)算,該型號的螺栓最大預(yù)緊力約為43 kN。實(shí)驗(yàn)開始前先設(shè)定試驗(yàn)機(jī)的加載間隔為5 kN,加載的力依次為0 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN、25 kN、30 kN、35 kN、40 kN、43 kN,在每個(gè)載荷保載的過程中,采用靜態(tài)測量的方法利用WK6500B精密阻抗分析儀(測量頻率范圍為20 Hz～30 MHz),對壓電材料導(dǎo)納的實(shí)部和虛部進(jìn)行測量,并記錄每個(gè)載荷下壓電材料導(dǎo)納實(shí)部和虛部的值,實(shí)驗(yàn)選取150 kHz～180 kHz和200 kHz～250 kHz作為掃描頻段,最后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。

實(shí)驗(yàn)所用的壓電片尺寸為10 mm×6 mm×0.5 mm,壓電片及實(shí)驗(yàn)所用的四組試樣規(guī)格參數(shù)見表1和表2。每組試樣由兩塊相同尺寸的壓板組成,1#試樣和2#試樣為厚度不同的圓形壓板,在1#、2#試樣表面相同位置各粘貼一塊壓電片;3#試樣和4#試樣為粗糙度不同的長方形壓板,在試樣表面距離螺栓35 mm、70 mm、105 mm的位置各粘貼一塊壓電片如圖4所示,形成位置和粗糙度不同的對比試樣,加載方式和圓形壓板一樣。

表1 PZT的參數(shù)表

圖4 3#、4#試樣

表2 四組試樣規(guī)格

2.2 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

圖5是1#試樣上粘貼的PZT在150 kHz～180 kHz頻段下的導(dǎo)納實(shí)部和虛部曲線,圖6是1#試樣上粘貼的PZT在200 kHz～250 kHz頻段下導(dǎo)納實(shí)部和虛部曲線。從圖5和圖6中可以看到在不同預(yù)緊力的作用下壓電導(dǎo)納的實(shí)部變化明顯,最顯著的變化是隨著預(yù)緊力的增加導(dǎo)納實(shí)部的峰值在不斷的變小,曲線變得越來越平緩;從曲線的縱坐標(biāo)可以觀察到,同一試樣在相同頻率下的導(dǎo)納實(shí)部數(shù)值約為導(dǎo)納虛部數(shù)值的十倍,可知導(dǎo)納虛部變化區(qū)間較小,且導(dǎo)納實(shí)部對結(jié)構(gòu)特性變化更敏感,因此本實(shí)驗(yàn)主要對導(dǎo)納實(shí)部進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理[9]。同樣2#、3#、4#試樣在這兩個(gè)敏感的頻率段也可以得到相同的結(jié)論。

圖5 1#試樣PZT在150 kHz～180 kHz頻段下的導(dǎo)納

圖6 1#試樣PZT在200 kHz～250 kHz頻段下的導(dǎo)納

從上面1#試樣PZT的導(dǎo)納曲線圖可以得到,壓電導(dǎo)納實(shí)部的變化可以反應(yīng)出螺栓預(yù)緊力的變化,但是很難判斷螺栓的松動程度,為了表達(dá)出在不同預(yù)緊力作用下相應(yīng)的螺栓松動程度,利用壓電導(dǎo)納實(shí)部的均方根偏差(RMSD)來定義損傷指標(biāo)[10-11]。

(2)

式中,Re(Yi)為各預(yù)緊力作用下所測得的壓電導(dǎo)納實(shí)部;Re(Y0)為最大預(yù)緊力時(shí)的壓電導(dǎo)納實(shí)部,以Re(Y0)所對應(yīng)的值為理想的健康狀況,其損傷指標(biāo)為零,通過上式的計(jì)算就可以得到各預(yù)緊力作用下的損傷指標(biāo),對比分析損傷指標(biāo)隨預(yù)緊力變化的規(guī)律;i為掃描頻率點(diǎn);n為掃描點(diǎn)數(shù),本次實(shí)驗(yàn)采用400個(gè)掃描點(diǎn)。

根據(jù)定義的損傷指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,圖7為1#試樣在兩個(gè)掃描頻率段下,對螺栓進(jìn)行加載和卸載所得到的損傷指標(biāo),結(jié)果顯示加載和卸載兩種方式所得到的損傷指標(biāo)有類似的變化趨勢,本實(shí)驗(yàn)采用對螺栓加載的方式來模擬螺栓預(yù)緊力的變化。圖8為2#試樣在相同的環(huán)境和條件下,對損傷指標(biāo)共測量四次并計(jì)算平均值,結(jié)果顯示四次測量結(jié)果基本相同。

圖7 1#試樣PZT在不同頻率段下加載和卸載所得到的損傷指標(biāo)

圖8 2#試樣PZT在不同頻率斷下的損傷指標(biāo)

根據(jù)1#、2#試樣所測得的損傷指標(biāo)很容易判別螺栓的松動程度,隨著預(yù)緊力的增大螺栓的損傷指標(biāo)越來越小,也即螺栓在預(yù)緊力為零時(shí)損傷指標(biāo)最大,在預(yù)緊力最大時(shí)損傷指標(biāo)最小;當(dāng)螺栓從無載荷的自由狀態(tài)到受到10 kN左右的預(yù)緊力作用時(shí),損傷指標(biāo)快速下降,這是因?yàn)閴喊鍎偸艿筋A(yù)緊力的作用時(shí),內(nèi)部剛度和阻尼瞬間產(chǎn)生巨大變化,壓電片表現(xiàn)出對兩表面剛接觸時(shí)的高度敏感性;當(dāng)預(yù)緊力在10 kN～35 kN的范圍內(nèi)變化時(shí)損傷指標(biāo)下降緩慢,兩組試樣在所選的兩個(gè)頻率段下,所監(jiān)測到的損傷指標(biāo)都呈一定的線性變化,且兩組試樣在200 kHz～250 kHz頻率范圍內(nèi)損傷指標(biāo)的坡度比150 kHz～180 kHz頻率范圍內(nèi)的坡度大,因此200 kHz～250 kHz頻率段監(jiān)測效果更好;當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到35kN及以上時(shí),損傷指標(biāo)又快速下降直至為零,這表明PZT對螺栓剛開始的松動比較敏感,這也是螺栓健康監(jiān)測的一個(gè)最重要階段[12]。

圖9 3#、4#試樣在200 kHz～250 kHz頻段的損傷指標(biāo)

圖9所示接觸面粗糙度不同的3#、4#試樣在200 kHz～250 kHz頻段下各PZT所監(jiān)測的損傷指標(biāo)。從圖9可以觀察到,隨著載荷的均勻變化,粘貼在3#、4#試樣上的3個(gè)PZT損傷指標(biāo)都有變化,而在同一試樣上離螺栓最近的PZT1所監(jiān)測的損傷指標(biāo)變化最大,且損傷指標(biāo)線平緩下降;處于中間位置的PZT2損傷指標(biāo)變化幅度也比較大,但是在10 kN～35 kN的預(yù)緊力范圍內(nèi),損傷指標(biāo)有明顯的波動;而離螺栓最遠(yuǎn)的PZT3在整個(gè)預(yù)緊力的作用下,損傷指標(biāo)接近于一條水平直線,損傷指標(biāo)變化很小;由此可知PZT1的監(jiān)測效果比PZT2和PZT3的檢測效果好,這是因?yàn)殡x螺栓越近的區(qū)域,上下壓板之間的相互作用力和內(nèi)部剛度的變化越大,因此壓電片和螺栓之間的距離越大監(jiān)測效果越差[13]。從圖9還可以看出,3#試樣上的3塊壓電片所監(jiān)測到的損傷指標(biāo)之間的差值,比4#試樣上的3塊壓電片所監(jiān)測到的損傷指標(biāo)之間的差值小,而3#、4#試樣明顯的差異就是接觸面粗糙度不同,因此接觸面粗糙度對損傷指標(biāo)有一定的影響[14-15]。

3 結(jié)論

采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對螺栓進(jìn)行加載來模擬預(yù)緊力的變化,搭建實(shí)驗(yàn)平臺,進(jìn)行基于壓電阻抗技術(shù)的螺栓松動監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。通過對四組試樣上粘貼的壓電片電導(dǎo)納的反復(fù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn),隨著預(yù)緊力的不斷增大,所監(jiān)測到的損傷指標(biāo)越來越小;當(dāng)預(yù)緊力在接近于零和最大值時(shí),損傷指標(biāo)變化較大;而當(dāng)預(yù)緊力處于中間值附近時(shí),損傷指標(biāo)呈一定的線性變化;離螺栓最近的PZT1損傷指標(biāo)變化最大,監(jiān)測效果最好,而PZT2損傷指標(biāo)變化較大,監(jiān)測效果不好,PZT3的損傷指標(biāo)在整個(gè)預(yù)緊力范圍內(nèi)變化極小,不能識別預(yù)緊力的變化,因此合理選擇壓電片的粘貼位置可以得到較準(zhǔn)確的監(jiān)測結(jié)果;接觸面粗糙度對監(jiān)測結(jié)果也有一定的影響;根據(jù)壓電導(dǎo)納實(shí)部均方根偏差(RMSD)定義的損傷指標(biāo)可以較準(zhǔn)確地識別螺栓預(yù)緊力的變化,從而可以分析螺栓的松動程度。

[1] Liang C,Sun F P,Rogers C A. Coupled Elcetro-Mechanical Analysis of Adaptive Material Systems-Determination of the Actuator Power Consumption and System Energy Transfer[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures,1994,94(1):12-20.

[2]Bhalla S,Chee K S. Structural Health Monitoring by Piezo-Impedance Transducers. Ⅱ:Applications[J]. Journal of Aerospace engineering,2004,10(1061):166-176.

[3]Yee Y L,Bhalla S,Chee K S. Structural Identification and Damage Diagnosis Using Self-Sensing Piezo-Impedance Transducers[J]. Institute of Physics Publishing 2006,10(1088):987-995.

[4]Peairs D M,Park G,Daniel J. Improving Accessibility of the Impedance-Based Structural Health Monitoring Method[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2004,10(1177):129-140.

[5]盧翔,朱楚為,章建文,等. 壓電阻抗技術(shù)在焊縫裂紋監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2011,43(2):206-213.

[6]高峰,王德俊,江鐘偉,等. 壓電阻抗技術(shù)用于螺栓松緊健康診斷[J]. 中國機(jī)械工程,2001,12(9):1048-1051.

[7]王丹生,朱宏平,魯晶晶,等. 基于壓電導(dǎo)納的鋼框架螺栓松動檢測試驗(yàn)研究[J]. 振動與沖擊,2007,26(10):158-164.

[8]Kim N,Hong M. Measurement of Axial Stress Using Mode-Converted Ultrasound[J]. NDT&E International,2009,42(3):164-169.

[9]Tawie R,Lee H K. Monitoring the Strength Development in Concrete by EMI Sensing Technique[J]. Construction and Building Materials,2010,24:1746-1753.

[10]王煒,嚴(yán)蔚,李萬春,等. 基于高頻壓電阻抗譜的鋼框架損傷識別研究[J]. 寧波大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版),2013,26(2):79-85.

[11]Giurgiutiu V,Rogers C. A Recent Advancements in the Electro-Mechanical(E/M)Impedance Method for Structural Health Monitoring and NDE[C]//SPIE North American Conference on Smart Structures and Materials,California:SPIE,1998:536-547.

[12]葉亮,丁克勤,趙娜,等. 基于壓電阻抗法的機(jī)械螺栓組松動監(jiān)測及識別[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程,2013,13(18):5172-5177.

[13]Marshall M,Lewis R,Howard T,et al. Ultrasonic Measurement of Self-Loosening in Bolted Joints[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,2011,10(1177):1869-1886.

[14]王濤,羅毅,劉紹鵬,等. 基于壓電主動傳感方式的螺栓松動檢測實(shí)驗(yàn)研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2013,26(8):1060-1064.

[15]鄒曉紅. 基于超聲波技術(shù)的紙粗糙度測量的研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2005,18(4):850-853.

王濤(1977-),男,工學(xué)博士,副教授。主要研究方向?yàn)橹悄懿牧吓c結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、故障診斷,wangtaw@163.com;

楊志武(1989-),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)橐苯鹪O(shè)備故障診斷及信號分析,574378674@qq.com。

ResearchonBoltLoosenDetectionBasedonPiezoelectricImpedanceTechnology*

WANGTao*,YANGZhiwu,SHAOJunhua,LIYourong

(Key Laboratory of Metallurgical Equipment and Control of Ministry of Education,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

For the problem of bolt looseness in the engineering structure,the piezoelectric impedance based method is investigated and applied to detect the bolt looseness status,and the universal testing machine is used to simulate the changes of bolt pre-tightening force on the bolted structure for the experiments. Under different pre-tightening force,the impedance analyzer is utilized to measure the impedance of the PZT(Lead Zirconate Titanate)piezoelectric patches which pasted on the main structure. Exploiting the root mean square deviation(RMSD)value of admittance of the real part,the degree of bolt looseness is identified. The results show that,the damage indicators tended to decrease while the bolt pre-tightening force increase and the change of bolt pre-tightening force could be identified by the RMSD;both the position of PZT and the roughness of contact surface have certain influences on the results of damage indicator.

health monitoring;bolt looseness;piezoelectric impedance;damage indicator

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375354,51278084);湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2011CDA121)

2014-06-23修改日期:2014-08-26

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.10.004

TB381;TH701

:A

:1004-1699(2014)10-1321-05