基于壓電阻抗法的螺栓連接狀態(tài)松動監(jiān)測試驗

(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。