基于柔性壓電材料傳感器的法蘭螺栓松動(dòng)檢測(cè)

沈意平，翁 晶，劉 翊，蔣 帥,4，陽(yáng)雪兵

(1.湖南科技大學(xué) 機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201；2.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，株洲 412001；3. 哈電風(fēng)能有限公司，湘潭 411104；4. 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，株洲 412001)

法蘭螺栓連接是風(fēng)電機(jī)組分段塔筒的連接方式，在隨機(jī)風(fēng)載作用下塔筒振動(dòng)容易導(dǎo)致螺栓松動(dòng)，進(jìn)而影響整機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性，甚至引發(fā)風(fēng)電機(jī)組倒塌事故[1-2]。目前螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法主要有振動(dòng)法、機(jī)電阻抗法和超聲波法[3]。傳統(tǒng)的振動(dòng)法中，風(fēng)電塔筒固有頻率等振動(dòng)特性對(duì)法蘭螺栓松動(dòng)并不敏感，檢測(cè)靈敏度較差。阻抗法需要采用體積大且昂貴的機(jī)電阻抗測(cè)量?jī)x器，不適用于野外服役環(huán)境。超聲波法利用螺栓松動(dòng)界面對(duì)結(jié)構(gòu)中超聲波傳播特性的影響進(jìn)行松動(dòng)檢測(cè)，具有靈敏度高、檢測(cè)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用于螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)檢測(cè)[4-5]。

WANG[6]將PZT(鋯鈦酸鉛)壓電片布置在螺栓連接板結(jié)構(gòu)的表面，提出利用超聲導(dǎo)波幅值作為擰緊指標(biāo)對(duì)單個(gè)螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。ZAGRAI等提出通過(guò)測(cè)量穿過(guò)螺栓連接處的導(dǎo)波相位延遲來(lái)估計(jì)螺栓扭矩，研究表明螺栓扭矩與導(dǎo)波信號(hào)的相移成正比。杜飛等[7]將PZT壓電片粘貼在法蘭連接的兩段筒壁表面，采用透射信號(hào)的均方根偏差作為螺栓松動(dòng)指標(biāo)，研究了螺栓松動(dòng)時(shí)均方根偏差的變化規(guī)律。以上研究均為法蘭螺栓松動(dòng)識(shí)別提供了理論依據(jù)。現(xiàn)有研究通常采用PZT壓電片作為傳感器，往往僅聚焦單個(gè)螺栓松動(dòng)程度的檢測(cè)，而低頻重載的風(fēng)電塔筒法蘭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，極限應(yīng)力/應(yīng)變大，螺栓分布數(shù)目多，給螺栓松動(dòng)檢測(cè)所需的傳感器與檢測(cè)方法帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

PZT壓電片質(zhì)地硬脆、易碎、極限應(yīng)變非常小，不能滿(mǎn)足風(fēng)電塔筒野外惡劣服役環(huán)境及法蘭結(jié)構(gòu)螺栓松動(dòng)檢測(cè)的要求。0-3型壓電復(fù)合材料將不連續(xù)的PZT顆粒分散于三維連通的聚合物中，具有制備簡(jiǎn)單、柔性好、應(yīng)變大、壓電性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。ZHANG[8]較早地將PZT/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料用于振動(dòng)和聲傳感器中接收薄板振動(dòng)和聲發(fā)射信號(hào)。楊照光等[9]基于0-3型PZT/PVDF(偏聚氟乙烯)壓電復(fù)合薄膜研制聲發(fā)射傳感器并進(jìn)行了斷鉛試驗(yàn)。KANG等[10]將制備的PNN-PZT/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料(PNN為鈮鎳酸鉛)應(yīng)用于風(fēng)電葉片，以進(jìn)行鳥(niǎo)撞聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)。項(xiàng)目組前期研究了PZT/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料性能的影響因素，并探討其對(duì)于曲面板和鋼軌等結(jié)構(gòu)超聲導(dǎo)波傳感的適用性和有效性。研究表明其具有良好的線(xiàn)性靈敏度和環(huán)境適應(yīng)性[11-12]。

現(xiàn)有PZT/聚合物復(fù)合材料研究較多地關(guān)注兩相材料類(lèi)型及其質(zhì)量比、極化參數(shù)等因素對(duì)壓電復(fù)合材料性能的影響。特別地，PZT粒徑大小也是影響壓電復(fù)合材料傳感性能的重要因素。如龔紅宇等[13]探索了不同粒徑范圍PZT對(duì)PZT/水泥復(fù)合材料壓電和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，隨著PZT粒徑增大，復(fù)合材料壓電常數(shù)與介電常數(shù)均增大，但其穩(wěn)定性變差，彎曲強(qiáng)度降低。ABOUBAKR[14]根據(jù)極化效率來(lái)確定PZT/PU復(fù)合材料的PZT粒徑大小，也發(fā)現(xiàn)采用大尺寸PZT粒徑有利于提高復(fù)合材料壓電和介電性能。

文章將進(jìn)一步研究PZT粒徑對(duì)PZT/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料壓電和介電性能的影響，制備傳感性能良好的柔性壓電復(fù)合材料；將該復(fù)合材料粘貼于法蘭結(jié)構(gòu)表面，作為超聲波接收傳感器，通過(guò)改變單個(gè)或多個(gè)螺栓的預(yù)緊力矩，研究法蘭結(jié)構(gòu)中螺栓松動(dòng)程度和松動(dòng)數(shù)目對(duì)超聲波透射信號(hào)的影響，從而為法蘭螺栓松動(dòng)定量檢測(cè)提供理論依據(jù)。

1 PZT/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料制備

采用固相法制備PZT/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，原材料PZT粉體由煙臺(tái)興陶電子科技有限公司提供，環(huán)氧樹(shù)脂由奧斯邦有限公司提供。將PZT粉體與無(wú)水乙醇混合后放入電阻爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1 150 ℃，燒結(jié)時(shí)間為2 h。燒結(jié)后的PZT塊體采用球磨機(jī)研磨成粉，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，以得到不同粒徑區(qū)間的PZT粉體。采用的標(biāo)準(zhǔn)篩目數(shù)為150～170目，130～150目，110～130目，90～110目，70～90目。篩分得到PZT粒徑區(qū)間為90～106 μm，106～113 μm，113～123 μm，123～160 μm，160～212 μm，不同粒徑區(qū)間的PZT粉體如圖1所示，分別以編號(hào)I、II、III、IV、V表示。

圖1 不同粒徑區(qū)間的PZT粉體

將PZT粉體與環(huán)氧樹(shù)脂按7…1的質(zhì)量比混合，攪拌均勻后涂抹于成型模具中，常溫固化后所制成的復(fù)合材料如圖2所示，其直徑為25 mm，厚度為1 mm。

PZT/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料采用油浴極化，極化電壓為3 kV/mm，極化時(shí)間為20 min，極化溫度為100 ℃[12]。壓電電壓常數(shù)g33能夠表征壓電復(fù)合材料的傳感性能，直接關(guān)系到傳感透射電壓的靈敏度，其表達(dá)式為

g33=d33/εrε0

(1)

式中：d33和εr分別為壓電復(fù)合材料的壓電應(yīng)變常數(shù)和介電常數(shù)；εo為真空介電常數(shù)。

圖2 PZT/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料

采用ZJ-6A型準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)試壓電應(yīng)變常數(shù)d33，采用TH-2838型精密阻抗儀測(cè)試復(fù)合材料的介電常數(shù)εr與介電損耗tanδ。PZT粒徑與PZT/環(huán)氧樹(shù)脂壓電復(fù)合材料壓電應(yīng)變常數(shù)和介電性能的關(guān)系如圖3和圖4所示，根據(jù)式(1)計(jì)算得到的壓電電壓常數(shù)如圖5所示。從圖3～5可以得出以下結(jié)論。

圖3 PZT粒徑與復(fù)合材料d33的關(guān)系

圖4 PZT粒徑與復(fù)合材料εr和tan δ的關(guān)系

圖5 PZT粒徑與復(fù)合材料g33的關(guān)系

(1) 隨著PZT粒徑增大，PZT/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的壓電應(yīng)變常數(shù)d33增大，采用V號(hào)PZT粒徑制備的復(fù)合材料d33達(dá)到80 pC·N-1。這是由于PZT粒徑增大，部分PZT顆粒接觸概率增大，形成局部電場(chǎng)導(dǎo)通，能夠提升PZT相的極化效果。壓電復(fù)合材料極化后壓電應(yīng)變常數(shù)d33略有增大，1 d后保持較好的穩(wěn)定性。

(2) 隨著PZT粒徑增大，壓電復(fù)合材料的介電常數(shù)εr增大，介電損耗tanδ增加，采用V號(hào)PZT粒徑制備的復(fù)合材料介電常數(shù)εr達(dá)到65。這是由于PZT粒徑增大，PZT顆粒表面積與體積之比減小，其表面介電常數(shù)低于顆粒內(nèi)部的介電常數(shù)，復(fù)合材料的介電常數(shù)增大。隨著PZT粒徑增大，復(fù)合材料氣孔增多，介電損耗增加。

(3) 隨著PZT粒徑增大，壓電電壓常數(shù)g33增大。這是由于PZT粒徑增大，壓電復(fù)合材料的壓電應(yīng)變常數(shù)d33與介電常數(shù)εr都增大，且d33的增長(zhǎng)率大于εr增長(zhǎng)率，兩者共同作用使得g33增大。

根據(jù)PZT粒徑與PZT/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料壓電電壓常數(shù)g33的關(guān)系，選擇Ⅴ號(hào)PZT粒徑來(lái)制備壓電復(fù)合材料。所制成的柔性壓電材料g33達(dá)到117 mV·N-1，能夠更為靈敏地接收到法蘭結(jié)構(gòu)中的超聲波信號(hào)。

2 基于超聲波技術(shù)的法蘭螺栓松動(dòng)檢測(cè)原理

風(fēng)電塔筒采用均布多個(gè)螺栓的法蘭連接結(jié)構(gòu)，超聲波在法蘭結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，在上下法蘭連接界面處產(chǎn)生透射和反射波。隨著螺栓連接松動(dòng)程度的變化，界面接觸狀態(tài)將發(fā)生變化，導(dǎo)致超聲波在界面處的透射和反射特性發(fā)生改變。超聲波法的檢測(cè)原理為：利用螺栓松動(dòng)造成的法蘭界面超聲波透射信號(hào)變化來(lái)表征螺栓松動(dòng)程度。

取單個(gè)螺栓連接法蘭結(jié)構(gòu)為例(見(jiàn)圖6)，上下法蘭界面間接觸壓力p與螺栓預(yù)緊力矩T的關(guān)系為

(2)

式中：λ為預(yù)緊力矩系數(shù)，一般取為0.2；d為螺栓公稱(chēng)直徑。

圖6 法蘭結(jié)構(gòu)示意(單個(gè)螺栓)

隨著螺栓產(chǎn)生松動(dòng)，法蘭界面接觸壓力將發(fā)生改變，界面剛度也隨之發(fā)生變化。BIWA等[15]通過(guò)大量試驗(yàn)建立了界面剛度K與壓力的關(guān)系，其表達(dá)式為

K=Cpm

(3)

式中：C和m為常數(shù)，由試驗(yàn)測(cè)試所得。

焦敬品等[16]推導(dǎo)了縱波垂直入射界面時(shí)透射系數(shù)S與界面剛度K的關(guān)系式，得到

(4)

式中：ρ為材料密度；c為縱波波速；ω為頻率。

類(lèi)似地，法蘭結(jié)構(gòu)中超聲波在界面處的透射系數(shù)Sf也將正比于界面剛度K，其表達(dá)式可寫(xiě)為

(5)

式中：B為常數(shù)，與激勵(lì)點(diǎn)和傳感點(diǎn)間超聲波傳感路徑上的界面剛度相關(guān)；cs為超聲波波速；ωs為頻率。

法蘭結(jié)構(gòu)中有多個(gè)螺栓連接，界面接觸壓力為n個(gè)螺栓施加預(yù)緊力矩產(chǎn)生界面壓力的總和。由式(2)～(5)知，隨著螺栓松動(dòng)程度和松動(dòng)個(gè)數(shù)的變化，法蘭界面接觸壓力和接觸剛度將發(fā)生變化，使得超聲波穿過(guò)法蘭螺栓界面的透射系數(shù)發(fā)生改變。提取超聲波透射信號(hào)首達(dá)波幅值來(lái)表征螺栓松動(dòng)情況，通過(guò)試驗(yàn)研究螺栓不同松動(dòng)程度和松動(dòng)個(gè)數(shù)下聲波透射特性的變化情況。定義法蘭螺栓松動(dòng)系數(shù)為

(6)

式中：At為螺栓設(shè)定的最大預(yù)緊力矩下任意傳感路徑的超聲波透射信號(hào)首達(dá)波幅值；A0為螺栓不同松動(dòng)程度和松動(dòng)個(gè)數(shù)下該傳感路徑的首達(dá)波幅值。

3 螺栓松動(dòng)檢測(cè)

采用的法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)，其上下法蘭為10個(gè)M12(螺紋外徑為12 mm)螺栓連接成一體，外徑為134.25 mm，內(nèi)徑為84.25 mm，上法蘭結(jié)構(gòu)厚度為10 mm，下法蘭結(jié)構(gòu)厚度為14 mm。在PZT/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料上下表面涂刷導(dǎo)電銀膠制作電極，并引出導(dǎo)線(xiàn)，作為超聲波傳感器。激勵(lì)壓電片來(lái)自Piezo公司，直徑為12.7 mm，厚度為0.1 mm。激勵(lì)信號(hào)采用漢寧窗調(diào)制的五周期正弦窄帶信號(hào)，激勵(lì)中心頻率為70 kHz，經(jīng)功率放大器ATA-66210驅(qū)動(dòng)壓電片。柔性壓電傳感器接收超聲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)PXPA3前置放大器，利用NI USB-6366數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行超聲波采集，試驗(yàn)設(shè)備如圖7所示。試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定的螺栓最大預(yù)緊力矩為30 N·m，預(yù)緊力矩變化范圍為5～30 N·m(以5 N·m遞增)。

圖7 法蘭螺栓松動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備

柔性壓電傳感器S1布置在上法蘭結(jié)構(gòu)螺栓6和螺栓7之間，6個(gè)激勵(lì)壓電片P1～P6均勻布置在下法蘭結(jié)構(gòu)螺栓1～螺栓7之間(見(jiàn)圖8)。

圖8 法蘭螺栓松動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)激勵(lì)器布置示意

依次激勵(lì)P1～P6壓電片，柔性壓電傳感器S1接收超聲波信號(hào)，接收的超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)低頻濾波后，得到P1- S1、P2- S1、P3- S1、P4- S1、P5- S1和P6- S1等6條傳感路徑的信號(hào)。采集的超聲波信號(hào)存在電信號(hào)，P1- S1、P2- S1、P3- S1傳感路徑的首達(dá)波具有較好的時(shí)域分辨率，通過(guò)匹配追蹤法得到其到達(dá)時(shí)間[17]，計(jì)算得到波速為3 321 m/s。P4- S1、P5- S1和P6- S1傳感路徑的首達(dá)波與電信號(hào)存在混疊(見(jiàn)圖9)。為了避開(kāi)電信號(hào)干擾，以P3為激勵(lì)點(diǎn)，開(kāi)展P3- S1傳感路徑上螺栓4、螺栓5和螺栓6松動(dòng)狀態(tài)對(duì)法蘭結(jié)構(gòu)中超聲波透射特性的影響研究。

圖9 P1、P2、P3、P4到S1的透射圖

首先開(kāi)展單個(gè)螺栓松動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)，采用力矩扳手控制螺栓6的預(yù)緊力矩，依次增加5 N·m，最大預(yù)緊力矩為30 N·m。測(cè)試得到其在不同松動(dòng)狀態(tài)下P3-S1傳感路徑的透射信號(hào)首達(dá)波(見(jiàn)圖10)，由圖10可見(jiàn)，隨著螺栓松動(dòng)程度加大，首達(dá)波幅值逐漸減小。根據(jù)第2節(jié)理論分析可知，這主要是界面接觸剛度下降，超聲波透射系數(shù)變小引起的。根據(jù)式(6)，將螺栓6最大預(yù)緊力矩(30 N·m)的透射信號(hào)首達(dá)波幅值進(jìn)行歸一化，得到螺栓松動(dòng)系數(shù)變化曲線(xiàn)(見(jiàn)圖11)。由圖11可知，隨著螺栓松動(dòng)程度增加，界面接觸剛度下降，螺栓松動(dòng)系數(shù)變小。

圖10 螺栓6在不同預(yù)緊力矩下的透射信號(hào)首達(dá)波

圖11 螺栓松動(dòng)系數(shù)的變化曲線(xiàn)

為了研究螺栓松動(dòng)個(gè)數(shù)對(duì)超聲波透射信號(hào)的影響，分別改變螺栓4、螺栓5和螺栓6的松動(dòng)狀態(tài)。松動(dòng)數(shù)目工況設(shè)計(jì)如表1所示(表中“*”表示該螺栓松動(dòng)，預(yù)緊力變化范圍為5～30 N·m)。試驗(yàn)測(cè)試得到不同螺栓松動(dòng)狀態(tài)下的透射信號(hào)，圖12為工況3的透射信號(hào)，圖13為工況5的透射信號(hào)，可以看出首達(dá)波幅值隨著螺栓松動(dòng)程度加劇而減小。計(jì)算得到不同工況下螺栓松動(dòng)系數(shù)的變化曲線(xiàn)(見(jiàn)圖14)。

表1 松動(dòng)數(shù)目工況設(shè)計(jì)

圖12 工況3的透射信號(hào)

圖13 工況5的透射信號(hào)

圖14 不同工況下螺栓松動(dòng)系數(shù)的變化曲線(xiàn)

從圖14可知，螺栓在相同預(yù)緊力矩情況下，超聲波透射信號(hào)首波幅值隨著螺栓松動(dòng)個(gè)數(shù)增加而變小；螺栓松動(dòng)個(gè)數(shù)相同時(shí)，螺栓松動(dòng)位置對(duì)透射信號(hào)也有一定的影響，能夠?yàn)槁菟ㄋ蓜?dòng)定位提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

(1) 隨著PZT粒徑增大，壓電應(yīng)變常數(shù)、壓電電壓常數(shù)、介電常數(shù)增大。采用粒徑為160～212 μm PZT制備PZT/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，其壓電電壓常數(shù)達(dá)到117 mV·N-1。

(2) 基于超聲波透射信號(hào)對(duì)法蘭螺栓松動(dòng)界面的敏感性，采用柔性壓電復(fù)合材料傳感器接收單個(gè)螺栓不同松動(dòng)程度及多個(gè)數(shù)目螺栓松動(dòng)的超聲波透射信號(hào)。結(jié)果表明，隨著單個(gè)法蘭螺栓松動(dòng)程度加劇，超聲波透射信號(hào)首達(dá)波幅值減小。法蘭螺栓在相同預(yù)緊力矩情況下，超聲波透射信號(hào)首達(dá)波幅值隨著螺栓松動(dòng)個(gè)數(shù)增加而減小，為法蘭螺栓松動(dòng)定量檢測(cè)提供了理論依據(jù)。