植入式應(yīng)變智能螺栓設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝

吳重仲 閆文吉 丁彥超 張 鵬 陳 銘 李 巖 林 斌 馮景飛 崔曉曉

（1.中廣核新能源投資（深圳）有限公司福建分公司，福建 福州 350001；2.深圳國能宸泰科技有限公司，廣東 深圳 518124）

0 引言

對于螺栓連接的構(gòu)件而言，螺栓連接預(yù)緊力的大小是十分重要的。預(yù)緊力是指在安裝固定螺栓過程中螺母（或螺栓頭）在擰緊時施加扭矩對螺栓產(chǎn)生的軸向拉力，該預(yù)緊力是被連接構(gòu)件承受壓力的一個反作用力。在實(shí)際應(yīng)用螺栓連接的構(gòu)件，由于安裝過程中可能出現(xiàn)操作不規(guī)范，或隨著時間的推移，由于構(gòu)件震動、環(huán)境腐蝕等其他因素會造成螺栓預(yù)緊力逐漸減小，進(jìn)而會產(chǎn)生一系列問題。螺栓預(yù)緊力不足可能導(dǎo)致構(gòu)件在外力的作用下產(chǎn)生縫隙、螺栓松動、構(gòu)件連接失效等問題[1]。

本論文設(shè)計(jì)了一種植入式應(yīng)變智能螺栓監(jiān)測系統(tǒng)并對該系統(tǒng)的一個生產(chǎn)工藝進(jìn)行了闡述，該智能螺栓可以對風(fēng)機(jī)螺栓連接構(gòu)件的螺栓預(yù)緊力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，使預(yù)緊力始終保持在安全范圍內(nèi)，從而確保螺栓連接件狀態(tài)安全穩(wěn)定，以確保構(gòu)件生產(chǎn)運(yùn)行安全。

1 植入式應(yīng)變智能螺栓預(yù)緊力采集系統(tǒng)

1.1 植入式應(yīng)變智能螺栓結(jié)構(gòu)

植入式應(yīng)變智能螺栓預(yù)緊力監(jiān)測技術(shù)是將電阻應(yīng)變片植入螺栓頭部開孔處，通過惠斯通電橋在一定范圍內(nèi)通過采集應(yīng)變電阻變化，帶動惠斯通電橋輸出電壓變化來推算出應(yīng)變片電阻值變化，進(jìn)而推算出預(yù)緊力值[2]。該方法是一種直接將螺栓本身作為傳感器原件的方法，能夠直接將螺栓本身的力的變化進(jìn)行測量采集，結(jié)構(gòu)簡單且測量精度高[3]。植入式應(yīng)變片采集技術(shù)，首先需要對被測量螺栓進(jìn)行打孔，通過特殊固化粘黏劑將應(yīng)變片埋入螺栓內(nèi)部，使螺栓與應(yīng)變片組成一個整體。埋入的應(yīng)變片通過導(dǎo)線接入電橋，測得應(yīng)變片電阻值變化，推算出螺栓預(yù)緊力變化曲線。植入式應(yīng)變智能螺栓結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 植入式智能螺栓結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 采集系統(tǒng)

植入式應(yīng)變智能螺栓的預(yù)緊力采集測量技術(shù)與普通應(yīng)變片測力原理是相同的，在使用應(yīng)變片測量力時，應(yīng)變片通過粘黏劑被粘黏在彈性體上，在彈性體受力的作用發(fā)生形變時，會帶動應(yīng)變片發(fā)生形變，引起其阻值發(fā)生變化，相應(yīng)的連接的惠斯通電橋輸出電壓也會發(fā)生變化。通過對惠斯通電橋輸入電壓，輸出電壓的值的變化，推算出阻值變化，得出預(yù)緊力變化值?；菟雇姌蛟韴D如圖2所示。

圖2 惠斯通電橋原理圖（R：電路電阻；Rg1：應(yīng)變測量電阻；Rg2：溫度補(bǔ)償應(yīng)變電阻；E：輸入電壓；e0：輸出電壓）

采集系統(tǒng)主要六部分組成：高精度變送器、模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量采集器、AD轉(zhuǎn)換模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、無線數(shù)據(jù)采集器、PC端信號采集處理存儲和顯示平臺。其采集系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 植入式應(yīng)變智能螺栓采集系統(tǒng)

該采集系統(tǒng)采用獨(dú)立高精度應(yīng)變變送器，對螺栓預(yù)緊力進(jìn)行采集，通過AD轉(zhuǎn)換模塊將采集的模擬量數(shù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過無線數(shù)據(jù)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給無線數(shù)據(jù)采集器，無線數(shù)據(jù)采集器將采集的數(shù)據(jù)通過TCP經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換裝置發(fā)送給采集終端，最終通過計(jì)算機(jī)的監(jiān)測系統(tǒng)平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?？芍庇^觀測的預(yù)緊力數(shù)值及變化趨勢，同時也對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲及報(bào)警預(yù)警處理。

高精度變送器、模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量采集器、AD轉(zhuǎn)換模塊與無線數(shù)據(jù)傳輸模塊集成于被監(jiān)測螺栓。高精度變送器通過采集應(yīng)變片電橋橋邊電路的輸出電壓，并將之轉(zhuǎn)換成一個0～10V的模擬量數(shù)據(jù)，其精度可達(dá)到0.1%，且在電橋部分增加了溫度補(bǔ)償應(yīng)變片，溫度偏移為±100PPM，電源變化影響小于±0.1%。該監(jiān)測系統(tǒng)探頭（螺栓部分）采用的為無線自組網(wǎng)方式，通訊技術(shù)采用的是ZigBee技術(shù)，該技術(shù)為一種新興的短距離、低速率、低功耗的無線通訊技術(shù)，應(yīng)用場景非常廣泛。

2 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

螺栓連接構(gòu)件多用于工業(yè)現(xiàn)場，對于傳感器的安裝及應(yīng)用，相對于有線傳感而言，無線組網(wǎng)應(yīng)用于智能螺栓的數(shù)據(jù)傳輸中，在保證傳感器的可靠運(yùn)行的情況下，既能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，也縮減了傳感器規(guī)模及成本。本文首先分析多種無線自組網(wǎng)方法，根據(jù)多信號、多協(xié)議輸入輸出信號的可靠性、性價(jià)比的原則下篩選出了一種適用于植入式應(yīng)變智能螺栓的無線自組網(wǎng)方案[4]。

2.1 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通訊方式選型

植入式應(yīng)變智能螺栓應(yīng)用的無線數(shù)據(jù)傳輸離不開無線自組網(wǎng)技術(shù)的支持，無線自組網(wǎng)（ad hoc Network）為一種無基礎(chǔ)設(shè)施的移動網(wǎng)絡(luò)，在不利用先有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施支撐下，它的每個終端可自由的移動通訊。無線自組網(wǎng)具有自組織性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣怦顒討B(tài)變化性、無線傳輸貸款有限性、移動終端的局限性、分布式控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，能夠自主迅速建立通訊網(wǎng)絡(luò)，不受移動方式和移動速度的限制，但是其帶寬相對有限，處理器內(nèi)存偏小，無法滿足對數(shù)據(jù)的實(shí)時處理。

當(dāng)前短距無線通訊標(biāo)準(zhǔn)有Wi-Fi、超寬帶通信（UWB）、藍(lán)牙、紅外線數(shù)據(jù)通信IrDA和ZigBee技術(shù)。其中Wi-Fi主要應(yīng)用于100m以內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，具有傳輸速度快的特點(diǎn)，同時帶來的也有高功耗的缺點(diǎn)，大大限制了其便攜性；超寬帶通信（UWB）是一種低功耗、低復(fù)雜度的無線載波通信技術(shù)，具有低功耗、高速率以及帶寬高的特點(diǎn)，然而其載波使用還是基于納米級的非正弦窄脈沖，使得其頻譜范圍特別寬，易對其他無線信號造成干擾；藍(lán)牙為一種短距離的無線通信，一般通信距離為10m以下，且能配置的小型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)只有7個，不適用于大型網(wǎng)絡(luò)；紅外線數(shù)據(jù)通信IrDA具有成本低、功耗低、體積小及易連接的特定多應(yīng)用于小型移動設(shè)備，但其易受到視距等問題，少用于工業(yè)環(huán)境中[5]；ZigBee技術(shù)為一種短距離、低功耗通信，多應(yīng)用于1KM以下的無線通信場景，具有自組織、成本低、功耗低、速率低、復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)，且可嵌入各種設(shè)備中，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的遠(yuǎn)程控制。對于智能螺栓的無線通信，預(yù)緊力的無線數(shù)據(jù)傳輸而言，ZigBee是最適用的。幾種短距無線通信技術(shù)比較如表1所示。

表1 短距無線通信技術(shù)比較

2.2 ZigBee技術(shù)于植入式應(yīng)變智能螺栓的應(yīng)用

根據(jù)對智能螺栓的數(shù)據(jù)傳輸需求分析，利用ZigBee技術(shù)可以將采集的預(yù)緊力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集控制器并將數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換后利用交換機(jī)發(fā)送至控制中心。對于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)主要在于數(shù)據(jù)采集控制與數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換兩個部分。其數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2.2.1 數(shù)據(jù)采集控制裝置設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集控制裝置設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)的思想，系統(tǒng)由多個控制模塊組成。模塊化設(shè)計(jì)思想好處為可減少主控制系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，各個通道的通信處理有搭載模塊負(fù)責(zé)，主控制器則主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理。對于數(shù)據(jù)采集控制裝置的通信接口主要為模擬量、數(shù)據(jù)量采集控制接口。主控制器采用了32位RICS處理器，主要處理整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及通訊協(xié)議處理工作。數(shù)據(jù)采集控制裝置結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集控制裝置結(jié)構(gòu)圖

該數(shù)據(jù)采集控制裝置具備以下功能：

（1）設(shè)計(jì)了8路數(shù)字量的輸入、輸出模塊，用于控制智能螺栓預(yù)緊力采集傳感器的啟停；

（2）設(shè)計(jì)了8路AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于智能螺栓的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集，及電源模塊輸出電壓、電流值；

（3）設(shè)計(jì)了2路DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于控制電源模塊的輸出電壓電流數(shù)值。電流輸出范圍為4～20mA或0～20mA，電壓輸出范圍為0～5V或0～10V；

（4）設(shè)計(jì)了ZigBee通信模塊，以用于短距的無線數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送采集的智能螺栓數(shù)據(jù)，及其他數(shù)據(jù)通信；

（5）設(shè)計(jì)了一塊串行存儲器，便于掉電重啟后能順利進(jìn)入工作狀態(tài)，且可保存網(wǎng)關(guān)等設(shè)備信息。

2.2.2 數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接受轉(zhuǎn)換裝置同樣采用了模塊化設(shè)計(jì)，主要是起到短距遠(yuǎn)程接收、數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)發(fā)送的作用。它由一個主控制器與多個通信模塊組成，其中主控制器為一個高性能32位RISC處理器，負(fù)責(zé)所有的數(shù)據(jù)處理與收發(fā)功能。該數(shù)據(jù)收發(fā)裝置搭載模塊接口有CAN網(wǎng)絡(luò)、RS485網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、GPRS模塊與ZigBee模塊。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)圖

該數(shù)據(jù)接受轉(zhuǎn)換裝置具備以下功能：

（1）具有串行通訊接口，對于擁有串行接口的設(shè)備采用了Modbus的協(xié)議通訊，設(shè)計(jì)了一路RS-232通信接口，以及一路RS-485通信接口，可以用來進(jìn)行設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，并且該485接口采用了光耦隔離以減少外界干擾；

（2）設(shè)計(jì)了一路CAN接口段電路以支持更多總線協(xié)議，并采用了光耦隔離減少外界干擾；

（3）設(shè)計(jì)了GPRS無線通信模塊，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線通信；

（4）設(shè)計(jì)了一塊串行存儲器，便于掉電重啟后能順利進(jìn)入工作狀態(tài)，且可保存網(wǎng)關(guān)等設(shè)備信息；

（5）設(shè)計(jì)了ZigBee通信模塊，以用于短距的無線數(shù)據(jù)傳輸，接收由傳感器發(fā)出的數(shù)據(jù)。

2.3 無線通信軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集控制裝置與數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)換裝置的軟件體系大致是相同的，其主要體系由應(yīng)用程序?qū)?、操作系統(tǒng)層、驅(qū)動程序?qū)咏M成。應(yīng)用程序?qū)觿t是有各個任務(wù)組成，其每一個任務(wù)都有其對應(yīng)的軟件功能；驅(qū)動程序主要是通過啟動、讀寫、配置等完成對系統(tǒng)應(yīng)有的硬件系統(tǒng)的驅(qū)動；操作系統(tǒng)層則是在硬件驅(qū)動的基礎(chǔ)上對應(yīng)用程序?qū)拥囊粋€溝通，進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度。軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 無線通信軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

其中應(yīng)用程序?qū)覩PRS通信任務(wù)、以太網(wǎng)通信任務(wù)、ZigBee通信任務(wù)、ModBus協(xié)議處理任務(wù)、模擬量數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換等，硬件驅(qū)動層主要包括DAC驅(qū)動、ADC驅(qū)動、串口驅(qū)動、以太網(wǎng)驅(qū)動及其他驅(qū)動，操作系統(tǒng)層主要完成的是任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信、系統(tǒng)監(jiān)視等操作。

3 植入式應(yīng)變智能螺栓生產(chǎn)工藝

3.1 智能螺栓應(yīng)變片植入

選取連接構(gòu)件用螺栓同等型號的螺栓，在螺栓頂部如圖1所示位置進(jìn)行開孔，在開孔后對該孔洞進(jìn)行清潔處理，保證該孔洞內(nèi)光滑無碎屑、無污染。選取高精度應(yīng)變片進(jìn)行導(dǎo)線連接并對連接處進(jìn)行密封處理，保證連接處無裸漏，應(yīng)變片表面整潔無污染。在室溫下講粘黏劑與固化劑均勻混合，然后往孔內(nèi)用專用注射器注入混合好的粘黏劑與固化劑混合物，保證注射后無氣泡。最后將應(yīng)變片垂直植入孔內(nèi)保持其與螺栓整體豎直平行。在應(yīng)變片植入完畢后，需對應(yīng)變片植入效果進(jìn)行測試，將植入的應(yīng)變片連接外部測試電路，對螺栓施加某一固定數(shù)值，觀測外界電路應(yīng)變力的數(shù)值變化是否正常，若該數(shù)值正常，則該智能螺栓的應(yīng)變片植入合格。

3.2 數(shù)據(jù)采集控制裝置與數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)換裝置制作生產(chǎn)

依照本文中“2 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)”設(shè)計(jì)，進(jìn)行對數(shù)據(jù)采集控制裝置以及數(shù)據(jù)收轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行電路版設(shè)計(jì)，分別對高性能32位RISC處理器、光耦隔離、存儲器、ZigBee通信等模塊進(jìn)行選型。在選型完畢后，針對數(shù)據(jù)采集控制裝置以及數(shù)據(jù)收轉(zhuǎn)換裝置分別進(jìn)行PCB版電路圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，出具Bom清單，并進(jìn)行打樣生產(chǎn)。在PCB生產(chǎn)完畢后，對各個模塊進(jìn)行上電測試，測試內(nèi)容包括載荷、數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)葍?nèi)容。

3.3 植入式應(yīng)變智能螺栓監(jiān)測系統(tǒng)

該監(jiān)測具備數(shù)據(jù)趨勢監(jiān)測、數(shù)據(jù)換算處理、數(shù)據(jù)存儲及報(bào)警功能，能夠及時觀測到被監(jiān)測螺栓的預(yù)緊力變化。在該平臺對植入式應(yīng)變智能螺栓監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，其具備功能有：預(yù)緊力實(shí)時數(shù)據(jù)觀測、預(yù)緊力變化趨勢觀測、預(yù)緊力實(shí)時數(shù)據(jù)記錄、預(yù)緊力大小報(bào)警及復(fù)位等功能。其主監(jiān)測界面如圖8所示。

圖8 植入式智能螺栓監(jiān)測系統(tǒng)圖

4 結(jié)語

螺栓的預(yù)緊力監(jiān)測對于大多數(shù)的螺栓連接構(gòu)件是非常重要的。植入式應(yīng)變智能螺栓的應(yīng)用對于風(fēng)電領(lǐng)域的連接構(gòu)件用的螺栓的預(yù)緊力能夠進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過對預(yù)緊力數(shù)值的觀測，可以間接的了解螺栓的狀態(tài)，進(jìn)而獲得連接件的穩(wěn)態(tài)變化信息，以確保連接的可靠性。該植入式應(yīng)變智能螺栓的預(yù)緊力測試，滿足與風(fēng)電領(lǐng)域?qū)β菟ㄟB接預(yù)緊力監(jiān)測的要求，有利于對風(fēng)機(jī)連接件的安裝及后期運(yùn)行維護(hù)工作的開展。

該監(jiān)測系統(tǒng)在很多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用場景。該監(jiān)測測量技術(shù)不僅可以應(yīng)用于風(fēng)電領(lǐng)域的智能螺栓預(yù)緊力監(jiān)測，還可以滿足航天航空、工業(yè)產(chǎn)線、電力、石油化工、核電、建筑等領(lǐng)域的螺栓預(yù)緊力連接要求。如大型工業(yè)產(chǎn)線的螺栓連接件、化工石油管道螺栓連接法蘭構(gòu)件、電力行業(yè)安全連接構(gòu)件等，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，同時對于安全生產(chǎn)也具有重大意義，能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)及社會效益。