基于压电阻抗技术的螺栓松动检测试验研究*

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 430081)



基于压电阻抗技术的螺栓松动检测试验研究*

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 430081)

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(RMSD)对螺栓的松紧程度进行识别;分析损伤指标(RMSD)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。

健康监测;螺栓松动;压电阻抗;损伤指标

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。

20世纪90年代Liang等[1]率先对压电材料-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。Bhalla等[2-3]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;PEAIRS等[4]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;王丹生等[7]将该技术应用于大型钢结构螺栓松动的研究,用损伤指标来定义螺栓的松动程度。该项技术在螺栓的健康监测领域还存在很大的发展空间,尤其是在螺栓损伤程度的定量判别方面。针对螺栓联接松动问题,本文采用万能试验机对螺栓进行加载,精确控制螺栓预紧力,避免了联接结构中摩擦力对实验的干扰,准确地获得损伤指标随预紧力变化的规律,据此展开了试验研究。

1 压电阻抗技术原理

基于压电材料的正逆压电效应,可将其作为传感器和驱动器。将压电材料粘贴在主体结构表面,给压电材料通以高频激励信号使之产生微小振动,压电材料的振动信号作用在主体结构表面使之产生相应的振动;主体结构的振动反过来会作用在压电材料上,压电材料受力会使其表面电荷发生改变;压电材料表面电荷的变化可以通过精密阻抗分析仪以压电阻抗的形式反映出来;主体结构特性(如刚度和阻尼等)的变化会使其振动发生变化,进而使其作用于压电材料的振动发生改变,从而使得压电材料反馈的电信号不同,因此可以通过比较压电材料反馈的电信号来分析主体结构的变化;而对于螺栓联接结构,主结构的变化在这里主要来自螺栓的预紧力的变化,故可以通过分析压电材料的阻抗变化情况来确定螺栓的松紧状况。将压电材料和主体结构进行耦合之后,给压电材料通以高频激励电压使之产生相应的振动,在只考虑该系统做轴向振动的情况下,可以将该耦合系统简化为一个一维的弹簧-质量-阻尼系统[1]如图1所示。

图1 机电耦合系统力学模型

在激励电压的作用下,PZT产生输出电流I,因为压电导纳和压电阻抗互为倒数,所以Y=I/V,由此Liang等[1]推导出了PZT的压电导纳:

(1)

根据上式可知,压电材料在外部载荷的作用下,其压电导纳随主体结构的机械阻抗变化而变化,在压电材料的特性参数不变和周围环境条件维持在较为理想的情况下,主体结构机械阻抗Zs决定PZT压电导纳Y的变化。因此通过精密阻抗仪监测压电材料电导纳Y的变化可以得到主体结构机械阻抗的变化,而结构机械阻抗的变化来源于作用在结构表面的外部载荷,使得结构内部特性(刚度和阻尼等)发生变化,因此可以通过对比分析结构受载前后压电材料阻抗的异同,来分析螺栓预紧力的变化,从而得到螺栓的松紧状况。

图3 1#、2#试样示意图

2 实验过程与结果分析

2.1 实验装置

通过环氧树脂将压电材料分别粘贴在各组试样的相应位置,搭建如图2所示的实验平台。由于扭矩扳手等加载精度低、误差大[8],因此实验采用CMT5105电子万能试验机对螺栓的头部和螺帽进行加压,来模拟螺栓预紧力的变化,如图3所示,压力通过垫片作用在试样的表面,相当于拧紧螺栓时产生的预紧力作用在试样的表面,使得两压板压紧,试验机的加载范围为0～100 kN,加载精度高且操作简单。

图2 实验装置图

实验采用公称直径为16 mm、强度等级为4.8的普通螺栓,以0.5δs(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43 kN。实验开始前先设定试验机的加载间隔为5 kN,加载的力依次为0 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN、25 kN、30 kN、35 kN、40 kN、43 kN,在每个载荷保载的过程中,采用静态测量的方法利用WK6500B精密阻抗分析仪(测量频率范围为20 Hz～30 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150 kHz～180 kHz和200 kHz～250 kHz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10 mm×6 mm×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35 mm、70 mm、105 mm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 PZT的参数表

图4 3#、4#试样

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PZT在150 kHz～180 kHz频段下的导纳实部和虚部曲线,图6是1#试样上粘贴的PZT在200 kHz～250 kHz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[9]。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。

图5 1#试样PZT在150 kHz～180 kHz频段下的导纳

图6 1#试样PZT在200 kHz～250 kHz频段下的导纳

从上面1#试样PZT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(RMSD)来定义损伤指标[10-11]。

(2)

式中,Re(Yi)为各预紧力作用下所测得的压电导纳实部;Re(Y0)为最大预紧力时的压电导纳实部,以Re(Y0)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;n为扫描点数,本次实验采用400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 1#试样PZT在不同频率段下加载和卸载所得到的损伤指标

图8 2#试样PZT在不同频率断下的损伤指标

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10 kN左右的预紧力作用时,损伤指标快速下降,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10 kN～35 kN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200 kHz～250 kHz频率范围内损伤指标的坡度比150 kHz～180 kHz频率范围内的坡度大,因此200 kHz～250 kHz频率段监测效果更好;当预紧力达到35kN及以上时,损伤指标又快速下降直至为零,这表明PZT对螺栓刚开始的松动比较敏感,这也是螺栓健康监测的一个最重要阶段[12]。

图9 3#、4#试样在200 kHz～250 kHz频段的损伤指标

图9所示接触面粗糙度不同的3#、4#试样在200 kHz～250 kHz频段下各PZT所监测的损伤指标。从图9可以观察到,随着载荷的均匀变化,粘贴在3#、4#试样上的3个PZT损伤指标都有变化,而在同一试样上离螺栓最近的PZT1所监测的损伤指标变化最大,且损伤指标线平缓下降;处于中间位置的PZT2损伤指标变化幅度也比较大,但是在10 kN～35 kN的预紧力范围内,损伤指标有明显的波动;而离螺栓最远的PZT3在整个预紧力的作用下,损伤指标接近于一条水平直线,损伤指标变化很小;由此可知PZT1的监测效果比PZT2和PZT3的检测效果好,这是因为离螺栓越近的区域,上下压板之间的相互作用力和内部刚度的变化越大,因此压电片和螺栓之间的距离越大监测效果越差[13]。从图9还可以看出,3#试样上的3块压电片所监测到的损伤指标之间的差值,比4#试样上的3块压电片所监测到的损伤指标之间的差值小,而3#、4#试样明显的差异就是接触面粗糙度不同,因此接触面粗糙度对损伤指标有一定的影响[14-15]。

3 结论

采用电子万能试验机对螺栓进行加载来模拟预紧力的变化,搭建实验平台,进行基于压电阻抗技术的螺栓松动监测实验。通过对四组试样上粘贴的压电片电导纳的反复监测发现,随着预紧力的不断增大,所监测到的损伤指标越来越小;当预紧力在接近于零和最大值时,损伤指标变化较大;而当预紧力处于中间值附近时,损伤指标呈一定的线性变化;离螺栓最近的PZT1损伤指标变化最大,监测效果最好,而PZT2损伤指标变化较大,监测效果不好,PZT3的损伤指标在整个预紧力范围内变化极小,不能识别预紧力的变化,因此合理选择压电片的粘贴位置可以得到较准确的监测结果;接触面粗糙度对监测结果也有一定的影响;根据压电导纳实部均方根偏差(RMSD)定义的损伤指标可以较准确地识别螺栓预紧力的变化,从而可以分析螺栓的松动程度。

[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]卢翔,朱楚为,章建文,等. 压电阻抗技术在焊缝裂纹监测中的应用[J]. 南京航空航天大学学报,2011,43(2):206-213.

[6]高峰,王德俊,江钟伟,等. 压电阻抗技术用于螺栓松紧健康诊断[J]. 中国机械工程,2001,12(9):1048-1051.

[7]王丹生,朱宏平,鲁晶晶,等. 基于压电导纳的钢框架螺栓松动检测试验研究[J]. 振动与冲击,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]王炜,严蔚,李万春,等. 基于高频压电阻抗谱的钢框架损伤识别研究[J]. 宁波大学学报(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]叶亮,丁克勤,赵娜,等. 基于压电阻抗法的机械螺栓组松动监测及识别[J]. 科学技术与工程,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]王涛,罗毅,刘绍鹏,等. 基于压电主动传感方式的螺栓松动检测实验研究[J]. 传感技术学报,2013,26(8):1060-1064.

[15]邹晓红. 基于超声波技术的纸粗糙度测量的研究[J]. 传感技术学报,2005,18(4):850-853.

王涛(1977-),男,工学博士,副教授。主要研究方向为智能材料与结构健康监测、故障诊断,wangtaw@163.com;

杨志武(1989-),男,硕士研究生,主要研究方向为冶金设备故障诊断及信号分析,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

项目来源:国家自然科学基金项目(51375354,51278084);湖北省自然科学基金项目(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