声激励锚杆轴力监测传感器的研制

尹瑞 赵利平 梁义维

(太原理工大学机械工程学院　太原 030024)



声激励锚杆轴力监测传感器的研制

(太原理工大学机械工程学院太原 030024)

根据现有的锚杆支护方式，提出一种采用声激励来监测锚杆轴力的新方法，该方法属于无损检测。阐述了锚杆轴力监测传感器的基本原理，介绍了传感器的构造及参数的设置，从强度、模态、声学3个方面进行了详细说明，分析了共振板的厚度变化对声学性能的影响。结果表明，该传感器满足设计要求，方法可行、有效。

声激励锚杆轴力监测无损检测

0　引言

锚杆支护作为岩土锚固支护技术的主要方式，广泛应用于水利、水电、交通、铁道、矿山、城市基础设施等工程建设中，锚杆在工程领域内的大量使用，有时会因为岩土的松动或锚杆本身的受力状态发生改变，从而导致锚杆失效发生断裂。为保证人员和财产安全，及时、准确地对锚杆受力状态进行监测十分必要。国内外有关人员对锚杆的监测进行了大量的研究，主要成果有液压式[1]、应变片式[2]、光纤光栅式[3]等。这些装置存在着结构复杂、成本较高、维护困难、对锚杆杆体破坏、不适合大规模使用等一系列问题。

针对锚杆监测的现有方法和理论，本文提出一种采用声激励，利用声固耦合和声谱分析对锚杆轴力进行监测的新方法。该方法具有结构简单、成本低廉、操作方便、不会对锚杆杆体产生破坏、适合大规模安装使用的特点。

1　监测原理

1.1声激励锚杆轴力监测传感器的原理

由振动学的相关知识可知，薄板处于自由状态时受到外界激励，当薄板的某阶固有频率和外界激励频率相同或接近时，薄板振幅会显著增大，即会发生机械共振，薄板的振动会发出声音。根据机械共振原理设计思路为：在由4个薄板围成的封闭腔室中，有一个声源，给定声源大小和一定范围的频率，使得薄板在某阶频率处产生共振，发出声音，通过辨别声音的大小和已知频率的声源，来判断锚杆承受的轴力大小。当锚杆承受的压力变化时，薄板中的内应力也随之改变，其发生共振的振型频率也会相应改变，此时改变声源的大小和频率范围，也会使薄板共振，即可得知变化后的应力大小。

本文以薄板的受迫振动为例，说明系统的稳态响应[4]。厚度为h的薄板，以板变形前的中面为xoy平面建立坐标系，规定u,v,w分别为沿x,y,z 3个方向的线位移，θx,θy,θz分别为绕3个轴线的角位移。坐标系中，6个应力分量为σx,σy,σz,τxy,τyz,τzx，6个应变分量为εx,εy,εz，γxy,γyz,γzx。

弹性薄板横向振动的基本假设：

(1)直线法假设，认为变形前垂直于中面的直线在板变形后仍是直线，并与中面垂直。

(2)忽略与中面垂直的法向应力。

(3)只考虑质量移动的惯性力，忽略质量转动的惯性力矩。

(4)当板作微振动时，中面内各点均没有平行于中面的位移。一般认为z方向的位移w<(1/5)h时，符合微振动条件。

根据薄板微单元的受力分析，考虑板微单元的动力平衡，则

(1)

(2)

(3)

式中，q为强迫振动外载荷，ρ为密度。

剪力的表达式：

(4)

(5)

式中，D为板的抗弯刚度，D=Eh3/12(1-v2)。E为材料的弹性模量，v为材料的泊松比。

把式(4)、式(5)带入板微单元的动力平衡方程中，得到薄板的受迫振动方程：

(6)

根据薄板的受迫振动方程及边界条件，即可求得板的振型函数及固有频率。

当锚杆承受的压力变化时，安装在锚杆上的监测传感器会同步发生变化，薄板的应力也随之改变。以下将从理论上说明固有频率和预应力的关系。

弹性模量与预应力σr之间的关系可用式(7)表示[5]。

E=E0-kσr

(7)

式中，E为预应力等于σr时的弹性模量，E0为无预应力时的弹性模量，k为表征预应力影响的常系数，规定式中拉应力为正，压应力为负。

可得单元固有频率与预应力具有以下关系:

(8)

从式(8)中可以看出，当板厚和材料确定后，影响固有频率的只有预应力。

1.2声激励锚杆轴力监测传感器的设计条件及要求

锚杆的种类有很多，根据锚固方式分为集中端头锚固类和全长锚固类[6]，本文以对端头锚固类的树脂锚杆为例进行监测。锚杆材质为20MnSi螺纹钢，杆体公称直径为22 mm，其屈服载荷10.9 t，破断载荷17. 8 t。根据锚杆的初锚力是屈服载荷的50%～75%，本文设定初锚力为6 t。

根据锚杆受力和实际应用分析，监测装置的性能指标应满足以下要求：①装置在设定距离监测时的声压级不能小于70 dB；②装置的灵敏度不能小于2 t；③装置应结构简单，使用方便。

2　监测传感器的结构设计

基于机械共振原理和声固耦合，采用声激励，本文设计的锚杆轴力监测传感器结构如图1、图2所示。图1中4个侧面为共振板。压板上与压板下的区别在于，压板下有一个∅2的通孔。压板上、压板下、承载体和共振板的材料选择45#，支撑柱材料选为尼龙1010。材料的相关参数见表1。

表1　材料的基本参数

图1　监测传感器的三维视图

1-压板上；2-承载体；3-支撑柱；4-共振板；5-压板下

3　监测传感器的设计方法

3.1锚杆轴力监测传感器的静力分析

根据锚杆的受力情况得知，在ANSYS计算时，竖直方向为Y向，设置以下约束：设置装置的边界条件为圆形底面全约束，板厚定为0.7 mm，共振板上下面与压板粘接，两侧面与支撑柱搭接，约束方式为远离装置中心线的X向或Z向约束，为查看装置的承载能力是否满足要求，以承受的最大压力17. 8 t为例。

根据静力学分析结果得知，结构的最大应力为134 MPa，远小于钢的屈服强度极限，最大应力出现在压板上和压板下的内圆孔尖角处，支撑柱的应力也远小于尼龙的屈服强度，故监测装置满足力学性能要求。

3.2锚杆轴力监测传感器的模态分析

模态求解结果如表2所示。在ANSYS中模态求解时，板厚为0.7 mm，承受的压力为17.8 t，本文求取了对监测传感器的动力学性能影响较大的前10阶模态。根据求解结果知，监测装置的模态前4阶很接近，究其原因是4个共振板在受力过程中受其他部件的影响，频率产生了差异。

本文主要利用前4阶模态，前4阶的振型几乎一致，根据结构动力学知识，该振型振动区域和振动幅值较大，对监测传感器的振动最有利。

表2　监测传感器的模态求解结果

根据模态计算理论分析得知，当承受应力大小成线性变化时，第一阶模态固有频率的变化也会相应地成线性变化。

3.3锚杆轴力监测传感器的声学性能分析

在巷道中，采掘和运输设备不工作时，现场噪声的大小约为50 dB，人耳容易听到的声压级在60 dB以上(人耳可听到的频率范围之内)，计算时，施加声源激励声压大小为60 dB，根据模态的计算结果，声源的频率施加范围为20～1 100 Hz，其中声源的频率间隔为2 Hz，声源频率要逐一施加，传感器的阻尼比为0.1。实施监测时，声音听取的位置为距离装置正下方0.92～1.08 m的范围，经计算，该区间的声压级差值为0.5 dB，不影响装置的监测性能。

为详细阐述监测方法，本文以装置承受压力17.8 t，板厚为0.7 mm为例进行说明。声源的频率范围150～700 Hz，如图3所示，纵坐标为声压级[8]，横坐标为频率。经过声源的激励，板会在275 Hz处发生共振，并且声压级达到最大，为82 dB，通过获知的声压级大小和已知频率的声源，就可以判断出此时锚杆所承受的压力大小。正常人耳所能分辨的声压级差是3 dB，对最大声压位置附近的声压曲线进行分析，左侧达到79 dB的频率为270 Hz，右侧达到79 dB的频率为277 Hz，即声压级在79 dB到82 dB的频率区间为270～277 Hz，区间大小为7 Hz，人耳无法对这7 Hz范围内的声压变化进行分辨，可以通过计算整个受力区间的频率变化范围得出监测传感器的分辨率。

图3　监测传感器的声压级曲线

根据模态计算的理论分析，内应力的大小会影响物体的固有频率，如图4所示。从图形中可以看出：在不同压力下的监测装置具有不同的声压级曲线；随着监测装置承受压力的减小，声压级的最大值也减小；随着监测装置承受应力的减小，两相邻声压级曲线峰值频率的差值逐渐减小；监测装置的声压级曲线峰值均大于70 dB。该图形曲线为实际监测提供参考。

对图4进行分析得知，监测传感器受到较小的压力时，其声压级曲线波峰处的波形较宽，所以监测传感器的分辨率应该以承受6 t的压力作为分辨率基准。经计算，监测传感器在承受6 t的压力时，声压级变化3 dB，频率变化了10 Hz，工作压力为6～17.8 t，频率变化了200 Hz，根据比例关系，本监测传感器的分辨率为0.5 t，满足设计要求。

图4　监测传感器在不同应力下的声压级曲线

3.4共振板厚度对传感器声学性能的影响

以承受的应力为17.8 t，厚度为0.65～1 mm的板为例(小于0.65 mm厚的共振板，对其模态分析，结构发生屈曲现象[9]，故在本文中不作讨论)，分析结果如图5所示。从图中可以看出，随着板厚的减小，监测装置声压级的最大值呈增大的趋势；从声压级数值的变化来观察，板厚对声压级变化差值的影响不是线性的，即相比于较厚的板，较薄板厚度的变化对声压级的影响更大；板厚对监测装置的共振频率产生影响，板越厚，共振频率的数值也越大，且不为线性关系；板厚对监测装置的声压级曲线形状会有影响，但不变的是都在特定的频率范围内出现一个明显的尖端峰值，即板厚的变化对监测方法不会产生明显的影响；板厚对波峰的宽窄有影响，以声压级的最大值变化3 dB的范围为例，板越厚，对应的频率范围就越大，即板厚会影响监测装置的性能。

图5　共振板不同板厚的声压级曲线

4　结论

本文提出了一种锚杆轴力监测的新的方法，研究结果表明，监测装置的强度、模态、声学性能均满足设计要求；共振板厚度显著影响声压级的大小，板越厚，声压级的峰值就越小；共振板在特定范围内的厚度变化不会影响监测方法；共振板的厚度对共振频率有明显的影响，板越厚，共振频率越大。经试验，该装置满足使用要求。

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配电变压器调节分接开关操作步骤

(1)先停电。断开配电变压器低压侧负荷后，用绝缘棒拉开高压侧跌落式熔断器，然后做好必要的安全措施。

(2)拧开变压器上的分接开关保护盖，将定位销置于空档位置。

(3)调节档位时，应根据输出电压高低，调节分接开关到相应位置，调节分接开关的基本原则是：

当变压器输出电压低于允许值时，把分接开关位置由Ⅰ档调到Ⅱ档，或由Ⅱ档调整到Ⅲ档。

当变压器输出电压高于允许值时，把分接开关位置由Ⅲ档调到Ⅱ档，或Ⅱ档调整到Ⅰ档。

(4)调节档位后，用直流电桥测量各相绕组直流电阻值，检查各绕组之间直流电阻是否平衡。若各相之间电阻值相差大于2%，必须重新调整，否则运行后，动静触头会因接触不好而发热，甚至放电，损坏变压器。

(5)确认无误再送电，查看电压情况。

(赵建文)

Development of Rock Bolt Axial Force Monitoring Sensors by Acoustic Excitation

YIN QiruiZHAO LipingLIANG Yiwei

(CollegeofMechanicalEngineering,TaiyuanUniversityofTechnologyTaiyuan030024)

According to the existing mode of rock bolt support, the paper puts forward a new kind of method of rock bolt axial force monitoring sensors by acoustic excitation, which belongs to nondestructive testing. The basic principle of the monitoring sensors is elaborated, the structure of the sensor and the parameter settings of each part are introduced, a detailed description of the sensor is made from three aspects of intensity, mode and acoustic, and the effects of resonance plate thickness on the performance of acoustic are analyzed. The results show that the method is feasible and effective, meeting the requirements of design.

acoustic excitationmonitoring of axial force of rock boltnondestructive testing

尹瑞,男,1990年生,硕士研究生,主要从事故障诊断方面的研究。

2015-08-10)