基于壓電阻抗技術的螺栓松動檢測試驗研究*

王 濤,楊志武,邵俊華,李友榮

(武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室,武漢 430081)

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基于壓電阻抗技術的螺栓松動檢測試驗研究*

王 濤*,楊志武,邵俊華,李友榮

(武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室,武漢 430081)

針對工程結構中螺栓松動問題,采用萬能試驗機對螺栓聯接結構進行加載模擬螺栓預緊力的變化,在不同螺栓預緊力作用下,測量螺栓聯接結構上所安裝的壓電材料的阻抗變化,利用壓電導納實部均方根偏差(RMSD)對螺栓的松緊程度進行識別;分析損傷指標(RMSD)隨預緊力變化的規律和壓電材料安裝位置及聯接結構接觸面粗糙度對損傷指標的影響。試驗結果表明:在不同頻率段和不同預緊力的作用下,隨著預緊力的增大,損傷指標呈減小的趨勢;壓電材料的安裝位置和接觸面粗糙度對損傷指標測量結果均有一定的影響;損傷指標可以較準確地識別螺栓預緊力的變化。

健康監測;螺栓松動;壓電阻抗;損傷指標

工程結構之間有多種連接方式,螺栓連接就是一種在工程實踐中應用最為廣泛的連接方式。螺栓在循環載荷的沖擊和強迫振動的作用下會出現疲勞損傷和松動現象,螺栓的失效會造成災難性的后果和重大財產損失。對于那些工作在惡劣環境下的螺栓,其松緊程度和疲勞損傷往往難以直接判斷,或者其健康狀況經常被忽視。為了避免那些健康狀況不良的螺栓帶來的災難性后果,對螺栓健康狀況進行實時在線監測顯得尤為重要。

20世紀90年代Liang等[1]率先對壓電材料-主體結構機電耦合系統特性進行了研究,并且提出把壓電阻抗技術應用于結構的健康監測中。近年來基于壓電阻抗技術的結構健康監測有了較深入的研究,國內外學者將該項技術廣泛的應用于工程結構的健康監測。Bhalla等[2-3]將壓電材料粘貼在航空元件和鋼筋混凝土橋上來進行壓電阻抗實驗,結果證明壓電阻抗技術用于結構健康監測的有效性;PEAIRS等[4]將該技術應用于煤氣管道損傷的監測中,發現該技術可以檢測地下管道裂縫等損傷;盧翔等[5]將壓電阻抗技術用于焊縫裂紋的監測,結果表明壓電片可以靈敏的監測到裂紋微小的變化。

近年來基于壓電阻抗技術的螺栓松動的監測研究有了較快發展,高峰等[6]將該技術應用于螺栓的健康監測中,并提出高頻機械阻抗的概念;王丹生等[7]將該技術應用于大型鋼結構螺栓松動的研究,用損傷指標來定義螺栓的松動程度。該項技術在螺栓的健康監測領域還存在很大的發展空間,尤其是在螺栓損傷程度的定量判別方面。針對螺栓聯接松動問題,本文采用萬能試驗機對螺栓進行加載,精確控制螺栓預緊力,避免了聯接結構中摩擦力對實驗的干擾,準確地獲得損傷指標隨預緊力變化的規律,據此展開了試驗研究。

1 壓電阻抗技術原理

基于壓電材料的正逆壓電效應,可將其作為傳感器和驅動器。將壓電材料粘貼在主體結構表面,給壓電材料通以高頻激勵信號使之產生微小振動,壓電材料的振動信號作用在主體結構表面使之產生相應的振動;主體結構的振動反過來會作用在壓電材料上,壓電材料受力會使其表面電荷發生改變;壓電材料表面電荷的變化可以通過精密阻抗分析儀以壓電阻抗的形式反映出來;主體結構特性(如剛度和阻尼等)的變化會使其振動發生變化,進而使其作用于壓電材料的振動發生改變,從而使得壓電材料反饋的電信號不同,因此可以通過比較壓電材料反饋的電信號來分析主體結構的變化;而對于螺栓聯接結構,主結構的變化在這里主要來自螺栓的預緊力的變化,故可以通過分析壓電材料的阻抗變化情況來確定螺栓的松緊狀況。將壓電材料和主體結構進行耦合之后,給壓電材料通以高頻激勵電壓使之產生相應的振動,在只考慮該系統做軸向振動的情況下,可以將該耦合系統簡化為一個一維的彈簧-質量-阻尼系統[1]如圖1所示。

圖1 機電耦合系統力學模型

在激勵電壓的作用下,PZT產生輸出電流I,因為壓電導納和壓電阻抗互為倒數,所以Y=I/V,由此Liang等[1]推導出了PZT的壓電導納:

(1)

根據上式可知,壓電材料在外部載荷的作用下,其壓電導納隨主體結構的機械阻抗變化而變化,在壓電材料的特性參數不變和周圍環境條件維持在較為理想的情況下,主體結構機械阻抗Zs決定PZT壓電導納Y的變化。因此通過精密阻抗儀監測壓電材料電導納Y的變化可以得到主體結構機械阻抗的變化,而結構機械阻抗的變化來源于作用在結構表面的外部載荷,使得結構內部特性(剛度和阻尼等)發生變化,因此可以通過對比分析結構受載前后壓電材料阻抗的異同,來分析螺栓預緊力的變化,從而得到螺栓的松緊狀況。

圖3 1#、2#試樣示意圖

2 實驗過程與結果分析

2.1 實驗裝置

通過環氧樹脂將壓電材料分別粘貼在各組試樣的相應位置,搭建如圖2所示的實驗平臺。由于扭矩扳手等加載精度低、誤差大[8],因此實驗采用CMT5105電子萬能試驗機對螺栓的頭部和螺帽進行加壓,來模擬螺栓預緊力的變化,如圖3所示,壓力通過墊片作用在試樣的表面,相當于擰緊螺栓時產生的預緊力作用在試樣的表面,使得兩壓板壓緊,試驗機的加載范圍為0～100 kN,加載精度高且操作簡單。

圖2 實驗裝置圖

實驗采用公稱直徑為16 mm、強度等級為4.8的普通螺栓,以0.5δs(屈服極限)來計算最大預緊力,經計算,該型號的螺栓最大預緊力約為43 kN。實驗開始前先設定試驗機的加載間隔為5 kN,加載的力依次為0 kN、5 kN、10 kN、15 kN、20 kN、25 kN、30 kN、35 kN、40 kN、43 kN,在每個載荷保載的過程中,采用靜態測量的方法利用WK6500B精密阻抗分析儀(測量頻率范圍為20 Hz～30 MHz),對壓電材料導納的實部和虛部進行測量,并記錄每個載荷下壓電材料導納實部和虛部的值,實驗選取150 kHz～180 kHz和200 kHz～250 kHz作為掃描頻段,最后在計算機上進行數據采集和分析。

實驗所用的壓電片尺寸為10 mm×6 mm×0.5 mm,壓電片及實驗所用的四組試樣規格參數見表1和表2。每組試樣由兩塊相同尺寸的壓板組成,1#試樣和2#試樣為厚度不同的圓形壓板,在1#、2#試樣表面相同位置各粘貼一塊壓電片;3#試樣和4#試樣為粗糙度不同的長方形壓板,在試樣表面距離螺栓35 mm、70 mm、105 mm的位置各粘貼一塊壓電片如圖4所示,形成位置和粗糙度不同的對比試樣,加載方式和圓形壓板一樣。

表1 PZT的參數表

圖4 3#、4#試樣

表2 四組試樣規格

2.2 實驗和結果分析

圖5是1#試樣上粘貼的PZT在150 kHz～180 kHz頻段下的導納實部和虛部曲線,圖6是1#試樣上粘貼的PZT在200 kHz～250 kHz頻段下導納實部和虛部曲線。從圖5和圖6中可以看到在不同預緊力的作用下壓電導納的實部變化明顯,最顯著的變化是隨著預緊力的增加導納實部的峰值在不斷的變小,曲線變得越來越平緩;從曲線的縱坐標可以觀察到,同一試樣在相同頻率下的導納實部數值約為導納虛部數值的十倍,可知導納虛部變化區間較小,且導納實部對結構特性變化更敏感,因此本實驗主要對導納實部進行數據分析和處理[9]。同樣2#、3#、4#試樣在這兩個敏感的頻率段也可以得到相同的結論。

圖5 1#試樣PZT在150 kHz～180 kHz頻段下的導納

圖6 1#試樣PZT在200 kHz～250 kHz頻段下的導納

從上面1#試樣PZT的導納曲線圖可以得到,壓電導納實部的變化可以反應出螺栓預緊力的變化,但是很難判斷螺栓的松動程度,為了表達出在不同預緊力作用下相應的螺栓松動程度,利用壓電導納實部的均方根偏差(RMSD)來定義損傷指標[10-11]。

(2)

式中,Re(Yi)為各預緊力作用下所測得的壓電導納實部;Re(Y0)為最大預緊力時的壓電導納實部,以Re(Y0)所對應的值為理想的健康狀況,其損傷指標為零,通過上式的計算就可以得到各預緊力作用下的損傷指標,對比分析損傷指標隨預緊力變化的規律;i為掃描頻率點;n為掃描點數,本次實驗采用400個掃描點。

根據定義的損傷指標進行數據處理,圖7為1#試樣在兩個掃描頻率段下,對螺栓進行加載和卸載所得到的損傷指標,結果顯示加載和卸載兩種方式所得到的損傷指標有類似的變化趨勢,本實驗采用對螺栓加載的方式來模擬螺栓預緊力的變化。圖8為2#試樣在相同的環境和條件下,對損傷指標共測量四次并計算平均值,結果顯示四次測量結果基本相同。

圖7 1#試樣PZT在不同頻率段下加載和卸載所得到的損傷指標

圖8 2#試樣PZT在不同頻率斷下的損傷指標

根據1#、2#試樣所測得的損傷指標很容易判別螺栓的松動程度,隨著預緊力的增大螺栓的損傷指標越來越小,也即螺栓在預緊力為零時損傷指標最大,在預緊力最大時損傷指標最小;當螺栓從無載荷的自由狀態到受到10 kN左右的預緊力作用時,損傷指標快速下降,這是因為壓板剛受到預緊力的作用時,內部剛度和阻尼瞬間產生巨大變化,壓電片表現出對兩表面剛接觸時的高度敏感性;當預緊力在10 kN～35 kN的范圍內變化時損傷指標下降緩慢,兩組試樣在所選的兩個頻率段下,所監測到的損傷指標都呈一定的線性變化,且兩組試樣在200 kHz～250 kHz頻率范圍內損傷指標的坡度比150 kHz～180 kHz頻率范圍內的坡度大,因此200 kHz～250 kHz頻率段監測效果更好;當預緊力達到35kN及以上時,損傷指標又快速下降直至為零,這表明PZT對螺栓剛開始的松動比較敏感,這也是螺栓健康監測的一個最重要階段[12]。

圖9 3#、4#試樣在200 kHz～250 kHz頻段的損傷指標

圖9所示接觸面粗糙度不同的3#、4#試樣在200 kHz～250 kHz頻段下各PZT所監測的損傷指標。從圖9可以觀察到,隨著載荷的均勻變化,粘貼在3#、4#試樣上的3個PZT損傷指標都有變化,而在同一試樣上離螺栓最近的PZT1所監測的損傷指標變化最大,且損傷指標線平緩下降;處于中間位置的PZT2損傷指標變化幅度也比較大,但是在10 kN～35 kN的預緊力范圍內,損傷指標有明顯的波動;而離螺栓最遠的PZT3在整個預緊力的作用下,損傷指標接近于一條水平直線,損傷指標變化很小;由此可知PZT1的監測效果比PZT2和PZT3的檢測效果好,這是因為離螺栓越近的區域,上下壓板之間的相互作用力和內部剛度的變化越大,因此壓電片和螺栓之間的距離越大監測效果越差[13]。從圖9還可以看出,3#試樣上的3塊壓電片所監測到的損傷指標之間的差值,比4#試樣上的3塊壓電片所監測到的損傷指標之間的差值小,而3#、4#試樣明顯的差異就是接觸面粗糙度不同,因此接觸面粗糙度對損傷指標有一定的影響[14-15]。

3 結論

采用電子萬能試驗機對螺栓進行加載來模擬預緊力的變化,搭建實驗平臺,進行基于壓電阻抗技術的螺栓松動監測實驗。通過對四組試樣上粘貼的壓電片電導納的反復監測發現,隨著預緊力的不斷增大,所監測到的損傷指標越來越小;當預緊力在接近于零和最大值時,損傷指標變化較大;而當預緊力處于中間值附近時,損傷指標呈一定的線性變化;離螺栓最近的PZT1損傷指標變化最大,監測效果最好,而PZT2損傷指標變化較大,監測效果不好,PZT3的損傷指標在整個預緊力范圍內變化極小,不能識別預緊力的變化,因此合理選擇壓電片的粘貼位置可以得到較準確的監測結果;接觸面粗糙度對監測結果也有一定的影響;根據壓電導納實部均方根偏差(RMSD)定義的損傷指標可以較準確地識別螺栓預緊力的變化,從而可以分析螺栓的松動程度。

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王濤(1977-),男,工學博士,副教授。主要研究方向為智能材料與結構健康監測、故障診斷,wangtaw@163.com;

楊志武(1989-),男,碩士研究生,主要研究方向為冶金設備故障診斷及信號分析,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

項目來源:國家自然科學基金項目(51375354,51278084);湖北省自然科學基金項目(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