基于柔性壓電材料傳感器的法蘭螺栓松動檢測

沈意平，翁 晶，劉 翊，蔣 帥,4，陽雪兵

(1.湖南科技大學 機械設備健康維護湖南省重點實驗室，湘潭 411201；2.中車株洲電力機車有限公司，株洲 412001；3. 哈電風能有限公司，湘潭 411104；4. 湖南鐵道職業技術學院 智能制造學院，株洲 412001)

法蘭螺栓連接是風電機組分段塔筒的連接方式，在隨機風載作用下塔筒振動容易導致螺栓松動，進而影響整機運行的可靠性和安全性，甚至引發風電機組倒塌事故[1-2]。目前螺栓松動檢測方法主要有振動法、機電阻抗法和超聲波法[3]。傳統的振動法中，風電塔筒固有頻率等振動特性對法蘭螺栓松動并不敏感，檢測靈敏度較差。阻抗法需要采用體積大且昂貴的機電阻抗測量儀器，不適用于野外服役環境。超聲波法利用螺栓松動界面對結構中超聲波傳播特性的影響進行松動檢測，具有靈敏度高、檢測范圍大等優點，已被應用于螺栓連接結構的松動檢測[4-5]。

WANG[6]將PZT(鋯鈦酸鉛)壓電片布置在螺栓連接板結構的表面，提出利用超聲導波幅值作為擰緊指標對單個螺栓的預緊力進行監測。ZAGRAI等提出通過測量穿過螺栓連接處的導波相位延遲來估計螺栓扭矩，研究表明螺栓扭矩與導波信號的相移成正比。杜飛等[7]將PZT壓電片粘貼在法蘭連接的兩段筒壁表面，采用透射信號的均方根偏差作為螺栓松動指標，研究了螺栓松動時均方根偏差的變化規律。以上研究均為法蘭螺栓松動識別提供了理論依據。現有研究通常采用PZT壓電片作為傳感器，往往僅聚焦單個螺栓松動程度的檢測，而低頻重載的風電塔筒法蘭結構復雜，極限應力/應變大，螺栓分布數目多，給螺栓松動檢測所需的傳感器與檢測方法帶來了新的挑戰。

PZT壓電片質地硬脆、易碎、極限應變非常小，不能滿足風電塔筒野外惡劣服役環境及法蘭結構螺栓松動檢測的要求。0-3型壓電復合材料將不連續的PZT顆粒分散于三維連通的聚合物中，具有制備簡單、柔性好、應變大、壓電性能優良等優點。ZHANG[8]較早地將PZT/環氧樹脂復合材料用于振動和聲傳感器中接收薄板振動和聲發射信號。楊照光等[9]基于0-3型PZT/PVDF(偏聚氟乙烯)壓電復合薄膜研制聲發射傳感器并進行了斷鉛試驗。KANG等[10]將制備的PNN-PZT/環氧樹脂復合材料(PNN為鈮鎳酸鉛)應用于風電葉片，以進行鳥撞聲發射信號檢測。項目組前期研究了PZT/環氧樹脂復合材料性能的影響因素，并探討其對于曲面板和鋼軌等結構超聲導波傳感的適用性和有效性。研究表明其具有良好的線性靈敏度和環境適應性[11-12]。

現有PZT/聚合物復合材料研究較多地關注兩相材料類型及其質量比、極化參數等因素對壓電復合材料性能的影響。特別地，PZT粒徑大小也是影響壓電復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PZT/水泥復合材料壓電和力學性能的影響，結果表明，隨著PZT粒徑增大，復合材料壓電常數與介電常數均增大，但其穩定性變差，彎曲強度降低。ABOUBAKR[14]根據極化效率來確定PZT/PU復合材料的PZT粒徑大小，也發現采用大尺寸PZT粒徑有利于提高復合材料壓電和介電性能。

文章將進一步研究PZT粒徑對PZT/環氧樹脂復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合材料；將該復合材料粘貼于法蘭結構表面，作為超聲波接收傳感器，通過改變單個或多個螺栓的預緊力矩，研究法蘭結構中螺栓松動程度和松動數目對超聲波透射信號的影響，從而為法蘭螺栓松動定量檢測提供理論依據。

1 PZT/環氧樹脂復合材料制備

采用固相法制備PZT/環氧樹脂復合材料，原材料PZT粉體由煙臺興陶電子科技有限公司提供，環氧樹脂由奧斯邦有限公司提供。將PZT粉體與無水乙醇混合后放入電阻爐中燒結，燒結溫度為1 150 ℃，燒結時間為2 h。燒結后的PZT塊體采用球磨機研磨成粉，通過標準篩進行篩分，以得到不同粒徑區間的PZT粉體。采用的標準篩目數為150～170目，130～150目，110～130目，90～110目，70～90目。篩分得到PZT粒徑區間為90～106 μm，106～113 μm，113～123 μm，123～160 μm，160～212 μm，不同粒徑區間的PZT粉體如圖1所示，分別以編號I、II、III、IV、V表示。

圖1 不同粒徑區間的PZT粉體

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

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

g33=d33/εrε0

(1)

式中：d33和εr分別為壓電復合材料的壓電應變常數和介電常數；εo為真空介電常數。

圖2 PZT/環氧樹脂復合材料

采用ZJ-6A型準靜態測量儀測試壓電應變常數d33，采用TH-2838型精密阻抗儀測試復合材料的介電常數εr與介電損耗tanδ。PZT粒徑與PZT/環氧樹脂壓電復合材料壓電應變常數和介電性能的關系如圖3和圖4所示，根據式(1)計算得到的壓電電壓常數如圖5所示。從圖3～5可以得出以下結論。

圖3 PZT粒徑與復合材料d33的關系

圖4 PZT粒徑與復合材料εr和tan δ的關系

圖5 PZT粒徑與復合材料g33的關系

(1) 隨著PZT粒徑增大，PZT/環氧樹脂復合材料的壓電應變常數d33增大，采用V號PZT粒徑制備的復合材料d33達到80 pC·N-1。這是由于PZT粒徑增大，部分PZT顆粒接觸概率增大，形成局部電場導通，能夠提升PZT相的極化效果。壓電復合材料極化后壓電應變常數d33略有增大，1 d后保持較好的穩定性。

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

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

根據PZT粒徑與PZT/環氧樹脂復合材料壓電電壓常數g33的關系，選擇Ⅴ號PZT粒徑來制備壓電復合材料。所制成的柔性壓電材料g33達到117 mV·N-1，能夠更為靈敏地接收到法蘭結構中的超聲波信號。

2 基于超聲波技術的法蘭螺栓松動檢測原理

風電塔筒采用均布多個螺栓的法蘭連接結構，超聲波在法蘭結構中傳播時，在上下法蘭連接界面處產生透射和反射波。隨著螺栓連接松動程度的變化，界面接觸狀態將發生變化，導致超聲波在界面處的透射和反射特性發生改變。超聲波法的檢測原理為：利用螺栓松動造成的法蘭界面超聲波透射信號變化來表征螺栓松動程度。

取單個螺栓連接法蘭結構為例(見圖6)，上下法蘭界面間接觸壓力p與螺栓預緊力矩T的關系為

(2)

式中：λ為預緊力矩系數，一般取為0.2；d為螺栓公稱直徑。

圖6 法蘭結構示意(單個螺栓)

隨著螺栓產生松動，法蘭界面接觸壓力將發生改變，界面剛度也隨之發生變化。BIWA等[15]通過大量試驗建立了界面剛度K與壓力的關系，其表達式為

K=Cpm

(3)

式中：C和m為常數，由試驗測試所得。

焦敬品等[16]推導了縱波垂直入射界面時透射系數S與界面剛度K的關系式，得到

(4)

式中：ρ為材料密度；c為縱波波速；ω為頻率。

類似地，法蘭結構中超聲波在界面處的透射系數Sf也將正比于界面剛度K，其表達式可寫為

(5)

式中：B為常數，與激勵點和傳感點間超聲波傳感路徑上的界面剛度相關；cs為超聲波波速；ωs為頻率。

法蘭結構中有多個螺栓連接，界面接觸壓力為n個螺栓施加預緊力矩產生界面壓力的總和。由式(2)～(5)知，隨著螺栓松動程度和松動個數的變化，法蘭界面接觸壓力和接觸剛度將發生變化，使得超聲波穿過法蘭螺栓界面的透射系數發生改變。提取超聲波透射信號首達波幅值來表征螺栓松動情況，通過試驗研究螺栓不同松動程度和松動個數下聲波透射特性的變化情況。定義法蘭螺栓松動系數為

(6)

式中：At為螺栓設定的最大預緊力矩下任意傳感路徑的超聲波透射信號首達波幅值；A0為螺栓不同松動程度和松動個數下該傳感路徑的首達波幅值。

3 螺栓松動檢測

采用的法蘭螺栓連接結構，其上下法蘭為10個M12(螺紋外徑為12 mm)螺栓連接成一體，外徑為134.25 mm，內徑為84.25 mm，上法蘭結構厚度為10 mm，下法蘭結構厚度為14 mm。在PZT/環氧樹脂復合材料上下表面涂刷導電銀膠制作電極，并引出導線，作為超聲波傳感器。激勵壓電片來自Piezo公司，直徑為12.7 mm，厚度為0.1 mm。激勵信號采用漢寧窗調制的五周期正弦窄帶信號，激勵中心頻率為70 kHz，經功率放大器ATA-66210驅動壓電片。柔性壓電傳感器接收超聲波信號，經過PXPA3前置放大器，利用NI USB-6366數據采集卡進行超聲波采集，試驗設備如圖7所示。試驗過程中設定的螺栓最大預緊力矩為30 N·m，預緊力矩變化范圍為5～30 N·m(以5 N·m遞增)。

圖7 法蘭螺栓松動檢測試驗設備

柔性壓電傳感器S1布置在上法蘭結構螺栓6和螺栓7之間，6個激勵壓電片P1～P6均勻布置在下法蘭結構螺栓1～螺栓7之間(見圖8)。

圖8 法蘭螺栓松動檢測試驗激勵器布置示意

依次激勵P1～P6壓電片，柔性壓電傳感器S1接收超聲波信號，接收的超聲波信號經過低頻濾波后，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。采集的超聲波信號存在電信號，P1- S1、P2- S1、P3- S1傳感路徑的首達波具有較好的時域分辨率，通過匹配追蹤法得到其到達時間[17]，計算得到波速為3 321 m/s。P4- S1、P5- S1和P6- S1傳感路徑的首達波與電信號存在混疊(見圖9)。為了避開電信號干擾，以P3為激勵點，開展P3- S1傳感路徑上螺栓4、螺栓5和螺栓6松動狀態對法蘭結構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

首先開展單個螺栓松動檢測試驗，采用力矩扳手控制螺栓6的預緊力矩，依次增加5 N·m，最大預緊力矩為30 N·m。測試得到其在不同松動狀態下P3-S1傳感路徑的透射信號首達波(見圖10)，由圖10可見，隨著螺栓松動程度加大，首達波幅值逐漸減小。根據第2節理論分析可知，這主要是界面接觸剛度下降，超聲波透射系數變小引起的。根據式(6)，將螺栓6最大預緊力矩(30 N·m)的透射信號首達波幅值進行歸一化，得到螺栓松動系數變化曲線(見圖11)。由圖11可知，隨著螺栓松動程度增加，界面接觸剛度下降，螺栓松動系數變小。

圖10 螺栓6在不同預緊力矩下的透射信號首達波

圖11 螺栓松動系數的變化曲線

為了研究螺栓松動個數對超聲波透射信號的影響，分別改變螺栓4、螺栓5和螺栓6的松動狀態。松動數目工況設計如表1所示(表中“*”表示該螺栓松動，預緊力變化范圍為5～30 N·m)。試驗測試得到不同螺栓松動狀態下的透射信號，圖12為工況3的透射信號，圖13為工況5的透射信號，可以看出首達波幅值隨著螺栓松動程度加劇而減小。計算得到不同工況下螺栓松動系數的變化曲線(見圖14)。

表1 松動數目工況設計

圖12 工況3的透射信號

圖13 工況5的透射信號

圖14 不同工況下螺栓松動系數的變化曲線

從圖14可知，螺栓在相同預緊力矩情況下，超聲波透射信號首波幅值隨著螺栓松動個數增加而變小；螺栓松動個數相同時，螺栓松動位置對透射信號也有一定的影響，能夠為螺栓松動定位提供理論依據。

4 結論

(1) 隨著PZT粒徑增大，壓電應變常數、壓電電壓常數、介電常數增大。采用粒徑為160～212 μm PZT制備PZT/環氧樹脂復合材料，其壓電電壓常數達到117 mV·N-1。

(2) 基于超聲波透射信號對法蘭螺栓松動界面的敏感性，采用柔性壓電復合材料傳感器接收單個螺栓不同松動程度及多個數目螺栓松動的超聲波透射信號。結果表明，隨著單個法蘭螺栓松動程度加劇，超聲波透射信號首達波幅值減小。法蘭螺栓在相同預緊力矩情況下，超聲波透射信號首達波幅值隨著螺栓松動個數增加而減小，為法蘭螺栓松動定量檢測提供了理論依據。