一种电容式自感知螺栓及其检测方法

1.本发明涉及电容式自感知螺栓及检测技术。


背景技术：

2.螺栓连接是一种工程结构领域广泛采用的连接方式，具有拆装方便、可靠性强等优点，螺栓在桥梁结构、轨道交通、航空航天、汽车行业、特种设备、化工管道等等的到广泛引用。但因螺栓破坏、松动等引起的各种结构损伤问题和运维问题同样不可忽视，特别是航空航天领域，往往因忽视了一颗小小的螺栓松动而酿成重大事故。螺栓连接结构是最为常用的一种机械连接方式，受表面粗糙度的影响，通过螺栓连接起来的两个零件的结合面在受到外部加载下会发生弹朔性变形，因此结合面表现出复杂的力学特性。值得注意的是，螺栓内部的损伤，外部的松动问题在大多数情况下并不直接导致结构的倒塌性破坏，但损伤的不断积累将会引发灾难性的后果。因此，对螺栓连接的松动进行监测具有重要的理论意义和工程实用价值。
3.最为原始的识别方法是人工检查方法，该方法目前可分为两种:目视检查方法和打音检查方法。人工识别方法是目前最简单且应用最多的方法。目视就是通过肉眼观察金属部件有所变化、变色，还可通过在螺母和被连接件上画一道连续线，在一定时间内观察该线的错开距离来判断螺栓是否松动。打音就是通过敲打螺栓连接部位，从声音上判断是否有松弛或别的异常，譬如铁路工人用铁锤敲击钢轨，会从异常的声音发现松动的螺栓。实际现阶段对螺栓的检测采用的松动识别方法还是主要以人工划线识别为主，红色线和蓝色线分别表示不同时间点定检时画的标志线，两种不同颜色线之间有明显的错动距离表明该段时间内螺栓存在松动。该方法的优点是简单易懂，但是精度、效率较低，结构中大量采用螺栓时检查量大，只能通过表面观察检测螺栓工作状态，无法判断其结构内部的受力情况，且大多数螺栓连接处环境复杂需要检测人员攀爬至高处，因而潜在安全风险高；本专利提供的一种新型电容式自感知螺栓设计及其检测方法，不仅可以检测出螺栓的工作及受力状态并进行状态评估，而且通过内部自感知系统和无线传输系统达到自我监测，避免了人工检测精度第、效率较低，降低了高危结构人工检查的危险性，螺栓外部采用p6级防水密封与螺栓形成整体结构，其抗冲击能力、信号抗干扰、结构稳定性更强。
4.螺栓松动的识别与监测是工程结构领域中亟待解决的热点问题，该问题自工业革命以来尚未得以很好地解决，因而目前亟待提出一种新型电容式自感知螺栓设计及其检测方法。旨在设计一种新型螺栓结构提出一种螺栓松动在线检测及监测方法，从而减少人工巡检次数，降低因螺栓而产生的安全事故的发生率和人工运维成本。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种电容式自感知螺栓及其检测方法。
6.本发明是一种电容式自感知螺栓及其检测方法，电容式自感知螺栓，包括内凹形螺帽1、丝杆2、电容式压力元件3，在内凹形螺帽1底部开取圆形孔槽1-9贯通至丝杆2的顶
部，内凹形螺帽1内由上至下分别为卡盘1-8、无线传输系统1-4、备用电源1-3、圆形盖板1-2及六棱螺栓1-1，在丝杆2底部圆截面中心位置开取贯穿整根丝杆2的圆柱形孔洞2-1，且孔洞不大于丝杆2的直径1/4，并与内凹形螺帽1的圆形孔槽1-9相对应，且圆形孔槽1-9直径不大于圆柱形孔洞2-1的1/2，内置电容式压力元件3-1的形状与大小和圆柱形孔洞2-1相吻合，二者并采用胶结的方式连接，并在圆柱形孔洞2-1底部进行点焊固定，在圆柱形孔洞2-1靠近底部位的套丝段2-2与十字螺丝3-2通过机械连接。
7.本发明的的电容式自感知螺栓的检测方法，其步骤为：步骤（1）保证丝杆2底部的密封性及套丝段2-2满足相对应的间隙误差和间隙等级，确定丝杆2的类型、规格、尺寸、材质和热处理过程，以在数据传输后确定相对应的电容冲、放电参数的转换；步骤（2）检查电容式压电元件3-1的信号输出线3-1a与无线传输系统1-4的连接，备用电源1-3通过楔形卡扣1-3a与无线传输系统1-4的连接，楔形卡扣1-3a采用金属传导材质固定和供电，确保内部传输线路与供电的稳定；步骤（3）确定电容式自感知螺栓的丝杆2处于受力状态，打开圆形盖板1-2，将内凹形螺帽1内部的备用电源1-3和无线传输系统1-4开启，最后通过圆形盖板1-2配合六棱螺栓1-1将内凹形螺帽1，在现场通过采集终端监测螺栓信号的稳定性；步骤（4）依据电容式自感知螺栓的材料类型、规格和尺寸、材料密度、弹性模量、泊松比以及电导率等信息，在pc端后台对测量电路信号通过公式计算得到电容输出与压应力的转化，并计算结螺栓结构的受力极限确定结构的预警值，然后调整每根螺栓对应的检测频率并对螺栓进行编号排序；步骤（5）在对电容式自感知螺栓进行检测时，其输出检测信号中信噪比不小于3:1，通过第四步调整好的检测频率，对检测数据实时上传监测服务平台记录存储，依据螺栓的类型设置不同的预警值，对工作中产生的异常信号进行报警，并通知相关检修人员依据螺栓编号，对相应螺栓进行复检更换。
8.本发明的有益之处为：1、本发明的丝杆内部装置电容式压力元件，在外力可准确的采集到丝杆的受力变化情况，而且丝杆对电容式压力元件可起到保护作用，避免了传感器外置不确定因素造成的损坏，与外界环境相接触的部分采用十字螺进行密封固定，电容式压力元件的线路在丝杆与内凹形螺帽内部连接，避免了线路外漏造成传输线路的断裂和破损，延长了其使用寿命，保证了测量信号的真实性、有效性；2、本发明的内凹形螺帽可以保证无线传输系统和备用电源的稳定性，其与在内凹形螺帽内并由圆形盖板密封，防止外界环境变化导致无线传输系统和备用电源的损坏，圆形盖板和内凹形螺帽具有一定的刚度，形成密闭空间，并且可抵御外荷载冲击，保证内部结构的安全性，无线传输系统和备用电源通过楔形卡扣连接，无线传输系统与内凹形螺帽通过卡盘连接，环环相扣，空隙之间填入绝缘填充体，保证了内部结构的稳定性，且防止了备用电源漏电短路对无线传输系统和电容式压力元件的损坏；3、本发明的电容式自感知螺栓外部形成一个整体，抵御外界非监测荷载能力强，采用无线传输，避免了传统有线传输的线路损坏问题以及大量布置时线路杂乱，各种条件下均可采用此螺栓，适用面广，安装简单，稳定性和数据测量有效性强；4、本发明的电容式自感知螺栓其自感应原理，在于外界荷载作用在丝杆上，通过
丝杆将荷载传递到内置的电容式压力元件，引起电容式压力元件内部电流的变化，并将电流的变化情况通过信号传输线传输到内凹形螺帽内部的无线信号系统，无线信号系统将电流变化情况记录并传输到信号采集终端，对螺栓的受力状态进行实时监控，对受力异常的螺栓可立即进行检查或更换，以保证结构的安全性和稳定性，降低因螺栓损坏松动等问题引起的结构破坏；5、本发明的自感知螺栓装置所涉及的零件均可以利用当前加工技术轻易实现，在工厂进行相应的预制后，进行现场组装，加工性能强、连接性强。
附图说明
9.图1为本发明的电容式自感知螺栓的整体图，图2为电容式自感知螺栓的剖面图，图3为内凹形螺帽内部设备安装剖面图，图4为内凹形螺帽内部图，图5为丝杆结构图，图6为电容式压力元件结构示意图，图7为本电容式压力元件内部详图，图8为电容式自感知螺栓检测方法流程图，图9为电容式自感知螺栓的内置电容式压电元件监测螺栓受力变化数据示意图，其中，1：内凹形螺帽，1-1：六棱螺栓，1-2：圆形盖板，1-3：备用电源，1-3a：楔形卡扣，1-4：无线传输系统，1-4a：l形卡扣，1-5：螺帽筒，1-6：帽顶丝孔，1-7：螺帽底板，1-8：卡盘，1-9：圆形孔槽。2：丝杆，2-1：圆柱形孔洞，2-2：套丝段，3：电容式压力元件，3-1：内置电容式压力元件，3-1a：信号输出线，3-1b：玻璃层，3-1c：隔离膜片，3-1d：感应通道，3-1e：测量膜，3-1f：基座，3-1g：金属膜，3-1h，金属保护壳，3-2：十字螺丝。
具体实施方式
10.本发明是一种电容式自感知螺栓及其检测方法，电容式自感知螺栓，包括内凹形螺帽1、丝杆2、电容式压力元件3，在内凹形螺帽1底部开取圆形孔槽1-9贯通至丝杆2的顶部，内凹形螺帽1内由上至下分别为卡盘1-8、无线传输系统1-4、备用电源1-3、圆形盖板1-2及六棱螺栓1-1，在丝杆2底部圆截面中心位置开取贯穿整根丝杆2的圆柱形孔洞2-1，且孔洞不大于丝杆2的直径1/4，并与内凹形螺帽1的圆形孔槽1-9相对应，且圆形孔槽1-9直径不大于圆柱形孔洞2-1的1/2，内置电容式压力元件3-1的形状与大小和圆柱形孔洞2-1相吻合，二者并采用胶结的方式连接，并在圆柱形孔洞2-1底部进行点焊固定，在圆柱形孔洞2-1靠近底部位的套丝段2-2与十字螺丝3-2通过机械连接。
11.以上所述的电容式自感知螺栓，内凹形螺帽1内的无线传输系统1-4底部的l形卡扣1-4a与卡盘1-8的开口相对应，然后旋转固定，备用电源1-3通过底部的楔形卡扣1-3a与无线传输系统1-4上部的卡孔通过按压固定，以确保无线传输系统1-4与备用电源1-3在内凹形螺帽1内部的稳固，防止其撞击内凹形螺帽1内壁造成损坏，圆形盖板1-2与内凹形螺帽1上的帽顶丝孔1-6通过六棱螺栓1-1连接固定。
12.以上所述的电容式自感知螺栓，电容式压力元件3的形状大小和长度与丝杆2的圆柱形孔洞2-1相吻合，二者采用胶结连接并通过圆柱形孔洞2-1底部进行点焊以固定电容式压力元件3-1，最后通过底部十字螺丝3-2固定密封；电容式压力元件3由外层金属保护壳3-1h、基座3-1f、隔离膜片3-1c、测量膜3-1e、玻璃层3-1b、金属膜3-1g、感应通道3-1d、信号输出线3-1a组成。
13.以上所述的电容式自感知螺栓，金属保护壳3-1h对电容式压力元件3进行整体保
护，基座3-1f用于保证内部结构的稳定，保证输出测量值的有效性，隔离膜片3-1c用于隔离金属保护壳3-1h与内部结构并起到传递荷载的作用，金属膜3-1g用于分隔玻璃层3-1b和内部测量单元，玻璃层3-1b用于保护内部测量单元并分隔外部基座3-1f，当外界荷载产生变化时，通过隔离膜片3-1c将力传输到感应通道3-1d，通过感应通道3-1d的压缩或拉伸引起内部电容变化，使得在结构中轴线位置的测量膜3-1e产生偏移，内部电容产生变化引起电流的变化，最后通过信号输出线3-1a将电流的变化情况输出信号，达到监测螺栓受力变化的目的。
14.以上所述的电容式自感知螺栓，由整体的电容式压力元件3与丝杆2的圆柱形孔洞2-1进行机械连接，并通过十字螺丝3-2垫压密封胶圈进行固定密封，电容式压力元件3的信号输出线3-1a通过与丝孔对应的内凹形螺帽1内的圆形孔槽1-9穿出并与无线传输系统1-4连接，备用电源1-3通过楔形卡扣1-3a与无线传输系统1-4固定，最后采用圆形盖板1-2与六棱螺栓1-1对内凹形螺帽1进行密封，保证整体螺栓内部的电容式压力元件3、无线传输系统1-4和备用电源1-3不会因为外界环境中的雨水侵蚀和撞击导致内部损坏。
15.以上所述的电容式自感知螺栓，外界荷载作用于丝杆2时，作用力传递到并作用于内部的电容式压力元件3，其电流变化情况通过信号输出线3-1a传输到无线传输系统1-4，通过备用电源1-3和无线传输系统1-4内置供电元件进行供电支撑，记录数据并将丝杆2上的荷载变化情况发射至采集终端。
16.本发明的的电容式自感知螺栓的检测方法，其步骤为：步骤（1）保证丝杆2底部的密封性及套丝段2-2满足相对应的间隙误差和间隙等级，确定丝杆2的类型、规格、尺寸、材质和热处理过程，以在数据传输后确定相对应的电容冲、放电参数的转换；步骤（2）检查电容式压电元件3-1的信号输出线3-1a与无线传输系统1-4的连接，备用电源1-3通过楔形卡扣1-3a与无线传输系统1-4的连接，楔形卡扣1-3a采用金属传导材质固定和供电，确保内部传输线路与供电的稳定；步骤（3）确定电容式自感知螺栓的丝杆2处于受力状态，打开圆形盖板1-2，将内凹形螺帽1内部的备用电源1-3和无线传输系统1-4开启，最后通过圆形盖板1-2配合六棱螺栓1-1将内凹形螺帽1，在现场通过采集终端监测螺栓信号的稳定性；步骤（4）依据电容式自感知螺栓的材料类型、规格和尺寸、材料密度、弹性模量、泊松比以及电导率等信息，在pc端后台对测量电路信号通过公式计算得到电容输出与压应力的转化，并计算结螺栓结构的受力极限确定结构的预警值，然后调整每根螺栓对应的检测频率并对螺栓进行编号排序；步骤（5）在对电容式自感知螺栓进行检测时，其输出检测信号中信噪比不小于3:1，通过第四步调整好的检测频率，对检测数据实时上传监测服务平台记录存储，依据螺栓的类型设置不同的预警值，对工作中产生的异常信号进行报警，并通知相关检修人员依据螺栓编号，对相应螺栓进行复检更换。
17.下面结合实施例进一步展开本发明的技术内容。如图1、图2所示，电容式自感知螺栓的整体结构图，由内凹形螺帽1、丝杆2、电容式压力元件3组成，其中内凹形螺帽1与丝杆2形成整体结构，电容式压力元件3内置于丝杆2的开取的圆柱形孔洞2-1内。
18.如图3、图4所示，是内凹形螺帽1的内部构造，其中六棱螺栓1-1与圆形盖板1-2用
来对内凹形螺帽1进行密封，减少外界荷载冲击对内部结构的损坏，并且防止雨水侵蚀造成内部结构单元短路，腐蚀；其中无线传输系统1-4通过底部的l形卡扣与螺帽筒1-5底部的卡盘1-8连接固定，圆形孔槽1-9用于下部电容式压力元件3传输线路通过的线孔，备用电源1-3通过底部的楔形卡扣1-3a与无线传输系统1-4顶部的楔形卡空连接固定，且螺帽筒1-5内空隙采用绝缘材料填充，无线传输系统1-4与备用电源1-3表面涂刷绝缘漆，防止短路造成设备损坏。
19.如图6所示，为丝杆2结构图，采用钻孔机在丝杆2上钻取圆柱形孔洞2-1，并在圆柱形孔洞2-1底段进行套丝，套丝段2-2长度不大于总长度的1/6。
20.如图6、图7所示，电容式压力元件3的内部由信号输出线3-1a、玻璃层3-1b、隔离膜片3-1c、感应通道3-1d、测量膜3-1e、基座3-1f、金属膜3-1g、金属保护壳3-1h，电容式压力元件3大小与丝杆2圆柱形孔洞2-1相同，信号输出线3-1a穿过圆柱形孔洞2-1与内凹形螺帽1底部的圆形孔槽1-9与无线传输系统连接，丝杆2底部套丝段2-2采用同等长度的十字螺丝3-2进行固定密封。
21.由图8、图9所示，为检测流程图和丝杆2的受力变化图，首先检查电容式自感知螺栓是否存在损坏，然后依据螺栓的类型确定电容冲、放电参数的转换关系，其次开启内凹形螺帽1内的备用电源1-3与无线传输系统1-4，对监测的螺栓进行编号，通过无线传输系统1-4记录数据并上传至采集终端，最后据螺栓的类型设置预警值，针对异常信号进行报警；图中还提供了外荷载作用丝杆2时，通过内部电容式压电元件3-1检测的信号，通过相应的转换关系得到螺栓的受力变换情况，依据螺栓的类型、材质计算分析设置了预警值。
22.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。