Page 51 - 无损检测2022年第九期
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沈意平,等:
   基于柔性压电材料传感器的法兰螺栓松动检测

   动并不敏感, 检测灵敏度较差。阻抗法需要采用体                           据极化效率来确定 PZT / PU 复合材料的 PZT 粒径
   积大且昂贵的机电阻抗测量仪器, 不适用于野外服                           大小, 也发现采用大尺寸 PZT 粒径有利于提高复合
   役环境。超声波法利用螺栓松动界面对结构中超声                            材料压电和介电性能。
   波传播特性的影响进行松动检测, 具有灵敏度高、 检                              文章将进一步研究 PZT 粒径对 PZT / 环氧树脂
   测范围大等优点, 已被应用于螺栓连接结构的松动                           复合材料压电和介电性能的影响, 制备传感性能良
   检测  [ 4-5 ] 。                                     好的柔性压电复合材料; 将该复合材料粘贴于法兰
              [ 6 ]
       WANG 将 PZT ( 锆钛酸铅) 压电片布置在螺                    结构表面, 作为超声波接收传感器, 通过改变单个或
   栓连接板结构的表面, 提出利用超声导波幅值作为                           多个螺栓的预紧力矩, 研究法兰结构中螺栓松动程
   拧紧指标对单个螺栓的预紧力进行监测。 ZAGRAI                         度和松动数目对超声波透射信号的影响, 从而为法
   等提出通过测量穿过螺栓连接处的导波相位延迟来                            兰螺栓松动定量检测提供理论依据。
   估计螺栓扭矩, 研究表明螺栓扭矩与导波信号的相
   移成正比。杜飞等         [ 7 ] 将 PZT 压电片粘贴在法兰连            1 PZT / 环氧树脂复合材料制备
   接的两段筒壁表面, 采用透射信号的均方根偏差作                              采用固相法制备 PZT / 环氧树脂复合材料, 原
   为螺栓松动指标, 研究了螺栓松动时均方根偏差的                           材料 PZT 粉体由烟台兴陶电子科技有限公司提供,
   变化规律。以上研究均为法兰螺栓松动识别提供了                            环氧树脂由奥斯邦有限公司提供。将 PZT 粉体与
   理论依据。现有研究通常采用 PZT 压电片作为传                          无水乙醇混合后放入电阻炉中烧结, 烧结温度为 1

   感器, 往往仅聚焦单个螺栓松动程度的检测, 而低频                         150 ℃ , 烧结时间为 2h 。烧结后的 PZT 块体采用

   重载的风电塔筒法兰结构复杂, 极限应力 / 应变大,                        球磨机研磨成粉, 通过标准筛进行筛分, 以得到不同
   螺栓分布数目多, 给螺栓松动检测所需的传感器与                           粒径 区 间 的 PZT 粉 体。 采 用 的 标 准 筛 目 数 为
   检测方法带来了新的挑战。                                      150~170 目, 130~150 目, 110~130 目, 90~
       PZT 压电片质地硬脆、 易碎、 极限应变非常小,                     110 目, 70~90 目。 筛 分 得 到 PZT 粒 径 区 间 为



   不能满足风电塔筒野外恶劣服役环境及法兰结构螺                            90~106 μ m , 106~113 μ m , 113~123 μ m , 123~


   栓松动检测的要求。 0-3 型压电复合材料将不连续                         160 μ m , 160~212 μ m , 不同粒径区间的 PZT 粉体
   的 PZT 颗粒分散于三维连通的聚合物中, 具有制备                        如图 1 所示, 分别以编号I 、 II 、 III 、 IV 、 V 表示。
   简单、 柔 性 好、 应 变 大、 压 电 性 能 优 良 等 优 点。
           [ 8 ]
   ZHANG 较早地将 PZT / 环氧树脂复合材料用于
   振动和声传感器中接收薄板振动和声发射信号。杨
   照光等   [ 9 ] 基于 0-3 型 PZT / PVDF ( 偏聚氟乙烯) 压
   电复合薄膜研制声发射传感器并进行了断铅试验。
   KANG 等   [ 10 ] 将制备的 PNN-PZT / 环氧树脂复合材
   料( PNN 为铌镍酸铅) 应用于风电叶片, 以进行鸟撞
   声发射信号检测。项目组前期研究了 PZT / 环氧树
   脂复合材料性能的影响因素, 并探讨其对于曲面板
   和钢轨等结构超声导波传感的适用性和有效性。研
   究表明其具有良好的线性灵敏度和环境适应性                     [ 11-12 ] 。
       现有 PZT / 聚合物复合材料研究较多地关注两
   相材料类型及其质量比、 极化参数等因素对压电复
   合材料性能的影响。特别地, PZT 粒径大小也是影
   响压电复合材料传感性能的重要因素。如 龚红宇                                       图 1  不同粒径区间的 PZT 粉体
   等  [ 13 ] 探索了不同粒径范围 PZT 对 PZT / 水泥复合                   将 PZT 粉体与环氧树脂按 7∶1 的质量比混合,
   材料压电和力学性能的影响, 结果表明, 随着 PZT                        搅拌均匀后涂抹于成型模具中, 常温固化后所制成
   粒径增大, 复合材料压电常数与介电常数均增大, 但                         的 复 合 材 料 如 图 2 所 示, 其 直 径 为 25 mm , 厚 度

                                            [ 14 ]
   其稳定性变差, 弯曲强度降低。 ABOUBAKR                    根     为 1mm 。
                                                                                                7
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                                                                                      无损检测
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