Page 54 - 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
图 9 P 1 P 2 P 3 P 4 到 S 1 的透射图 图 12 工况 3 的透射信号
、 、 、
预紧力矩为 30N · m 。测试得到其在不同松动状
传感路径的透射信号首达波( 见图 10 ),
态下 P 3 -S 1
由图 10 可见, 随着螺栓松动程度加大, 首达波幅值
逐渐减小。根据第 2 节理论分析可知, 这主要是界
面接触刚度下降, 超声波透射系数变小引起的。根
据式( 6 ), 将螺栓 6 最大预紧力矩( 30N · m ) 的透射
信号首达波幅值进行归一化, 得到螺栓松动系数变 图 13 工况 5 的透射信号
化曲线( 见图 11 )。由图 11 可知, 随着螺栓松动程 算得到 不 同 工 况 下 螺 栓 松 动 系 数 的 变 化 曲 线 ( 见
度增加, 界面接触刚度下降, 螺栓松动系数变小。 图 14 )。
图 10 螺栓 6 在不同预紧力矩下的透射信号首达波
图 14 不同工况下螺栓松动系数的变化曲线
从图 14 可 知, 螺 栓 在 相 同 预 紧 力 矩 情 况 下,
超声波透射信号首波幅值随着螺栓松动个数增加
而变小; 螺栓松动个数相同时, 螺栓松动位置对透
射信号也 有 一 定 的 影 响, 能 够 为 螺 栓 松 动 定 位 提
供理论依据。
4 结论
图 11 螺栓松动系数的变化曲线
为了研究螺栓松动个数对超声波透射信号的影 ( 1 )随着 PZT 粒径增大, 压电应变常数、 压电
响, 分别改变螺栓 4 、 螺栓 5 和螺栓 6 的松动状态。 电压 常 数、 介 电 常 数 增 大。 采 用 粒 径 为 160~
松动数目工况设计如表 1 所示( 表中“ * ” 表示该螺 212 μ mPZT 制备 PZT / 环氧树脂复合材料, 其压电
栓松动, 预紧力变化范围为 5~30N · m )。试验测 电压常数达到 117mV · N -1 。
试得到不同螺栓松动状态下的透射信号, 图 12 为工 ( 2 )基于超声波透射信号对法兰螺栓松动界面
况 3 的透射信号, 图 13 为工况 5 的透射信号, 可以 的敏感性, 采用柔性压电复合材料传感器接收单个
看 出首达波幅值随着螺栓松动程度加剧而减小。 计 螺栓不同松动程度及多个数目螺栓松动的超声波透
表 1 松动数目工况设计 射信号。结果表明, 随着单个法兰螺栓松动程度加
工况 剧, 超声波透射信号首达波幅值减小。法兰螺栓在
螺栓
工况 1 工况 2 工况 3 工况 4 工况 5
相同预紧力矩情况下, 超声波透射信号首达波幅值
螺栓 4 - - - * *
随着螺栓松动个数增加而减小, 为法兰螺栓松动定
螺栓 5 - * * * *
螺栓 6 * - * - * 量检测提供了理论依据。
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2022 年 第 44 卷 第 9 期
无损检测
