[發明專利]一種法蘭螺栓拉力和工作載荷在線監測方法

有效

• 申請號: 202011176227.3
• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112161731B
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發明（設計）人: 翟慧英;蔡云龍;張玥;劉雄飛
• 申請（專利權）人: 陜西中科啟航科技有限公司
• 主分類號: G01L1/00
• 分類號: G01L1/00;G01B7/02;G01B7/24
• 代理公司: 武漢誠儒知識產權代理事務所(普通合伙) 42265
• 代理人: 劉天鈺

1.一種法蘭螺栓拉力和工作載荷在線監測方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)將高精度位移傳感器均勻安裝在法蘭連接處的內圓周或外圓周上，且將高精度位移傳感器中相互分離的限位塊和傳感器本體分別固定于兩個相互連接的法蘭盤上；

(2)當法蘭受到外部載荷作用，或者當連接螺栓發生松動、斷裂等異常狀況時，上法蘭和下法蘭軸向相對位移發生變化，此時安裝于一對法蘭上的高精度位移傳感器的限位塊和傳感器本體之間發生相對位移，進而高精密磁鐵在高精度電磁感應芯片表面上發生滑動，高精度電磁感應芯片周圍的磁場發生線性變化，高精度電磁感應芯片捕捉磁場的變化，并將電磁感應信號傳輸至單片機；溫度傳感芯片采集環境溫度數據，并將環境溫度數據傳輸至單片機；同時振動傳感芯片采樣外界的振動訊號，然后內部轉化為電平信號傳給單片機；

(3)單片機將接收到的電磁感應信號進行數據轉換為位移數據，將接收到的電平信號進行數據轉換為振動數據，然后基于環境溫度數據和振動數據對位移數據進行修正處理，獲得修正后的位移數據；

(4)利用修正后的位移數據計算螺栓拉力和螺栓連接處的外部載荷，并進一步計算獲得作用在法蘭上的總工作載荷；通過以下過程計算螺栓拉力和螺栓連接處的外部載荷：

(s1)設螺栓初始預緊力為F0，對法蘭所有螺栓施加預緊力F0后，在無工作載荷作用時，高精度位移傳感器兩測量點間距為L1，從上墊片外緣至下墊片外緣的距離即裝夾厚度為L2，螺栓剛度為C1，螺栓連接處墊片與連接件整體的剛度為C2，連接件包括上法蘭和下法蘭；

(s2)在預緊力F0作用下，螺栓連接處墊片與連接件整體被壓縮量為F0/C2，當高精度位移傳感器的兩測量點所測法蘭軸向相對位移為向法蘭外側增加△L，則螺栓連接處受到拉伸性外載荷作用，根據以下情況計算螺栓拉力和螺栓外部載荷：

(a)當△L≤L1/L2×F0/C2，通過以下公式計算螺栓拉力F1和螺栓外部載荷F2：

F1＝F0+△F1

F2＝△F1+△F2

其中，△F1表示螺栓拉力增加值，△F2表示連接處墊片與連接件整體的壓緊力減小值，通過以下公式計算：

△F1＝k1×L2/L1×△L×C1

△F2＝k1×L2/L1×△L×C2

其中k1表示高精度位移傳感器的兩測量點所測法蘭軸向相對位移增加△L時，螺栓長度與L2/L1×△L所成的比例系數；

(b)△L＞L1/L2×F0/C2，通過以下公式計算螺栓拉力F1和螺栓外部載荷F2：

F1＝F0+△F1

F2＝△F1+△F2

其中，螺栓外部載荷△F2＝F0，螺栓拉力增加值△F1通過以下公式計算：

△F1＝k2×(△L-L1/L2×F0/C2+F0/C2)×C1

其中k2表示螺栓長度增加值與上墊片與下墊片外緣間距增加值的比例系數；

當傳感器兩測量點所測法蘭軸向相對位移為向法蘭內側減少△L，則墊片與連接件整體受到壓緊性外載荷作用，通過以下公式計算螺栓拉力F1和螺栓外部載荷F2：

F1＝F0+△F1

F2＝△F1+△F2

其中，△F1表示螺栓拉力增加值，△F2表示連接處墊片與連接件整體的壓緊力減小值，通過以下公式計算：

△F1＝k3×L2/L1×(-△L)×C1

△F2＝k3×L2/L1×(-△L)×C2

其中k3表示高精度位移傳感器的兩測量點所測法蘭軸向相對位移減小△L時，螺栓長度與L2/L1×△L所成的比例系數；

(s3)根據各個螺栓連接處的外部載荷計算作用在法蘭上的總工作載荷；

(5)將計算得到的螺栓拉力和法蘭上的總工作載荷分別與設置的閾值進行比對，當超過閾值時進行預警。

2.根據權利要求1所述的法蘭螺栓拉力和工作載荷在線監測方法，其特征在于：高精度位移傳感器包括殼體、PCB組件、導桿、滑動基體和高精密磁鐵，導桿和PCB組件固定于殼體內，滑動基體的內端套在導桿上并能夠沿導桿滑動，滑動基體的外端由殼體內伸出，滑動基體的外端設置有磁體并通過磁力吸附固定于限位塊上，高精密磁鐵固定于滑動基體上并隨滑動基體同步移動；所述高精度電磁感應芯片、單片機、溫度傳感芯片和振動傳感芯片均設置于PCB組件中。

3.根據權利要求1所述的法蘭螺栓拉力和工作載荷在線監測方法，其特征在于：步驟(1)中，各高精度位移傳感器通過CAN通訊、485通訊或以太網與數據采集儀或邊緣計算網關相連接。