基于柔性压电材料传感器的法兰螺栓松动检测

沈意平，翁 晶，刘 翊，蒋 帅,4，阳雪兵

(1.湖南科技大学 机械设备健康维护湖南省重点实验室，湘潭 411201；
2.中车株洲电力机车有限公司，株洲 412001；
3. 哈电风能有限公司，湘潭 411104；
4. 湖南铁道职业技术学院 智能制造学院，株洲 412001)

法兰螺栓连接是风电机组分段塔筒的连接方式，在随机风载作用下塔筒振动容易导致螺栓松动，进而影响整机运行的可靠性和安全性，甚至引发风电机组倒塌事故[1-2]。目前螺栓松动检测方法主要有振动法、机电阻抗法和超声波法[3]。传统的振动法中，风电塔筒固有频率等振动特性对法兰螺栓松动并不敏感，检测灵敏度较差。阻抗法需要采用体积大且昂贵的机电阻抗测量仪器，不适用于野外服役环境。超声波法利用螺栓松动界面对结构中超声波传播特性的影响进行松动检测，具有灵敏度高、检测范围大等优点，已被应用于螺栓连接结构的松动检测[4-5]。

WANG[6]将PZT(锆钛酸铅)压电片布置在螺栓连接板结构的表面，提出利用超声导波幅值作为拧紧指标对单个螺栓的预紧力进行监测。ZAGRAI等提出通过测量穿过螺栓连接处的导波相位延迟来估计螺栓扭矩，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接的两段筒壁表面，采用透射信号的均方根偏差作为螺栓松动指标，研究了螺栓松动时均方根偏差的变化规律。以上研究均为法兰螺栓松动识别提供了理论依据。现有研究通常采用PZT压电片作为传感器，往往仅聚焦单个螺栓松动程度的检测，而低频重载的风电塔筒法兰结构复杂，极限应力/应变大，螺栓分布数目多，给螺栓松动检测所需的传感器与检测方法带来了新的挑战。

PZT压电片质地硬脆、易碎、极限应变非常小，不能满足风电塔筒野外恶劣服役环境及法兰结构螺栓松动检测的要求。0-3型压电复合材料将不连续的PZT颗粒分散于三维连通的聚合物中，具有制备简单、柔性好、应变大、压电性能优良等优点。ZHANG[8]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。如龚红宇等[13]探索了不同粒径范围PZT对PZT/水泥复合材料压电和力学性能的影响，结果表明，随着PZT粒径增大，复合材料压电常数与介电常数均增大，但其稳定性变差，弯曲强度降低。ABOUBAKR[14]根据极化效率来确定PZT/PU复合材料的PZT粒径大小，也发现采用大尺寸PZT粒径有利于提高复合材料压电和介电性能。

文章将进一步研究PZT粒径对PZT/环氧树脂复合材料压电和介电性能的影响，制备传感性能良好的柔性压电复合材料；
将该复合材料粘贴于法兰结构表面，作为超声波接收传感器，通过改变单个或多个螺栓的预紧力矩，研究法兰结构中螺栓松动程度和松动数目对超声波透射信号的影响，从而为法兰螺栓松动定量检测提供理论依据。

采用固相法制备PZT/环氧树脂复合材料，原材料PZT粉体由烟台兴陶电子科技有限公司提供，环氧树脂由奥斯邦有限公司提供。将PZT粉体与无水乙醇混合后放入电阻炉中烧结，烧结温度为1 150 ℃，烧结时间为2 h。烧结后的PZT块体采用球磨机研磨成粉，通过标准筛进行筛分，以得到不同粒径区间的PZT粉体。采用的标准筛目数为150～170目，130～150目，110～130目，90～110目，70～90目。筛分得到PZT粒径区间为90～106 μm，106～113 μm，113～123 μm，123～160 μm，160～212 μm，不同粒径区间的PZT粉体如图1所示，分别以编号I、II、III、IV、V表示。

图1 不同粒径区间的PZT粉体

将PZT粉体与环氧树脂按7…1的质量比混合，搅拌均匀后涂抹于成型模具中，常温固化后所制成的复合材料如图2所示，其直径为25 mm，厚度为1 mm。

PZT/环氧树脂复合材料采用油浴极化，极化电压为3 kV/mm，极化时间为20 min，极化温度为100 ℃[12]。压电电压常数g33能够表征压电复合材料的传感性能，直接关系到传感透射电压的灵敏度，其表达式为

g33=d33/εrε0

(1)

式中：d33和εr分别为压电复合材料的压电应变常数和介电常数；
εo为真空介电常数。

图2 PZT/环氧树脂复合材料

采用ZJ-6A型准静态测量仪测试压电应变常数d33，采用TH-2838型精密阻抗仪测试复合材料的介电常数εr与介电损耗tanδ。PZT粒径与PZT/环氧树脂压电复合材料压电应变常数和介电性能的关系如图3和图4所示，根据式(1)计算得到的压电电压常数如图5所示。从图3～5可以得出以下结论。

图3 PZT粒径与复合材料d33的关系

图4 PZT粒径与复合材料εr和tan δ的关系

图5 PZT粒径与复合材料g33的关系

(1) 随着PZT粒径增大，PZT/环氧树脂复合材料的压电应变常数d33增大，采用V号PZT粒径制备的复合材料d33达到80 pC·N-1。这是由于PZT粒径增大，部分PZT颗粒接触概率增大，形成局部电场导通，能够提升PZT相的极化效果。压电复合材料极化后压电应变常数d33略有增大，1 d后保持较好的稳定性。

(2) 随着PZT粒径增大，压电复合材料的介电常数εr增大，介电损耗tanδ增加，采用V号PZT粒径制备的复合材料介电常数εr达到65。这是由于PZT粒径增大，PZT颗粒表面积与体积之比减小，其表面介电常数低于颗粒内部的介电常数，复合材料的介电常数增大。随着PZT粒径增大，复合材料气孔增多，介电损耗增加。

(3) 随着PZT粒径增大，压电电压常数g33增大。这是由于PZT粒径增大，压电复合材料的压电应变常数d33与介电常数εr都增大，且d33的增长率大于εr增长率，两者共同作用使得g33增大。

根据PZT粒径与PZT/环氧树脂复合材料压电电压常数g33的关系，选择Ⅴ号PZT粒径来制备压电复合材料。所制成的柔性压电材料g33达到117 mV·N-1，能够更为灵敏地接收到法兰结构中的超声波信号。

风电塔筒采用均布多个螺栓的法兰连接结构，超声波在法兰结构中传播时，在上下法兰连接界面处产生透射和反射波。随着螺栓连接松动程度的变化，界面接触状态将发生变化，导致超声波在界面处的透射和反射特性发生改变。超声波法的检测原理为：利用螺栓松动造成的法兰界面超声波透射信号变化来表征螺栓松动程度。

取单个螺栓连接法兰结构为例(见图6)，上下法兰界面间接触压力p与螺栓预紧力矩T的关系为

(2)

式中：λ为预紧力矩系数，一般取为0.2；
d为螺栓公称直径。

图6 法兰结构示意(单个螺栓)

随着螺栓产生松动，法兰界面接触压力将发生改变，界面刚度也随之发生变化。BIWA等[15]通过大量试验建立了界面刚度K与压力的关系，其表达式为

K=Cpm

(3)

式中：C和m为常数，由试验测试所得。

焦敬品等[16]推导了纵波垂直入射界面时透射系数S与界面刚度K的关系式，得到

(4)

式中：ρ为材料密度；
c为纵波波速；
ω为频率。

类似地，法兰结构中超声波在界面处的透射系数Sf也将正比于界面刚度K，其表达式可写为

(5)

式中：B为常数，与激励点和传感点间超声波传感路径上的界面刚度相关；
cs为超声波波速；
ωs为频率。

法兰结构中有多个螺栓连接，界面接触压力为n个螺栓施加预紧力矩产生界面压力的总和。由式(2)～(5)知，随着螺栓松动程度和松动个数的变化，法兰界面接触压力和接触刚度将发生变化，使得超声波穿过法兰螺栓界面的透射系数发生改变。提取超声波透射信号首达波幅值来表征螺栓松动情况，通过试验研究螺栓不同松动程度和松动个数下声波透射特性的变化情况。定义法兰螺栓松动系数为

(6)

式中：At为螺栓设定的最大预紧力矩下任意传感路径的超声波透射信号首达波幅值；
A0为螺栓不同松动程度和松动个数下该传感路径的首达波幅值。

采用的法兰螺栓连接结构，其上下法兰为10个M12(螺纹外径为12 mm)螺栓连接成一体，外径为134.25 mm，内径为84.25 mm，上法兰结构厚度为10 mm，下法兰结构厚度为14 mm。在PZT/环氧树脂复合材料上下表面涂刷导电银胶制作电极，并引出导线，作为超声波传感器。激励压电片来自Piezo公司，直径为12.7 mm，厚度为0.1 mm。激励信号采用汉宁窗调制的五周期正弦窄带信号，激励中心频率为70 kHz，经功率放大器ATA-66210驱动压电片。柔性压电传感器接收超声波信号，经过PXPA3前置放大器，利用NI USB-6366数据采集卡进行超声波采集，试验设备如图7所示。试验过程中设定的螺栓最大预紧力矩为30 N·m，预紧力矩变化范围为5～30 N·m(以5 N·m递增)。

图7 法兰螺栓松动检测试验设备

柔性压电传感器S1布置在上法兰结构螺栓6和螺栓7之间，6个激励压电片P1～P6均匀布置在下法兰结构螺栓1～螺栓7之间(见图8)。

图8 法兰螺栓松动检测试验激励器布置示意

依次激励P1～P6压电片，柔性压电传感器S1接收超声波信号，接收的超声波信号经过低频滤波后，得到P1- S1、P2- S1、P3- S1、P4- S1、P5- S1和P6- S1等6条传感路径的信号。采集的超声波信号存在电信号，P1- S1、P2- S1、P3- S1传感路径的首达波具有较好的时域分辨率，通过匹配追踪法得到其到达时间[17]，计算得到波速为3 321 m/s。P4- S1、P5- S1和P6- S1传感路径的首达波与电信号存在混叠(见图9)。为了避开电信号干扰，以P3为激励点，开展P3- S1传感路径上螺栓4、螺栓5和螺栓6松动状态对法兰结构中超声波透射特性的影响研究。

图9 P1、P2、P3、P4到S1的透射图

首先开展单个螺栓松动检测试验，采用力矩扳手控制螺栓6的预紧力矩，依次增加5 N·m，最大预紧力矩为30 N·m。测试得到其在不同松动状态下P3-S1传感路径的透射信号首达波(见图10)，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(30 N·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化曲线(见图11)。由图11可知，随着螺栓松动程度增加，界面接触刚度下降，螺栓松动系数变小。

图10 螺栓6在不同预紧力矩下的透射信号首达波

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响，分别改变螺栓4、螺栓5和螺栓6的松动状态。松动数目工况设计如表1所示(表中“*”表示该螺栓松动，预紧力变化范围为5～30 N·m)。试验测试得到不同螺栓松动状态下的透射信号，图12为工况3的透射信号，图13为工况5的透射信号，可以看出首达波幅值随着螺栓松动程度加剧而减小。计算得到不同工况下螺栓松动系数的变化曲线(见图14)。

表1 松动数目工况设计

图12 工况3的透射信号

图13 工况5的透射信号

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。

(1) 随着PZT粒径增大，压电应变常数、压电电压常数、介电常数增大。采用粒径为160～212 μm PZT制备PZT/环氧树脂复合材料，其压电电压常数达到117 mV·N-1。

(2) 基于超声波透射信号对法兰螺栓松动界面的敏感性，采用柔性压电复合材料传感器接收单个螺栓不同松动程度及多个数目螺栓松动的超声波透射信号。结果表明，随着单个法兰螺栓松动程度加剧，超声波透射信号首达波幅值减小。法兰螺栓在相同预紧力矩情况下，超声波透射信号首达波幅值随着螺栓松动个数增加而减小，为法兰螺栓松动定量检测提供了理论依据。

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