[发明专利]一种法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法

权利要求书

1.一种法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将高精度位移传感器均匀安装在法兰连接处的内圆周或外圆周上，且将高精度位移传感器中相互分离的限位块和传感器本体分别固定于两个相互连接的法兰盘上；

(2)当法兰受到外部载荷作用，或者当连接螺栓发生松动、断裂等异常状况时，上法兰和下法兰轴向相对位移发生变化，此时安装于一对法兰上的高精度位移传感器的限位块和传感器本体之间发生相对位移，进而高精密磁铁在高精度电磁感应芯片表面上发生滑动，高精度电磁感应芯片周围的磁场发生线性变化，高精度电磁感应芯片捕捉磁场的变化，并将电磁感应信号传输至单片机；温度传感芯片采集环境温度数据，并将环境温度数据传输至单片机；同时振动传感芯片采样外界的振动讯号，然后内部转化为电平信号传给单片机；

(3)单片机将接收到的电磁感应信号进行数据转换为位移数据，将接收到的电平信号进行数据转换为振动数据，然后基于环境温度数据和振动数据对位移数据进行修正处理，获得修正后的位移数据；

(4)利用修正后的位移数据计算螺栓拉力和螺栓连接处的外部载荷，并进一步计算获得作用在法兰上的总工作载荷；通过以下过程计算螺栓拉力和螺栓连接处的外部载荷：

(s1)设螺栓初始预紧力为F0，对法兰所有螺栓施加预紧力F0后，在无工作载荷作用时，高精度位移传感器两测量点间距为L1，从上垫片外缘至下垫片外缘的距离即装夹厚度为L2，螺栓刚度为C1，螺栓连接处垫片与连接件整体的刚度为C2，连接件包括上法兰和下法兰；

(s2)在预紧力F0作用下，螺栓连接处垫片与连接件整体被压缩量为F0/C2，当高精度位移传感器的两测量点所测法兰轴向相对位移为向法兰外侧增加△L，则螺栓连接处受到拉伸性外载荷作用，根据以下情况计算螺栓拉力和螺栓外部载荷：

(a)当△L≤L1/L2×F0/C2，通过以下公式计算螺栓拉力F1和螺栓外部载荷F2：

F1＝F0+△F1

F2＝△F1+△F2

其中，△F1表示螺栓拉力增加值，△F2表示连接处垫片与连接件整体的压紧力减小值，通过以下公式计算：

△F1＝k1×L2/L1×△L×C1

△F2＝k1×L2/L1×△L×C2

其中k1表示高精度位移传感器的两测量点所测法兰轴向相对位移增加△L时，螺栓长度与L2/L1×△L所成的比例系数；

(b)△L＞L1/L2×F0/C2，通过以下公式计算螺栓拉力F1和螺栓外部载荷F2：

F1＝F0+△F1

F2＝△F1+△F2

其中，螺栓外部载荷△F2＝F0，螺栓拉力增加值△F1通过以下公式计算：

△F1＝k2×(△L-L1/L2×F0/C2+F0/C2)×C1

其中k2表示螺栓长度增加值与上垫片与下垫片外缘间距增加值的比例系数；

当传感器两测量点所测法兰轴向相对位移为向法兰内侧减少△L，则垫片与连接件整体受到压紧性外载荷作用，通过以下公式计算螺栓拉力F1和螺栓外部载荷F2：

F1＝F0+△F1

F2＝△F1+△F2

其中，△F1表示螺栓拉力增加值，△F2表示连接处垫片与连接件整体的压紧力减小值，通过以下公式计算：

△F1＝k3×L2/L1×(-△L)×C1

△F2＝k3×L2/L1×(-△L)×C2

其中k3表示高精度位移传感器的两测量点所测法兰轴向相对位移减小△L时，螺栓长度与L2/L1×△L所成的比例系数；

(s3)根据各个螺栓连接处的外部载荷计算作用在法兰上的总工作载荷；

(5)将计算得到的螺栓拉力和法兰上的总工作载荷分别与设置的阈值进行比对，当超过阈值时进行预警。

2.根据权利要求1所述的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，其特征在于：高精度位移传感器包括壳体、PCB组件、导杆、滑动基体和高精密磁铁，导杆和PCB组件固定于壳体内，滑动基体的内端套在导杆上并能够沿导杆滑动，滑动基体的外端由壳体内伸出，滑动基体的外端设置有磁体并通过磁力吸附固定于限位块上，高精密磁铁固定于滑动基体上并随滑动基体同步移动；所述高精度电磁感应芯片、单片机、温度传感芯片和振动传感芯片均设置于PCB组件中。

3.根据权利要求1所述的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，其特征在于：步骤(1)中，各高精度位移传感器通过CAN通讯、485通讯或以太网与数据采集仪或边缘计算网关相连接。