[发明专利]一种具有防松功能的监测螺栓紧固状态的智能垫圈及监测方法

说明书

一种具有防松功能的监测螺栓紧固状态的智能垫圈及监测方法，智能垫圈包括金属上片、绝缘片、监测片、超弹性片及金属下片，其中，金属上、下片不仅承载防划伤，还起密封保护作用，绝缘片和超弹性片均由绝缘材料制成，使监测电路与金属上、下片互不导通。根据不同拧紧力矩的要求，本发明通过调整内部监测片和超弹性片的结构和材料参数，利用超弹性片良好的弹性回复能力控制监测片的金属触头在螺栓预紧力变化时与金属下片相接触或分离，实现内部监测电路的通断状态变化，从而表征螺栓的连接状态。相较于光栅式、压电传感式或电阻应变片式智能紧固件，本发明成本低廉，可靠性高，不仅具有防松功能，还可有效监测螺栓紧固状态以防止连接失效。

技术领域

本发明属于紧固件连接状态监测技术领域，特别涉及一种具有防松功能的监测螺栓紧固状态的智能垫圈及监测方法。

背景技术

螺栓作为工业现场中最为常用的紧固件，普遍应用于航空航天、船舶轮机、桥梁建设、化工设备、新能源等领域的关键设备中。由于结构简单、标准统一、可靠性高、便于装配和检修，螺栓连接成为当前主要的连接方式。螺栓连接在变载荷、振动和冲击作用下，或工作温度变化很大时，可能导致连接部位应力松弛和局部变形，进而导致连接松动，引起螺栓预紧力减小甚至丧失，从而造成被连接件发生故障。据统计，每年因螺栓紧固失效导致的直接经济损失达到数十亿元以上，因此对关键节点的螺栓进行实时监测相当重要。

目前螺栓失效的监测方法主要分为如下几种：基于视觉识别的图像检测法，其通过监测螺母角度、螺栓变形等几何特征以判断螺栓是否松动，此方法一般来说精度低，可靠性差，受外部环境局限较大故而应用不多；基于应变式、光纤式的振动传感器法，通过探测、分析螺栓受激振后产生的弹性波来判断螺栓松动，其缺点在于需对每个螺栓分别施加外部激振，且产生的弹性波信号差异较大，需对其单独分析，通用性差，加之其高昂成本，较难以广泛运用；基于压电式、应变式的压力传感器法，通过压力传感器直接探测螺栓预紧力，以此判断螺栓是否松动，此法安装复杂，成本较高，且易受外部环境干扰故而应用受限。因此，针对螺栓连接状态的智能化监测迟迟无法大规模推广。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有防松功能的监测螺栓紧固状态的智能垫圈及监测方法，根据不同拧紧力矩的要求，通过调整内部监测片和超弹性片的结构和材料参数，利用超弹性片良好的弹性回复能力控制监测片的金属触头在螺栓预紧力变化时与金属下片相接触或分离，实现内部监测电路的通断状态变化，从而表征螺栓的连接状态。同时，带有超弹性片的智能垫圈在受压时会产生一个持续的弹性回复力，使螺母与螺栓的螺纹连接副保持摩擦力，产生一定的阻力矩，防止螺栓松动。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种具有防松功能的监测螺栓紧固状态的智能垫圈，包括依次叠放的均带有中孔的金属上片、绝缘片、监测片、超弹性片和金属下片，其中所述中孔供螺栓穿过，监测片的底面外边沿设置有环形的限位凸台，监测片的底面设置有若干长度不完全相同的金属触头，超弹性片上预留有与金属触头一一对应匹配的若干贯通的导向孔位，所述金属触头和金属下片分别通过导线连接至监测模块构成监测电路，各所述金属触头的长度满足如下要求：在螺栓连接正常即保持有规定的拧紧力矩时，至少有一个金属触头穿过导向孔位与金属下片接触，并至少有一个金属触头与金属下片不接触；且在螺栓连接松动即螺栓连接尚未完全失效但其预紧力低于要求阈值时，至少有一个金属触头与金属下片的接触状态发生变化。

所述金属上片的底面和金属下片的顶面分别开有环形内槽，金属上片和金属下片沿环形内槽槽口相对扣合形成一个整体的环形腔体，绝缘片放置于金属上片的底面，超弹性片放置于金属下片的顶面，监测片的底面与超弹性片相接触，绝缘片和超弹性片均由绝缘材料制成，使监测电路与金属上片、金属下片互不导通。

所述绝缘片和超弹性片均为环形片。

所述限位凸台高度小于金属触头，以保证金属触头受压力作用在金属下片表面的形变控制在一定范围内，防止金属触头因预紧力过大失效。