[发明专利]一种兼具实时监测与主动防松功能的智能螺栓及其系统

说明书

本发明提出一种兼具实时监测与主动防松功能的智能螺栓及其系统，包括螺栓主体、压电作动器、力传感器、径向防松螺母、垫片；压电作动器穿过螺栓主体的螺栓杆并紧贴螺栓体座，在螺栓杆穿过安装孔后，力传感器穿过螺栓杆并紧贴于安装面，最后加装垫片与防松螺母锁死固定。压电作动器与螺帽位于法兰的一侧，力传感器与螺母位于法兰另一侧。压电作动器与力传感器分别连接外接控制电路。外接控制电路包括微处理器，信号放大器，功率放大器。力传感器与信号放大器通过电路连接，将力信号放大后传输至微处理器，微处理器连接功率放大器，功率放大器接收处理信号并连接压电作动器，形成整体闭环系统。

技术领域

本发明属于结构健康监测技术领域，具体涉及一种兼具实时监测与主动防松功能的智能螺栓连接结构及其系统。

背景技术

螺栓连接具有结构简单，安装便利、固定效果好等优势，因此被广泛应用于机械结构中。目前航空发动机中存在大量薄壁、柱壳结构(如毂筒、机匣等)，多采用螺栓法兰连接。由于航空发动机工作于恶劣环境且需要持续提供大推力，内部常受到较强的冲击载荷、机械载荷等，使得结构振动问题突出。这种振动会导致螺栓预紧力的松弛乃至连接结构疲劳失效，严重影响发动机的可靠性。已有研究表明，只要有足够长时间的横向振动，任何具有防松功能的先进螺栓结构仍旧会发生磨损、松弛、疲劳等现象，这也使得螺栓连接结构失效成为航空飞行器故障的主要原因之一。因此，普通螺栓连接结构已不能满足航空发动机高可靠性的要求，需要一种能够自动调节并维持刚度的智能螺栓连接结构。

智能螺栓一般是指具有监测螺栓预紧力变化功能的螺栓。预紧力值是判断螺栓连接是否发生松动、断裂或超载的标志。目前已有的智能螺栓主要通过在螺杆内部埋入诸如应变片、光纤光栅、温敏压敏等不同类型的传感器，组合成新型结构，实现对螺栓预紧力的监测。这类智能螺栓结构虽然可以监测螺栓预紧力，但在机械工作过程中出现了预紧力过小或超载的情况时，无法实现自动调节；此外，这种在内部嵌入传感器的设计方式也会降低螺栓本身的强度，易造成螺栓连接失效。

综上所述，一种既具有高可靠性，能够同时健康监测并主动调节、维持预紧力的智能螺栓系统是诸如航空发动机等动力机械系统所亟需的。

发明内容

本发明的目的在于增强螺栓连接的可靠性，提供一种能够实时监测螺栓预紧力并在发生松弛或过载时实现自动调节、保持连接紧固效果的智能螺栓及其系统。

本发明所采用的技术方案是：一种智能螺栓连接结构及其系统，包括压电智能螺栓与外接控制系统两个部分。

所述的压电智能螺栓包括螺栓主体，压电作动器，力传感器，径向防松螺母，垫片；其特征在于：压电作动器穿过螺栓主体的螺栓杆并紧贴螺栓体座，在螺栓杆穿过安装孔后，力传感器穿过螺栓杆并紧贴于安装面，最后加装垫片与防松螺母锁死固定。压电作动器与螺帽位于法兰的一侧，力传感器与螺母位于法兰另一侧。压电作动器与力传感器分别连接外接控制电路。

所述的外接控制电路包括微处理器，信号放大器，功率放大器。其特征在于：上述的力传感器与信号放大器通过电路连接，将力信号放大后传输至微处理器，微处理器连接功率放大器，功率放大器接收处理信号并连接压电作动器，形成整体闭环系统。微处理器，信号放大器与功率放大器可根据具体情况安装于机械设备的机箱内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)实现了对机械设备中螺栓连接预紧力的实时监测。

(2)实现了螺栓预紧力的主动控制。当螺栓连接因机体振动而发生松动导致预紧力衰退时，可以通过压电智能螺栓增加预紧力；当螺栓连接的预紧力过载时，可以通过压电智能螺栓适当降低预紧力。

(3)未改变螺栓本身结构与材料属性，保证了螺栓自身的强度。

(4)零件的拆装与更换方便，可操作性强。

附图说明

图1是本发明所述智能螺栓连接结构安装在机体上的示意图。