基于超声波和位移传感器的风电机组螺栓监测系统设计

近些年,随着国家能源战略的调整,风能已经成为一种非常重要的清洁能源。全国各地都在建风场,利用风能发电,但随着风场和风力发电机数量的增加,风机事故也频频发生,其中最严重的就是风机倒塌事故,究其主要原因:风电机组在长期的风力负荷下,风机上的螺栓容易松动导致其预紧力消减,螺栓断裂,若发现不及时可致风机倒塌,发生严重的安全事故。针对螺栓断裂引起的倒塌事故,提出一种基于超声波位移传感器的风电机组螺栓监测系统,该系统通过实时采集器采集螺栓上的超声波和位移传感器数据,并将该数据经过算法处理后实现对螺栓预紧力和螺栓横向偏转位移的实时测量,通过设立阈值实现对风机螺栓的实时监测,并提供预警和告警。此举对于保障风电机组的安全运行以及风电企业人身和财产安全起到了非常重要的作用。

螺栓连接可靠性的影响因素分析

随着科学技术的进步,机械设备自动化程度越来越高,功能越来越强,负载越来越大,结构越来越复杂,但大量零部件仍然依靠螺栓连接在一起,螺栓连接的可靠性直接关系到设备运行的可靠性和寿命。目前国内大部分行业还没有真正认识到螺栓连接的可靠性的重要性,对螺栓预紧、防松还停留在较为粗暴原始的阶段。从螺栓失效形式和紧固方式两个方面,分析影响螺栓连接可靠性的因素。

水泵水轮机顶盖螺栓强度特性研究

顶盖连接螺栓是水泵水轮机最重要的螺栓连接之一,若是发生疲劳断裂可能会导致水淹厂房的严重事故。本文以某水泵水轮机双法兰顶盖-顶盖螺栓-座环多体系统为研究对象,基于流固耦合算法将转轮上冠间隙腔内压力映射到顶盖过流面上,定量分析了顶盖轴向水推力和预紧力对联接螺栓强度特性的影响。发现由于双法兰刚度不均导致螺柱承受较大的弯曲应力;顶盖圆周方向刚度不均导致96个螺柱承受的总拉力、工作载荷、螺柱的夹紧力和相对刚度沿圆周方向周期性变化,且其变化幅度较大。随着顶盖轴向水推力的增大,各个螺柱的相对刚度基本不变;随着预紧力的增加,各个螺柱的相对刚度减小,且预紧力越大,相对刚度减小的幅度越慢。研究成果可为蓄能机组顶盖螺栓的设计提供参考。

运载火箭段间连接螺栓组设计方法

运载火箭形体非常大,为了制造、存储和运输的方便,往往需要将火箭箭体沿特定的面分割开来,分段制造,然后安装使用。各段之间的连接采用螺栓组,但现有螺栓组设计方法大多考虑机器底座的安装和法兰连接,对运载火箭段间连接设计并不方便。文中详细推导了火箭箭体在受弯和轴向拉/压载荷作用时,螺栓最大拉力计算公式和预紧力计算公式,并详细分析了压溃条件,最后,通过实例对文中提出的设计方法进行了验证。

基于螺栓拉伸刚度的地铁盾构隧道纵向刚度计算

针对现有盾构隧道纵向刚度计算方法缺乏试验验证且未考虑螺栓拉伸刚度等因素影响的不足,首先,理论推导盾构隧道纵向刚度的解析计算方法;然后,以上海地铁盾构隧道为背景,设计并开展缩尺模型试验,通过实测结果验证解析计算方法;最后,以珠三角地区盾构隧道为工程背景,计算盾构隧道纵向刚度。结果表明:由于螺栓预紧力的存在,跨中加载较小时的实测隧道纵向刚度偏大,但随着跨中加载的增加,实测结果与理论计算结果趋于接近,验证了解析计算方法的合理性;珠三角地区盾构隧道在弹性阶段、塑性阶段和塑性变形后的纵向螺栓拉伸刚度依次为2.1255×10^(6),0.9859×10^(6)和3.1856×10^(6) N·m^(-1),纵向刚度依次为3.3068×10^(8),1.5345×10^(8)和4.9543×10^(8) N·m^(2);考虑到地铁盾构隧道发生纵向变形时,一定范围内的纵向螺栓所处变形阶段存在差别,在实际纵向刚度取值时应根据隧道最大变形导致的纵向螺栓拉伸量来具体分析确定。

考虑螺栓预紧力差异的箭体连接结构动力学响应分析

针对广泛地应用在航空航天箭体结构中的螺栓法兰连接结构的动力学响应特征会显著受到螺栓预紧力大小影响的问题,在螺栓法兰连接结构不同工况下螺栓预紧力出现差异时,研究箭体连接结构的静动力学响应特征。通过对特定的筒壳螺栓法兰连接结构,基于有限元分析和敲击试验来提出一套考虑螺栓预紧力差异的箭体连接结构动力学响应分析方法。并由此研究螺栓松动时的响应特征,基于互补集合经验模态分解算法设计一种新的螺栓松动探测流程,可以量化螺栓发生松动时连接结构的中高频段频响幅值升高的特征,能无损快速地识别松动工况的发生。

头部支撑面角对连杆螺栓与大头盖接触应力的影响

国标六角法兰面螺栓对螺栓支撑面角度范围提出设计指导,但没有具体指出最佳角度,且其对螺栓预紧力及支撑面应力的影响尚无明确结论。通过建立发动机连杆螺栓的精细拧紧有限元仿真模型,并利用Yamamoto解析法验证了连杆螺栓有限元模型的准确性。研究了螺栓头部支撑面角对拧紧载荷下连杆螺栓预紧力和应力分布的影响,同时通过计算疲劳安全系数对螺栓头部支撑面的结构可靠性进行综合评估。结果表明:螺栓头部支撑面角取0.5°为最佳;提出了带有U型沉割槽的连杆螺栓结构模型,优化后的螺栓结构在螺栓头部与螺杆结合处的平均应力下降16.2%,平均疲劳安全系数提高19.6%。

基于温度载荷作用的螺栓拆卸工艺

针对维修保养中时常遇到的螺栓拆卸困难的问题,在参考大量国内外学者对温度载荷下螺栓预紧力的影响的相关理论研究基础上,文章提出了一种基于温度载荷作用的螺栓拆卸工艺,利用温度载荷作用下使螺栓预紧力减小的原理,采用电弧焊点焊加热的形式来拆卸螺栓,可以有效解决因紧固螺栓咬死、黏连、锈蚀,以及螺栓六角头严重腐蚀而导致螺栓难以拆卸的问题。该方法易于操作,有效避免了传统螺栓拆卸方法的弊端。

火箭对接面爆炸螺栓直径对螺栓截面载荷的影响

爆炸螺栓是箭体结构对接面承载最主要的薄弱环节之一。进行舱段静力试验时考虑到传感器安装空间等原因,通常采用直径较小的螺栓替代爆炸螺栓测量螺栓截面载荷。为得到螺栓直径对螺栓截面载荷的影响,推导了相同加载条件下爆炸螺栓截面载荷与螺栓直径的理论公式。建立不同直径螺栓连接的舱段对接有限元模型,完成舱段对接下不同直径螺栓截面载荷测量试验,将有限元分析结果、试验结果和理论计算结果进行了对比。分析结果表明:爆炸螺栓截面轴力与螺栓直径关系较小,螺栓截面弯矩与直径的平方近似成正比。

提高PDMS项目法兰连接用螺栓长度的准确性

给出了如何提高三维设计软件PDMS螺栓长度的解决方案,主要通过螺栓连接元件建模标准化、对夹元件建模标准化、螺栓集标准化、螺栓长度标准化、螺栓等级标准化,从而确保PDMS项目螺栓长度的准确。

基于超声多尺度衰减的螺栓轴向应力评价

针对超声波传统衰减法测量高强度短螺栓应-力时,难以达到预期精度,提出了一种基于超声散射衰减理论和小波多尺度分解的测量螺栓应力的方法。基于立方晶系材料的瑞利散射,推导了超声衰减系数与应力关系的理论模型。利用小波变换得到各个尺度的衰减系数并定义加权超声多尺度衰减系数,结合粒子群优化算法和灰色关联分析确定衰减系数最优尺度组合及其归一化权重系数,建立轴向应力的超声多尺度衰减测量模型。利用搭建的螺栓轴向应力超声波测量系统,对普通螺栓进行轴向应力测量,证明了该方法的可行性。对比了多尺度衰减法与渡越时间和传统衰减法对高强度短螺栓轴向应力的测量结果,验证了多尺度超声衰减法更适合高强度短螺栓的轴向应力测量。

几何偏差对多螺栓复合材料接头螺栓载荷和应力分布的影响研究

本研究建立了考虑间隙的复合材料双搭接结构的半解析模型,描述了几何偏差对螺栓载荷和应力分布的影响.首先,从典型复合螺栓接头中提取螺栓/孔局部结构作为代表单元,建立考虑随机几何偏差与接触状态的螺栓/孔对的局部刚度模型.基于Reddy高阶剪切板理论,建立复合材料层合板有限元分析模型.将螺栓/孔对的局部刚度模型与层合板全局刚度模型相结合,形成了综合考虑螺栓/孔间隙和孔拉伸变形的多螺栓复合材料接头装配力学分析模型.随机螺栓/孔组合间隙分析结果表明,合理的螺栓间隙设置可以得到更均匀的钉载分布,为多螺栓接头的排孔设计提供理论指导.

钢板加固螺栓球节点力学性能试验研究

针对螺栓球节点高强螺栓漏拧、少拧的情况,实际工程中常采用焊接钢板加固螺栓球节点来保障螺栓球节点承载力。为探究钢板加固螺栓球节点的破坏形式及极限承载力规律,对三组高强螺栓拧入深度0.5d(d为螺栓直径)螺栓球节点采用钢板加固并进行受拉承载力试验。试验结果表明,钢板加固螺栓球节点虽能提高节点的承载力,但试件高强螺栓和钢板变形很难协调,共同受力不理想,易发生局部破坏。故对原有加固方法进行改进,并进行加固后螺栓球节点拉伸破坏试验。结果表明,改进后的钢板加固螺栓球节点力学性能得到很好的提升,可为螺栓节点加固提供保障。

高强螺栓尺寸在Teklastructures中精确算法的研究与应用

Tekla structures是一款专业的钢结构详图设计软件,其在全球的钢结构市场占有率超过60%,国内主要钢结构企业均在使用,通过对钢结构进行建模后,可以快速方便的出具螺栓清单,但螺栓清单的准确性目前存在问题,软件出具报表中的长度与相关国家规范标准中要求的长度存在不等的差异,造成施工现场出现不合规的质量问题,本论文进行研究分析后解决了这类问题。

某高架桥高强度螺栓断裂失效分析

高架桥用42CrMoA高强度双头螺栓在服役期间发生螺纹断裂现象,通过外观检查、化学成分分析及扫描电镜分析等手段,对其断裂原因进行了分析。结果表明,螺栓在冶炼过程中成分控制不严,在安装中质量不达标,紧固力不均匀或预紧力不足造成螺栓在螺纹处出现缝隙或间隙,在腐蚀环境下发生缝隙腐蚀。在闭塞腐蚀电池及应力集中作用下加速溶解金属基体,在缝隙腐蚀的阳极端部形成裂纹源。裂纹在腐蚀和疲劳的双重作用下,使裂纹不断向纵深扩展,直至螺栓断裂。安装质量不达标且冶炼工艺控制不严是引发螺栓断裂的关键因素。

扩孔螺栓连接型耗能段力学性能试验研究

扩孔螺栓连接型耗能段由短剪切型耗能段和剪切扩孔型螺栓连接组成,可有效地提高耗能段的延性和耗能能力,并减小耗能段损伤,由此提高偏心支撑结构震后功能恢复能力。分别设计1个短剪切型耗能段、3个考虑摩擦滑移的扩孔螺栓连接型耗能段、1个普通扩孔螺栓连接型耗能段试件,并进行低周往复加载研究,得到其变形或破坏模式、滞回曲线、骨架曲线和力学模型等。试验结果表明,扩孔螺栓连接型耗能段先后经历摩擦滑移和耗能段承载2个过程,且破坏模式和承载力均与纯短剪切型耗能段相同。所得力学模型中,短剪切型耗能段包括弹性、弹塑性和塑性段;考虑摩擦滑移试件包括弹性和滑移段;扩孔螺栓连接型耗能段包括弹性、滑移、弹塑性和塑性段,且在达到相同位移时耗能段变形和损伤将明显减小。最后,对扩孔螺栓连接型耗能段进行有限元分析,可准确模拟其滞回曲线和破坏模式。

新型承插式螺栓连接柱-柱节点抗拉性能研究

为实现模块化钢结构单元房间的上下连接,提出一种新型承插式螺栓连接柱-柱节点,以有无注浆、承插深度为参数设计并制作3个足尺节点试件,并对其进行抗拉试验,分析了各节点的破坏形态、应变分布以及承载能力等,探讨了该新型节点的抗拉性能.建立了数值分析模型,进行了轴拉荷载作用下的受力性能参数化分析,研究了承插深度、螺栓直径及内套筒厚度对节点抗拉承载力的影响.基于高强螺栓的抗剪承载力,提出了适用于该新型节点的抗拉承载力计算公式.研究结果表明:该新型节点可将轴向拉力有效传递至高强螺栓,试件破坏时均出现高强螺栓群被剪断,灌浆节点试件发生破坏时,出现钢材与灌浆料界面的黏结破坏及螺栓周围局部灌浆料的压碎;高强螺栓群在拉力荷载作用下呈端部螺栓受剪较大、中心螺栓受剪较小的分布,试件破坏时,各螺栓承受的剪力趋于相等;灌浆节点与无浆节点相比,灌浆料与高强螺栓协同工作性能良好,弹性阶段最大摩擦力平均值提高64.4%,极限抗拉承载力提高14.1%;承插深度由300 mm增至500 mm,节点极限抗拉承载力提高80.9%;承插深度和螺栓直径对节点抗拉承载力影响较大,内套筒厚度对节点抗拉承载力的影响较小;根据提出的节点抗拉承载力计算公式得到的计算值与有限元模拟值吻合良好.

不同螺栓等级下共享铁塔挂载连接件承载性能研究

为研究螺栓等级对挂载连接件承载性能的影响,选取了4.8级普通螺栓(KL-4.8)与8.8级摩擦型高强螺栓(KL-8.8)连接的挂载连接件进行静力试验研究。采用ABAQUS有限元分析软件对其受力性能进行模拟,使用可靠的数值模型系统分析螺栓等级和螺栓直径对连接件承载性能的影响。结果表明:在水平荷载作用下,两种不同螺栓等级连接的挂载连接件节点处均未出现滑移;两种连接件的破坏模式基本一致,左右两侧方钢管底部及右侧方钢管顶部均出现断裂;KL-8.8的整体刚度、极限承载能力以及变形能力均高于KL-4.8;当采用4.8级普通螺栓连接且承载力低于74.13 kN时,螺栓直径不宜小于18 mm,否则螺栓杆会发生剪切变形;当采用8.8级和10.9级高强螺栓连接时,双板件连接处节点偏于刚性连接,挂载连接件的整体刚度和极限荷载主要取决于方刚管、挂载铁杆等其他部件;挂载连接件在承载过程中通过双板件与主材之间的摩擦力和螺栓抗剪来抵抗外载,实际工程中应根据挂载重量合理选择螺栓参数。

钢管混凝土柱-钢梁外加强环螺栓连接节点抗震性能有限元分析

为深入研究钢管混凝土柱-钢梁外加强环螺栓连接节点的抗震性能,建立了螺栓连接节点的精细化三维实体有限元模型。在对已有试验成果进行验证分析的基础上,研究加劲肋、螺栓连接数量对节点塑性耗能分配机制的影响。结果表明:当钢材本构后期考虑韧性损伤后,有限元计算结果与已有拟静力试验结果更吻合;CFST-1节点(梁高300 mm,有螺栓垫板)耗能能力最优,但仅达到相应焊接节点的一半;与CFST-1节点相比,CFST-3节点(梁高300 mm,无螺栓垫板)及CFST-2节点(梁高250 mm,有螺栓垫板)的总耗能更低;各螺栓节点的塑性耗能分配机制主要依靠梁耗能,而相应的加强环焊接节点主要依靠梁与加强环耗能;当螺栓节点采用环板加劲肋、4排螺栓以及腹板加劲肋构造优化后,刚度、承载力、延性与相应焊接节点一致,总塑性耗能达到刚接节点的79.1%,基本达到刚接节点的抗震水平。

角钢塔螺栓的紧固控制技术

针对角钢塔螺栓紧固作业需求,研究了一种轻量化、扭矩可准确控制的电动扳手.为了解决轻量化问题,提出了一种自抗扰控制器与滑模观测器融合算法,实现了无扭矩传感器的电动扳手扭矩参数估计与控制.首先,将自抗扰控制器引进扭矩环、速度环,在对其总扰动量进行估计的同时得到角加速度的估计值,然后将该角加速度值作为二阶滑模观测器的输入进行紧固扭矩值的估计,解决了二阶滑模观测器中变量的导数值难以获得的问题.仿真和实验结果表明,与传统PID控制器、滑模控制器相比,所提方法可实现扭矩的准确估计,具有扭矩调节时间短,超调小的特点.