一种门机螺栓振动监测方法及系统

技术领域

本发明涉及门机螺栓振动监测技术领域，具体涉及一种门机螺栓振动监测方法及系统。

背景技术

随着我国经济的快速发展，我国对外贸易量也在不断增加，调查研究表明，有近90％的国际贸易量，通过海上运输来完成。海上运输的日益繁忙刺激着港口不断向前发展，港口机械设备也朝着大型化、连续化和自动化方向发展。这样的发展满足了港口企业要提高装卸效率、降低生产成本的客观要求，但与此同时，港口装卸作业的日益繁重和生产规模的不断扩大使得机械设备发生故障的可能性也越来越大。

目前，港口所使用的起重设备普遍存在着不安全因素，一旦发生事故，造成的停工停产将极大影响生产效率，经济损失非常大，社会影响恶劣，因此港口企业对大型港口机械设备的安全性能要求越来越高，其安全性问题已成为港口企业所面临的重大问题，研究大型港口起重机的安全性具有较大的现实意义；现有的监测手段仍然依靠人力巡逻进行定期检查维护，但在大型港口有很多门机，这就导致工作任务增多，且此方法需要消耗大量的人力和财力，也由于人体本身的限制，很难对门机实现全方位不间断地监测；因此，需要设计一种门机螺栓振动监测方法及系统。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，为更好的解决现有监测手段仍然依靠人力巡逻进行定期检查维护，但在大型港口有很多门机，这就导致工作任务增多，且此方法需要消耗大量的人力和财力，也由于人体本身的限制，很难对门机实现全方位不间断地监测的问题，提供了一种门机螺栓振动监测方法及系统，其实现了全方位不间断地对门机螺栓振动进行监测，并记录其历史振动图谱，再预测其螺栓的松紧对门机安全的影响，若存在未来可能影响门机安全的目标时进行报警，便于维修人员采取相应解决方案，这为实现相关部门对门机安全保障提供了必要的前提条件，保证了门机运行期间区域人员的安全。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种门机螺栓振动监测方法及系统，包括以下步骤，

步骤（A），在门机设备固定齿轮的法兰盘上安装压力传感器，并求得上下法兰界面间接触压力；

步骤（B），利用压力传感器监测门机螺栓振动，并根据求得的上下法兰界面间接触压力计算界面刚度；

步骤（C），基于获得的界面刚度，计算超声波在法兰结构中界面出的透射系数；

步骤（D），提取超声波透射信号首达波幅值，并获得法兰螺栓松动系数；

步骤（E），判断法兰螺栓松动系数是否大于预警值，若大于预警值，则判断螺栓松动并发出报警信号，完成对门机螺栓的振动监测作业。

优选的，步骤（A），在门机设备固定齿轮的法兰盘上安装压力传感器，并求得上下法兰界面间接触压力，且上下法兰界面间接触压力p如公式（1）所示，

其中，T为螺栓预紧力矩，/>

优选的，步骤（B），利用压力传感器监测门机螺栓振动，并根据求得的上下法兰界面间接触压力计算界面刚度，且界面刚度K如公式（2）所示，

其中，C为一次线性常数，n为幂指数。

优选的，步骤（C），基于获得的界面刚度，计算超声波在法兰结构中界面出的透射系数，且透射系数

其中，B为超声波传播常数，/>

优选的，步骤（D），提取超声波透射信号首达波幅值，并获得法兰螺栓松动系数，法兰螺栓松动系数R如公式（4）所示，

其中，/>

一种门机螺栓振动监测系统，包括压力传感器模块、上下法兰界面间接触压力计算模块、界面刚度计算模块、透射系数计算模块、超声波透射信号提取模块和法兰螺栓松动系数判断模块，所述压力传感器模块用于安装在在门机设备固定齿轮的法兰盘上，并监测门机螺栓振动；

所述上下法兰界面间接触压力计算模块用于计算上下法兰界面间接触压力；

所述界面刚度计算模块用于根据求得的上下法兰界面间接触压力计算界面刚度；

所述透射系数计算模块用于基于获得的界面刚度计算超声波在法兰结构中界面出的透射系数；

所述超声波透射信号提取模块用于提取超声波透射信号首达波幅值，并获得法兰螺栓松动系数；

所述法兰螺栓松动系数判断模块用于判断法兰螺栓松动系数是否大于预警值，若大于预警值，则判断螺栓松动并发出报警信号。

本发明的有益效果是：

（1）本发明通过在门机设备固定齿轮的法兰盘处安装压点传感器并检测超声波信号，再利用螺栓松动造成的法兰界面超声波透射信号变化来监测螺栓松动程度，实现了采用信息化手段对门机螺栓振动实现24小时实时监测，还能实现全方位不间断地对门机螺栓振动进行监测，并记录其历史振动图谱，再预测其螺栓的松紧对门机安全的影响，若存在未来可能影响门机安全的目标时进行报警，便于维修人员采取相应解决方案，保证门机运行的安全。

（2）本发明有效的降低了巡检人力、物力和财力的投入，提高了对整个门机安全运行监测的有效性，这为实现相关部门对门机安全保障提供了必要的前提条件，保证了门机运行期间区域人员的安全。

附图说明

图1是本发明的压力传感器模块安装示意图；

图2是本发明在法兰盘上布置激励压电片和传感器示意图；

图3是本发明在不同预紧力矩下的透射信号示意图；

图4是本发明的螺栓松动系数变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明的一种门机螺栓振动监测方法及系统，包括以下步骤，

如图1所示，步骤（A），在门机设备固定齿轮的法兰盘上安装压力传感器，并求得上下法兰界面间接触压力，且上下法兰界面间接触压力p如公式（1）所示，

物体机械振动状态或能量是以声波的形式传递，超声波是振动频率高于 20kHz的声波；超声波在弹性介质内常常以纵波的形式传播，并且纵波只能在拉伸压缩的弹性介质中传播，因此纵波被广泛应用于工程监测等方面；

其中，T为螺栓预紧力矩，/>

步骤（B），利用压力传感器监测门机螺栓振动，并根据求得的上下法兰界面间接触压力计算界面刚度，且界面刚度K如公式（2）所示，

随着螺栓产生松动，法兰界面接触压力p将发生改变，界面刚度K也随之发生变化；

其中，C为一次线性常数，n为幂指数，不同的法兰结构由实际测量得到这两个参数。

步骤（C），基于获得的界面刚度，计算超声波在法兰结构中界面出的透射系数，且透射系数

其中，透射系数决定了超声波透射信号的强弱，透射与界面刚度K相关，当界面刚度变小时，透射系数减小，相应的超声波透射信号减弱，由此可以判断螺栓的松紧程度。界面刚度K与上下法兰界面间接触压力相关，当接触压力减小时，界面刚度减小。接触压力减小意味着螺栓发生松动，

其中，B为超声波传播常数，/>

步骤（D），提取超声波透射信号首达波幅值，并获得法兰螺栓松动系数，法兰螺栓松动系数R如公式（4）所示，

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。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，螺栓不同松动程度和松动个数下声波透射特性不同，

其中，/>

步骤（E），判断法兰螺栓松动系数是否大于预警值，若大于预警值，则判断螺栓松动并发出报警信号，完成对门机螺栓的振动监测作业；

通过压点传感器传播的超声波强度进行实时监测，当法兰螺栓松动系数大于预警值时，判定螺栓松动。

一种门机螺栓振动监测系统，包括压力传感器模块、上下法兰界面间接触压力计算模块、界面刚度计算模块、透射系数计算模块、超声波透射信号提取模块和法兰螺栓松动系数判断模块，所述压力传感器模块用于安装在在门机设备固定齿轮的法兰盘上，并监测门机螺栓振动；所述上下法兰界面间接触压力计算模块用于计算上下法兰界面间接触压力；所述界面刚度计算模块用于根据求得的上下法兰界面间接触压力计算界面刚度；所述透射系数计算模块用于基于获得的界面刚度计算超声波在法兰结构中界面出的透射系数；所述超声波透射信号提取模块用于提取超声波透射信号首达波幅值，并获得法兰螺栓松动系数；所述法兰螺栓松动系数判断模块用于判断法兰螺栓松动系数是否大于预警值，若大于预警值，则判断螺栓松动并发出报警信号。

为了更好的阐述本发明的使用效果，下面介绍本发明的一个具体实施例：

如图2所示，首先在法兰盘上布置激励压电片和传感器，由激励压电片发出超声波信号，并穿透法兰盘，再通过另一侧的传感器接受到透过的超声波信号，传感器S布置在上法兰结构螺侧，激励压电片P布置在下法兰结构侧。采用的法兰螺栓连接结构，其上下法兰为10个M12螺栓连接成一体，外径为134．25mm，内径为84.25mm，上法兰结构厚度为10mm，下法兰结构厚度为14mm。激励压电片来自Piezo公司，直径为12.7mm，厚度为0.1mm。激励信号采用正弦窄带信号，激励中心频率为70kHz，经功率放大器驱动压电片。传感器接收超声波信号，经过前置放大器，利用数据采集卡进行超声波采集。激励压电片布置见图2。

如图3所示，传感器S接收超声波信号，采用力矩扳手控制螺栓的预紧力矩为5N•m，再依次增加最大预紧力矩为30N•m。测试得到其在不同松动状态超声波首达波透射信号。由透射信号的变化可见，随着螺栓松动程度加大透射信号幅值逐渐减小。根据透射系数公式可知， 当螺栓预紧力下降时，螺栓松动，界面接触刚度下降，超声波透射系数变小从而导致投诉信号幅值减小。

如图4所示，根据公式（4），将螺栓最大预紧力矩（30N•m）的透射信号幅值进行归一化，得到螺栓松动系数变化曲线。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。当螺栓松动系数小于0.9时，系统发出检修警告，需要检修，紧固螺栓。当螺栓系数小于0.8时，则系统发出危险报警，需要即刻停机检修。

综上所述，本发明的一种门机螺栓振动监测方法及系统，通过在门机设备固定齿轮的法兰盘处安装压点传感器并检测超声波信号，再利用螺栓松动造成的法兰界面超声波透射信号变化来监测螺栓松动程度，实现了采用信息化手段对门机螺栓振动实现24小时实时监测，还能实现全方位不间断地对门机螺栓振动进行监测，并记录其历史振动图谱，再预测其螺栓的松紧对门机安全的影响，若存在未来可能影响门机安全的目标时进行报警，便于维修人员采取相应解决方案，保证门机运行的安全。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。