基于壓電陶瓷的銷(xiāo)軸連接受力狀態(tài)監(jiān)測(cè)

霍林生，張晨晨，趙 楠

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

0 引言

結(jié)構(gòu)連接構(gòu)件的健康監(jiān)測(cè)對(duì)保證結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行具有重要意義。銷(xiāo)軸連接作為一種常用的連接構(gòu)件，在鋼結(jié)構(gòu)、橋梁、塔吊等工程結(jié)構(gòu)中大量使用[1]。在某些情況下，結(jié)構(gòu)承受過(guò)大的荷載會(huì)導(dǎo)致連接構(gòu)件的損壞，從而影響結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行和安全性。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)銷(xiāo)軸連接的受力狀態(tài)，并及時(shí)評(píng)估連接構(gòu)件的可靠性，對(duì)保證整體結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行具有重要意義。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)能實(shí)時(shí)獲得結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，并提高結(jié)構(gòu)的安全性[2]。近年來(lái)，基于壓電陶瓷的主動(dòng)傳感方法因其具有形式多樣，頻響范圍寬，安裝簡(jiǎn)易及成本低等特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)和健康監(jiān)測(cè)中都得到了廣泛的應(yīng)用。Kong等[3]將球形壓電智能骨料埋置于混凝土材料中，基于壓電傳感方法實(shí)現(xiàn)了混凝土早期強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)。Huo等[4]基于壓電陶瓷研發(fā)了一種智能墊圈，并提出利用時(shí)間反演法來(lái)識(shí)別螺栓預(yù)緊力的變化。許斌等[5]研究了利用壓電陶瓷對(duì)鋼管混凝土柱進(jìn)行脫空監(jiān)測(cè)的方法，該方法在混凝土內(nèi)埋置智能骨料作為驅(qū)動(dòng)器，在鋼管表面粘貼壓電陶瓷片作為傳感器，并利用主動(dòng)傳感方法成功檢測(cè)出了該結(jié)構(gòu)的脫粘區(qū)域。Zhang等[6]基于壓電陶瓷和小波包能量分析法提出了錨固連接鋼絞線(xiàn)的預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。Feng等[7]提出利用壓電主動(dòng)傳感方法來(lái)檢測(cè)混凝土管道的裂縫和泄漏，根據(jù)應(yīng)力波在裂紋中的能量衰減程度來(lái)區(qū)分裂紋類(lèi)型，并進(jìn)一步確定泄漏量。目前，基于壓電陶瓷的銷(xiāo)軸連接狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)也正在展開(kāi)研究。

本文將一對(duì)壓電陶瓷片粘貼在銷(xiāo)軸連接裝置的銷(xiāo)軸和耳板表面，一個(gè)用于發(fā)射應(yīng)力波信號(hào)，一個(gè)用于接收應(yīng)力波信號(hào)。基于壓電波動(dòng)法和小波包能量理論，研究了利用接收應(yīng)力波信號(hào)的能量值特征來(lái)識(shí)別銷(xiāo)軸連接受力狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法，并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 基于壓電波動(dòng)法的銷(xiāo)軸連接狀態(tài)監(jiān)測(cè)原理

1.1 壓電波動(dòng)法原理

壓電波動(dòng)法是將一對(duì)壓電陶瓷安裝在結(jié)構(gòu)中，利用壓電智能材料的正、逆壓電效應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力波的“一發(fā)一收”，從而與結(jié)構(gòu)形成完整的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)力波傳播理論分析可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷變化時(shí)，傳感器接收的應(yīng)力波信號(hào)特征(幅值、能量值和波速等)會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)分析信號(hào)特征的變化可以獲得有關(guān)結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。

1.2 銷(xiāo)軸連接受力狀態(tài)監(jiān)測(cè)原理

當(dāng)銷(xiāo)軸連接承受結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí)，其銷(xiāo)軸和耳板銷(xiāo)孔的表面會(huì)因相互擠壓而形成接觸界面。從微觀(guān)層面上看，銷(xiāo)軸和銷(xiāo)孔的表面是粗糙的，因此，該界面是粗糙接觸界面，如圖1所示。對(duì)于粗糙的彈性表面，已有研究證明[8]，當(dāng)兩個(gè)粗糙表面相互擠壓時(shí)，其真實(shí)接觸面積隨法向壓力(F)的增大而增大。因此，對(duì)于圖1所示的銷(xiāo)軸連接裝置，在一定壓力范圍內(nèi)，隨著銷(xiāo)軸連接裝置所受外力增大，其粗糙接觸界面上的真實(shí)接觸面積增大。

圖1 銷(xiāo)軸連接中的粗糙接觸界面

根據(jù)以上分析并結(jié)合壓電波動(dòng)法原理，設(shè)計(jì)了銷(xiāo)軸連接受力狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方案(見(jiàn)圖2)，在銷(xiāo)軸和耳板的表面各粘貼1個(gè)壓電陶瓷片(即PZT)，當(dāng)銷(xiāo)軸連接的受力狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，其接觸界面的接觸狀態(tài)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，從而影響應(yīng)力波在接觸界面的傳播。因此，分析壓電陶瓷片接收傳播的應(yīng)力波信號(hào)，可判斷銷(xiāo)軸連接的受力狀態(tài)。

圖2 銷(xiāo)軸連接受力狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方案

1.3 小波包能量分析法

小波包能量分析法是壓電波動(dòng)法中常用的一種信號(hào)處理方法，為信號(hào)能量分析提供了一種精確的分析方法，因而近年來(lái)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用[9-12]。為了對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行分析，本文采用小波包能量分析法獲得信號(hào)的能量值。將壓電陶瓷片接收到的信號(hào)進(jìn)行分解，圖3為小波包分解原理圖，其中A代表低頻，D代表高頻，下角表示分解的層數(shù)。

圖3 小波包分解原理圖

將信號(hào)X進(jìn)行n層小波包分解，則末層會(huì)生成n個(gè)信號(hào)子集[9]：

X=X1+X2+…+Xi+…+X2n-1+X2n

(1)

式中Xi為小波包分解后的信號(hào)子集，i=1,2,…,2n為頻段。

Xi可表示為第i個(gè)頻帶中所有離散點(diǎn)幅值的集合：

Xi=[xi,1,xi,2,…,xi,j,…,xi,m-1,xi,m]

(2)

式中Xi,j為Xi中第j個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)值，j=1,2,…,m為采樣點(diǎn)順序。則Xi的能量可表示為

(3)

因此，接收的應(yīng)力波信號(hào)能量值為

(4)

利用小波包能量分析法可以分析信號(hào)的能量值特征，從而對(duì)不同受力狀態(tài)下銷(xiāo)軸連接界面的信號(hào)能量值進(jìn)行比較。顯然，當(dāng)銷(xiāo)軸連接所受荷載值增大，其連接界面的真實(shí)接觸面積增大，從而壓電陶瓷片接收到的應(yīng)力波信號(hào)能量增大。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

基于上述監(jiān)測(cè)原理，設(shè)計(jì)了銷(xiāo)軸連接受力狀態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方案(見(jiàn)圖4)。由圖可知，整個(gè)實(shí)驗(yàn)包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡(NI-USB 6366)、壓電功率放大器和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(可最大加載100 kN)。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置

圖5為制作的銷(xiāo)軸連接裝置。在銷(xiāo)軸和耳板表面粘貼壓電陶瓷片，分別為PZT-A和PZT-B。壓電陶瓷片采用壓電智能骨料傳感器(銅殼)，其內(nèi)部為PZT-5H型壓電陶瓷(直徑?15 mm、厚為0.5 mm的圓形片材，其部分參數(shù)如表1所示)。壓電智能骨料傳感器具有安裝簡(jiǎn)易，抗干擾性強(qiáng)及保護(hù)內(nèi)部壓電陶瓷等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 銷(xiāo)軸連接裝置及采用的壓電陶瓷片

表1 PZT-5H型壓電陶瓷參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)銷(xiāo)軸連接裝置施加豎向荷載來(lái)模擬銷(xiāo)軸連接的不同受力狀態(tài)。加載過(guò)程由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的控制平臺(tái)預(yù)先設(shè)定，以5 kN為初始荷載，并以10 kN為間隔逐步加載到95 kN，每一步加載結(jié)束后萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)都將保載一段時(shí)間，以供實(shí)驗(yàn)測(cè)試的需要。為保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境和操作下，進(jìn)行了3次重復(fù)加載和測(cè)試試驗(yàn)。

利用掃頻信號(hào)測(cè)試程序(基于LabView)發(fā)射一個(gè)正弦掃頻信號(hào)，正弦信號(hào)掃頻寬度為20～200 kHz，幅值為10 V，掃頻周期為1 s，此掃頻信號(hào)的具體參數(shù)如表2表示。該激勵(lì)掃頻信號(hào)經(jīng)功率放大器放大，激發(fā)PZT-A產(chǎn)生應(yīng)力波，PZT-B接收界面?zhèn)鞑サ膽?yīng)力波并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，最后該電壓信號(hào)被數(shù)據(jù)采集卡(NI-USB 6366)采集并發(fā)送回測(cè)試程序中。

表2 掃頻信號(hào)參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖6為全部實(shí)驗(yàn)荷載工況下PZT-B接收到的時(shí)域信號(hào)。由圖可知，每個(gè)時(shí)程曲線(xiàn)存在多個(gè)共振峰-峰值，且不同工況下，最大共振峰-峰值位置發(fā)生變化，因此無(wú)法從單一時(shí)程曲線(xiàn)判斷連接界面的受力狀態(tài)。本文通過(guò)小波包能量法處理不同工況下的時(shí)程曲線(xiàn)。

圖6 全部實(shí)驗(yàn)荷載工況下的接收信號(hào)

圖7 接收信號(hào)能量值與荷載的關(guān)系

圖8 3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行5層小波包分解，末層共分解為32個(gè)信號(hào)子集(即32個(gè)頻段的信號(hào))。利用小波包能量分析法得到接收信號(hào)的能量值，如圖7所示。由圖可知，隨著施加在銷(xiāo)軸連接裝置上的荷載值增加，接收信號(hào)的能量也隨之增大。圖8為基于小波包能量分析法的3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖可知,3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析接收信號(hào)的能量值特征可判斷銷(xiāo)軸連接的受力狀態(tài)，因此，該監(jiān)測(cè)方法具有可行性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

根據(jù)圖8可知，隨著試驗(yàn)荷載的逐步增加，接收信號(hào)的能量值增加逐漸減緩，直到趨于飽和。其原因是當(dāng)連接界面承受較大荷載時(shí)，隨著荷載的進(jìn)一步增大，連接界面的接觸狀態(tài)變化微小，從而導(dǎo)致壓電陶瓷片接收的應(yīng)力波信號(hào)的能量值也逐漸趨于飽和。因此，下一步的研究重點(diǎn)是在較大法向荷載壓力作用下連接界面的微小受力狀態(tài)變化。

4 結(jié)論

本文研究了一種基于壓電理論的銷(xiāo)軸連接受力狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，并對(duì)其展開(kāi)了理論和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：

1) 根據(jù)壓電波動(dòng)法原理，實(shí)現(xiàn)了在銷(xiāo)軸和耳板上布設(shè)壓電陶瓷片，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)銷(xiāo)軸受力狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究證明了該方法的可行性。

2) 接收信號(hào)的能量值特征與銷(xiāo)軸連接的受力狀態(tài)相關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，隨著接觸面的法向壓力增大，接收信號(hào)的能量值隨之增大。

3) 當(dāng)實(shí)驗(yàn)荷載增大到一定值后，接收信號(hào)的能量值特征對(duì)荷載值的變化不再敏感，達(dá)到飽和狀態(tài)。