尹瑞 趙利平 梁義維

(太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院　太原 030024)

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聲激勵(lì)錨桿軸力監(jiān)測傳感器的研制

(太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院太原 030024)

根據(jù)現(xiàn)有的錨桿支護(hù)方式，提出一種采用聲激勵(lì)來監(jiān)測錨桿軸力的新方法，該方法屬于無損檢測。闡述了錨桿軸力監(jiān)測傳感器的基本原理，介紹了傳感器的構(gòu)造及參數(shù)的設(shè)置，從強(qiáng)度、模態(tài)、聲學(xué)3個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)說明，分析了共振板的厚度變化對(duì)聲學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，該傳感器滿足設(shè)計(jì)要求，方法可行、有效。

聲激勵(lì)錨桿軸力監(jiān)測無損檢測

0　引言

錨桿支護(hù)作為巖土錨固支護(hù)技術(shù)的主要方式，廣泛應(yīng)用于水利、水電、交通、鐵道、礦山、城市基礎(chǔ)設(shè)施等工程建設(shè)中，錨桿在工程領(lǐng)域內(nèi)的大量使用，有時(shí)會(huì)因?yàn)閹r土的松動(dòng)或錨桿本身的受力狀態(tài)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致錨桿失效發(fā)生斷裂。為保證人員和財(cái)產(chǎn)安全，及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)錨桿受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測十分必要。國內(nèi)外有關(guān)人員對(duì)錨桿的監(jiān)測進(jìn)行了大量的研究，主要成果有液壓式[1]、應(yīng)變片式[2]、光纖光柵式[3]等。這些裝置存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、維護(hù)困難、對(duì)錨桿桿體破壞、不適合大規(guī)模使用等一系列問題。

針對(duì)錨桿監(jiān)測的現(xiàn)有方法和理論，本文提出一種采用聲激勵(lì)，利用聲固耦合和聲譜分析對(duì)錨桿軸力進(jìn)行監(jiān)測的新方法。該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、操作方便、不會(huì)對(duì)錨桿桿體產(chǎn)生破壞、適合大規(guī)模安裝使用的特點(diǎn)。

1　監(jiān)測原理

1.1聲激勵(lì)錨桿軸力監(jiān)測傳感器的原理

由振動(dòng)學(xué)的相關(guān)知識(shí)可知，薄板處于自由狀態(tài)時(shí)受到外界激勵(lì)，當(dāng)薄板的某階固有頻率和外界激勵(lì)頻率相同或接近時(shí)，薄板振幅會(huì)顯著增大，即會(huì)發(fā)生機(jī)械共振，薄板的振動(dòng)會(huì)發(fā)出聲音。根據(jù)機(jī)械共振原理設(shè)計(jì)思路為：在由4個(gè)薄板圍成的封閉腔室中，有一個(gè)聲源，給定聲源大小和一定范圍的頻率，使得薄板在某階頻率處產(chǎn)生共振，發(fā)出聲音，通過辨別聲音的大小和已知頻率的聲源，來判斷錨桿承受的軸力大小。當(dāng)錨桿承受的壓力變化時(shí)，薄板中的內(nèi)應(yīng)力也隨之改變，其發(fā)生共振的振型頻率也會(huì)相應(yīng)改變，此時(shí)改變聲源的大小和頻率范圍，也會(huì)使薄板共振，即可得知變化后的應(yīng)力大小。

本文以薄板的受迫振動(dòng)為例，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)[4]。厚度為h的薄板，以板變形前的中面為xoy平面建立坐標(biāo)系，規(guī)定u,v,w分別為沿x,y,z 3個(gè)方向的線位移，θx,θy,θz分別為繞3個(gè)軸線的角位移。坐標(biāo)系中，6個(gè)應(yīng)力分量為σx,σy,σz,τxy,τyz,τzx，6個(gè)應(yīng)變分量為εx,εy,εz，γxy,γyz,γzx。

彈性薄板橫向振動(dòng)的基本假設(shè)：

(1)直線法假設(shè)，認(rèn)為變形前垂直于中面的直線在板變形后仍是直線，并與中面垂直。

(2)忽略與中面垂直的法向應(yīng)力。

(3)只考慮質(zhì)量移動(dòng)的慣性力，忽略質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性力矩。

(4)當(dāng)板作微振動(dòng)時(shí)，中面內(nèi)各點(diǎn)均沒有平行于中面的位移。一般認(rèn)為z方向的位移w<(1/5)h時(shí)，符合微振動(dòng)條件。

根據(jù)薄板微單元的受力分析，考慮板微單元的動(dòng)力平衡，則

(1)

(2)

(3)

式中，q為強(qiáng)迫振動(dòng)外載荷，ρ為密度。

剪力的表達(dá)式：

(4)

(5)

式中，D為板的抗彎剛度，D=Eh3/12(1-v2)。E為材料的彈性模量，v為材料的泊松比。

把式(4)、式(5)帶入板微單元的動(dòng)力平衡方程中，得到薄板的受迫振動(dòng)方程：

(6)

根據(jù)薄板的受迫振動(dòng)方程及邊界條件，即可求得板的振型函數(shù)及固有頻率。

當(dāng)錨桿承受的壓力變化時(shí)，安裝在錨桿上的監(jiān)測傳感器會(huì)同步發(fā)生變化，薄板的應(yīng)力也隨之改變。以下將從理論上說明固有頻率和預(yù)應(yīng)力的關(guān)系。

彈性模量與預(yù)應(yīng)力σr之間的關(guān)系可用式(7)表示[5]。

E=E0-kσr

(7)

式中，E為預(yù)應(yīng)力等于σr時(shí)的彈性模量，E0為無預(yù)應(yīng)力時(shí)的彈性模量，k為表征預(yù)應(yīng)力影響的常系數(shù)，規(guī)定式中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

可得單元固有頻率與預(yù)應(yīng)力具有以下關(guān)系:

(8)

從式(8)中可以看出，當(dāng)板厚和材料確定后，影響固有頻率的只有預(yù)應(yīng)力。

1.2聲激勵(lì)錨桿軸力監(jiān)測傳感器的設(shè)計(jì)條件及要求

錨桿的種類有很多，根據(jù)錨固方式分為集中端頭錨固類和全長錨固類[6]，本文以對(duì)端頭錨固類的樹脂錨桿為例進(jìn)行監(jiān)測。錨桿材質(zhì)為20MnSi螺紋鋼，桿體公稱直徑為22 mm，其屈服載荷10.9 t，破斷載荷17. 8 t。根據(jù)錨桿的初錨力是屈服載荷的50%～75%，本文設(shè)定初錨力為6 t。

根據(jù)錨桿受力和實(shí)際應(yīng)用分析，監(jiān)測裝置的性能指標(biāo)應(yīng)滿足以下要求：①裝置在設(shè)定距離監(jiān)測時(shí)的聲壓級(jí)不能小于70 dB；②裝置的靈敏度不能小于2 t；③裝置應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。

2　監(jiān)測傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于機(jī)械共振原理和聲固耦合，采用聲激勵(lì)，本文設(shè)計(jì)的錨桿軸力監(jiān)測傳感器結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。圖1中4個(gè)側(cè)面為共振板。壓板上與壓板下的區(qū)別在于，壓板下有一個(gè)?2的通孔。壓板上、壓板下、承載體和共振板的材料選擇45#，支撐柱材料選為尼龍1010。材料的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1　材料的基本參數(shù)

圖1　監(jiān)測傳感器的三維視圖

1-壓板上；2-承載體；3-支撐柱；4-共振板；5-壓板下

3　監(jiān)測傳感器的設(shè)計(jì)方法

3.1錨桿軸力監(jiān)測傳感器的靜力分析

根據(jù)錨桿的受力情況得知，在ANSYS計(jì)算時(shí)，豎直方向?yàn)閅向，設(shè)置以下約束：設(shè)置裝置的邊界條件為圓形底面全約束，板厚定為0.7 mm，共振板上下面與壓板粘接，兩側(cè)面與支撐柱搭接，約束方式為遠(yuǎn)離裝置中心線的X向或Z向約束，為查看裝置的承載能力是否滿足要求，以承受的最大壓力17. 8 t為例。

根據(jù)靜力學(xué)分析結(jié)果得知，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為134 MPa，遠(yuǎn)小于鋼的屈服強(qiáng)度極限，最大應(yīng)力出現(xiàn)在壓板上和壓板下的內(nèi)圓孔尖角處，支撐柱的應(yīng)力也遠(yuǎn)小于尼龍的屈服強(qiáng)度，故監(jiān)測裝置滿足力學(xué)性能要求。

3.2錨桿軸力監(jiān)測傳感器的模態(tài)分析

模態(tài)求解結(jié)果如表2所示。在ANSYS中模態(tài)求解時(shí)，板厚為0.7 mm，承受的壓力為17.8 t，本文求取了對(duì)監(jiān)測傳感器的動(dòng)力學(xué)性能影響較大的前10階模態(tài)。根據(jù)求解結(jié)果知，監(jiān)測裝置的模態(tài)前4階很接近，究其原因是4個(gè)共振板在受力過程中受其他部件的影響，頻率產(chǎn)生了差異。

本文主要利用前4階模態(tài)，前4階的振型幾乎一致，根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)知識(shí)，該振型振動(dòng)區(qū)域和振動(dòng)幅值較大，對(duì)監(jiān)測傳感器的振動(dòng)最有利。

表2　監(jiān)測傳感器的模態(tài)求解結(jié)果

根據(jù)模態(tài)計(jì)算理論分析得知，當(dāng)承受應(yīng)力大小成線性變化時(shí)，第一階模態(tài)固有頻率的變化也會(huì)相應(yīng)地成線性變化。

3.3錨桿軸力監(jiān)測傳感器的聲學(xué)性能分析

在巷道中，采掘和運(yùn)輸設(shè)備不工作時(shí)，現(xiàn)場噪聲的大小約為50 dB，人耳容易聽到的聲壓級(jí)在60 dB以上(人耳可聽到的頻率范圍之內(nèi))，計(jì)算時(shí)，施加聲源激勵(lì)聲壓大小為60 dB，根據(jù)模態(tài)的計(jì)算結(jié)果，聲源的頻率施加范圍為20～1 100 Hz，其中聲源的頻率間隔為2 Hz，聲源頻率要逐一施加，傳感器的阻尼比為0.1。實(shí)施監(jiān)測時(shí)，聲音聽取的位置為距離裝置正下方0.92～1.08 m的范圍，經(jīng)計(jì)算，該區(qū)間的聲壓級(jí)差值為0.5 dB，不影響裝置的監(jiān)測性能。

為詳細(xì)闡述監(jiān)測方法，本文以裝置承受壓力17.8 t，板厚為0.7 mm為例進(jìn)行說明。聲源的頻率范圍150～700 Hz，如圖3所示，縱坐標(biāo)為聲壓級(jí)[8]，橫坐標(biāo)為頻率。經(jīng)過聲源的激勵(lì)，板會(huì)在275 Hz處發(fā)生共振，并且聲壓級(jí)達(dá)到最大，為82 dB，通過獲知的聲壓級(jí)大小和已知頻率的聲源，就可以判斷出此時(shí)錨桿所承受的壓力大小。正常人耳所能分辨的聲壓級(jí)差是3 dB，對(duì)最大聲壓位置附近的聲壓曲線進(jìn)行分析，左側(cè)達(dá)到79 dB的頻率為270 Hz，右側(cè)達(dá)到79 dB的頻率為277 Hz，即聲壓級(jí)在79 dB到82 dB的頻率區(qū)間為270～277 Hz，區(qū)間大小為7 Hz，人耳無法對(duì)這7 Hz范圍內(nèi)的聲壓變化進(jìn)行分辨，可以通過計(jì)算整個(gè)受力區(qū)間的頻率變化范圍得出監(jiān)測傳感器的分辨率。

圖3　監(jiān)測傳感器的聲壓級(jí)曲線

根據(jù)模態(tài)計(jì)算的理論分析，內(nèi)應(yīng)力的大小會(huì)影響物體的固有頻率，如圖4所示。從圖形中可以看出：在不同壓力下的監(jiān)測裝置具有不同的聲壓級(jí)曲線；隨著監(jiān)測裝置承受壓力的減小，聲壓級(jí)的最大值也減??；隨著監(jiān)測裝置承受應(yīng)力的減小，兩相鄰聲壓級(jí)曲線峰值頻率的差值逐漸減??；監(jiān)測裝置的聲壓級(jí)曲線峰值均大于70 dB。該圖形曲線為實(shí)際監(jiān)測提供參考。

對(duì)圖4進(jìn)行分析得知，監(jiān)測傳感器受到較小的壓力時(shí)，其聲壓級(jí)曲線波峰處的波形較寬，所以監(jiān)測傳感器的分辨率應(yīng)該以承受6 t的壓力作為分辨率基準(zhǔn)。經(jīng)計(jì)算，監(jiān)測傳感器在承受6 t的壓力時(shí)，聲壓級(jí)變化3 dB，頻率變化了10 Hz，工作壓力為6～17.8 t，頻率變化了200 Hz，根據(jù)比例關(guān)系，本監(jiān)測傳感器的分辨率為0.5 t，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4　監(jiān)測傳感器在不同應(yīng)力下的聲壓級(jí)曲線

3.4共振板厚度對(duì)傳感器聲學(xué)性能的影響

以承受的應(yīng)力為17.8 t，厚度為0.65～1 mm的板為例(小于0.65 mm厚的共振板，對(duì)其模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲現(xiàn)象[9]，故在本文中不作討論)，分析結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，隨著板厚的減小，監(jiān)測裝置聲壓級(jí)的最大值呈增大的趨勢；從聲壓級(jí)數(shù)值的變化來觀察，板厚對(duì)聲壓級(jí)變化差值的影響不是線性的，即相比于較厚的板，較薄板厚度的變化對(duì)聲壓級(jí)的影響更大；板厚對(duì)監(jiān)測裝置的共振頻率產(chǎn)生影響，板越厚，共振頻率的數(shù)值也越大，且不為線性關(guān)系；板厚對(duì)監(jiān)測裝置的聲壓級(jí)曲線形狀會(huì)有影響，但不變的是都在特定的頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)明顯的尖端峰值，即板厚的變化對(duì)監(jiān)測方法不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響；板厚對(duì)波峰的寬窄有影響，以聲壓級(jí)的最大值變化3 dB的范圍為例，板越厚，對(duì)應(yīng)的頻率范圍就越大，即板厚會(huì)影響監(jiān)測裝置的性能。

圖5　共振板不同板厚的聲壓級(jí)曲線

4　結(jié)論

本文提出了一種錨桿軸力監(jiān)測的新的方法，研究結(jié)果表明，監(jiān)測裝置的強(qiáng)度、模態(tài)、聲學(xué)性能均滿足設(shè)計(jì)要求；共振板厚度顯著影響聲壓級(jí)的大小，板越厚，聲壓級(jí)的峰值就越小；共振板在特定范圍內(nèi)的厚度變化不會(huì)影響監(jiān)測方法；共振板的厚度對(duì)共振頻率有明顯的影響，板越厚，共振頻率越大。經(jīng)試驗(yàn)，該裝置滿足使用要求。

[1]蔡青林.一種錨桿測力計(jì)[P].中國專利，CN203310557U.2013.

[2]邢龍龍.應(yīng)變式測力錨桿設(shè)計(jì)及在煤礦巷道中的應(yīng)用[J].科技資訊,2011(10)：132-133.

[3]李毅,柴敬,邱標(biāo).光纖光柵傳感技術(shù)在錨桿測力計(jì)上的應(yīng)用[J].煤礦安全,2009(2):50-52.

[4]趙玫,周海亭.機(jī)械振動(dòng)與噪聲學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,2004：164-170.

[5]廖代輝,成艾國,謝慧超.考慮沖壓殘余應(yīng)力和厚度變化的車身結(jié)構(gòu)模態(tài)分析與優(yōu)化[J].振動(dòng)與沖擊,2010(3)：30-33.

[6]何滿潮,袁和生.中國煤礦錨桿支護(hù)理論與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社,2004：149-152.

[7]李增剛,詹福良.Virtual.Lab Acoustics 聲學(xué)仿真計(jì)算高級(jí)應(yīng)用實(shí)例[M].北京：國防工業(yè)出版社,2010:47-48.

[8]馬大猷.現(xiàn)代聲學(xué)理論基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社,2004:33-37.

[9](美)克拉夫(R W Clough)，(美)彭津(J Penzien).王光遠(yuǎn)，等譯.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,1981:166-167.

配電變壓器調(diào)節(jié)分接開關(guān)操作步驟

(1)先停電。斷開配電變壓器低壓側(cè)負(fù)荷后，用絕緣棒拉開高壓側(cè)跌落式熔斷器，然后做好必要的安全措施。

(2)擰開變壓器上的分接開關(guān)保護(hù)蓋，將定位銷置于空檔位置。

(3)調(diào)節(jié)檔位時(shí)，應(yīng)根據(jù)輸出電壓高低，調(diào)節(jié)分接開關(guān)到相應(yīng)位置，調(diào)節(jié)分接開關(guān)的基本原則是：

當(dāng)變壓器輸出電壓低于允許值時(shí)，把分接開關(guān)位置由Ⅰ檔調(diào)到Ⅱ檔，或由Ⅱ檔調(diào)整到Ⅲ檔。

當(dāng)變壓器輸出電壓高于允許值時(shí)，把分接開關(guān)位置由Ⅲ檔調(diào)到Ⅱ檔，或Ⅱ檔調(diào)整到Ⅰ檔。

(4)調(diào)節(jié)檔位后，用直流電橋測量各相繞組直流電阻值，檢查各繞組之間直流電阻是否平衡。若各相之間電阻值相差大于2%，必須重新調(diào)整，否則運(yùn)行后，動(dòng)靜觸頭會(huì)因接觸不好而發(fā)熱，甚至放電，損壞變壓器。

(5)確認(rèn)無誤再送電，查看電壓情況。

(趙建文)

Development of Rock Bolt Axial Force Monitoring Sensors by Acoustic Excitation

YIN QiruiZHAO LipingLIANG Yiwei

(CollegeofMechanicalEngineering,TaiyuanUniversityofTechnologyTaiyuan030024)

According to the existing mode of rock bolt support, the paper puts forward a new kind of method of rock bolt axial force monitoring sensors by acoustic excitation, which belongs to nondestructive testing. The basic principle of the monitoring sensors is elaborated, the structure of the sensor and the parameter settings of each part are introduced, a detailed description of the sensor is made from three aspects of intensity, mode and acoustic, and the effects of resonance plate thickness on the performance of acoustic are analyzed. The results show that the method is feasible and effective, meeting the requirements of design.

acoustic excitationmonitoring of axial force of rock boltnondestructive testing

尹瑞,男,1990年生,碩士研究生,主要從事故障診斷方面的研究。

2015-08-10)