基于振动循环的螺栓松动评估方法、系统、介质及处理器与流程

本发明涉及输电铁塔结构健康监测，特别涉及基于振动循环的螺栓松动评估方法、系统、介质及处理器。

背景技术：

1、输电铁塔通常采用大量螺栓将角钢、连接板及节点构件连接成整体结构，螺栓连接在长期运行过程中持续承受风荷载、导地线摆动、覆冰脱落及塔体振动产生的交变载荷；当连接界面受到的切向作用超过接触面摩擦约束时，连接构件可能依次出现黏着、微滑移、间隙内滑移以及螺栓杆与孔壁碰撞等状态，并伴随预紧力衰减、接触刚度变化及连接孔局部变形。

2、现有螺栓状态检测方式多采用人工巡检、扭矩复核、单点振动测量、频率峰值比较或固定阈值判断，难以在不停运条件下连续反映螺栓连接在振动载荷作用下的状态迁移过程；同时，输电铁塔整体振动、构件边界反射、传感器安装差异及环境温度变化均可能引起响应幅值、传播时间和频率特征变化，容易使整体结构响应、外部共同冲击与目标螺栓连接的局部滑移响应相互混淆。现有技术通常按照振动波形的峰谷数量统计循环，未结合螺栓连接从黏着到微滑移、间隙滑移及孔壁碰撞的物理过程确定有效振动循环，也缺少将不同滑移和碰撞循环折算为统一累计量的标定依据。

3、鉴于此，需要一种基于振动循环的螺栓松动评估方法、系统、介质及处理器。

技术实现思路

1、针对现有技术中未结合螺栓连接的物理过程确定有效振动循环，缺少将损伤折算为统一累计量的标定依据的问题，本发明提供了基于振动循环的螺栓松动评估方法、系统、介质及处理器，能够在目标螺栓连接两侧设双向换能器并限定直达波时间窗，以早期传播响应判定状态，减少边界反射干扰；通过远参考传感器与共同响应分离区分整体振动和局部响应；采用同构标定与三段式成组激励建立门槛并迁移至现场，避免在役螺栓损伤；联合事件前中后响应区分微滑移、间隙滑移及孔壁碰撞；按状态迁移划分循环并互斥分类，结合等效权重与基准冻结机制，实现不同循环的统一累计与退化基准保护，形成完整的振动循环评估过程。具体技术方案如下：

2、基于振动循环的螺栓松动评估方法，包括以下步骤：

3、运行监测阶段前：对与目标螺栓连接结构参数相同的标定试件进行激励获取基准响应后，逐级增大激励强度逐级获取响应，记录响应偏离后可恢复的最小激励强度对应的第一临界值，记录响应偏离后不可恢复的最小激励强度对应的第二临界值；

4、运行监测阶段中：在事件前、中、后交替激励获取响应，所述事件通过振动触发；计算事件中的响应与远参考点的响应的相对偏离量，所述远参考点布置在距离目标螺栓连接超距离阈值的位置，若相对偏离量超过第一临界值则将该事件标记为候选振动事件；对候选振动事件，以事件前的响应为基线响应，将事件后的响应并与基线响应对比，若二者响应偏移超过第二临界值则将事件计入损伤累积量，当损伤累积量达到预设阈值时判定目标螺栓连接出现松动。

5、优选的，第一临界值的获取过程，包括：

6、在结构参数与目标螺栓连接相同的标定试件上，从最低的激励等级开始，建立每个激励等级下的基准响应；

7、逐级提高激励强度，定义突变对应的突变阈值，当第j−1级状态激励时响应还未突变，而第j级状态激励时响应首次突变，且用第j−1级及以下的状态激励再次探测时，响应与相应等级下的基准响应的偏差在预设的允许范围内，同时，远参考点的响应传感器未同步出现相同变化、且未检测到孔壁碰撞，，则将第j−1个状态激励等级与第j个状态激励等级之间的区间记录为第一临界激励区间；

8、基于第一临界激励区间确定第一临界值：将第j个状态激励的响应特征相对于基准响应的偏离量记为第一临界值，所述第一临界值以相对偏离范围或离散特征组合的形式存储。

9、优选的，第二临界值的获取过程，包括：

10、在结构参数与目标螺栓连接相同的标定试件上，从最低的激励等级开始，建立每个激励等级下的基准响应；

11、逐级提高激励强度，定义突变对应的突变阈值，当第j−1级状态激励时响应还未突变，而第j级状态激励时响应首次突变，且用第j−1级及以下的状态激励再次探测时，响应与相应等级下的基准响应的偏差不在预设的允许范围内，则将第j−1个状态激励等级与第j个状态激励等级之间的区间记录为第二临界激励区间；

12、基于第二临界激励区间确定第二临界值：将第j个状态激励的响应特征相对于基准响应的偏离量记为第二临界值，所述第二临界值以相对偏离范围或离散特征组合的形式存储。

13、优选的，获取候选振动事件的过程，包括：

14、事件前，对目标螺栓连接施加能量低于微滑移起始条件的探测激励，利用布置于目标螺栓连接邻近位置的局部传感器与布置于远参考点的远参考传感器同步采集响应信号，建立目标螺栓连接的基线响应，所述基线响应包含响应幅值、主频及相位信息；

15、事件中，通过所述局部传感器与远参考传感器同步采集局部响应和远参考响应，并计算相对偏离量，所述相对偏离量来自局部响应幅值与远参考响应幅值的差值、局部响应主频与远参考响应主频的偏移量或局部响应相位与远参考响应相位的相位差中的至少一种；

16、将所述相对偏离量与第一临界值进行实时比对，当所述相对偏离量超过第一临界值时，将该振动事件标记为候选振动事件，并记录该事件期间的局部响应特征、远参考响应特征及相对偏离量数值。

17、优选的，获取损伤累积量的过程，包括：

18、对标记为候选振动事件，事件后，对目标螺栓连接施加能量低于微滑移起始条件的探测激励，利用局部传感器获取事件后响应，并与事件前的基线响应进行比对，计算事件后响应相对于基线响应的不可逆偏移量；若不可逆偏移量超过第二临界值，则将其认定为有效损伤事件，并提取该有效损伤事件的能量等级、持续时间及响应偏移幅度参数；

19、依据标定试件预先建立的不可逆偏移量与等效损伤循环次数的映射关系，将不可逆偏移量折算为等效循环增量，同时根据对应的能量等级及持续时间确定其等效权重系数，将所述等效循环增量按所述等效权重系数计入目标螺栓连接的损伤累积量；

20、在持续监测过程中，将损伤累积量逐次累加，实时更新所述损伤累积量，当所述损伤累积量达到预设阈值时，判定目标螺栓连接出现松动。

21、优选的，不可逆偏移量与等效损伤循环次数的映射关系的获取过程，包括：

22、在结构参数与目标螺栓连接相同的标定试件上，人为设置不同松动等级，逐级施加激励并记录各松动等级下的响应偏移幅度，同时将该响应偏移幅度对应到等效的损伤循环次数，从而建立响应偏移幅度与等效损伤循环之间的对应换算关系。

23、优选的，所述事件通过振动触发，所述振动包括风振事件产生的振动及人工激励事件产生的振动，其中：

24、风振事件为：在环境风荷载作用下铁塔结构产生自然风振响应，当监测风速达到预设阈值或结构振动加速度幅值达到触发条件时，自动启动局部传感器与远参考传感器同步采集，获取该风振事件前、中、后的响应信号；

25、人工激励事件为：通过布置于铁塔上的激振装置或振动换能器向目标螺栓连接邻近区域施加可控机械激励，使结构产生受迫振动响应，并在施加激励的同时同步采集局部传感器与远参考传感器的响应信号，获取该人工激励事件前、中、后的响应信号。

26、基于振动循环的螺栓松动评估系统，应用于如上所述的方法，包括：

27、标定模块，用于设置与目标螺栓连接结构参数相同的标定试件，对标定试件两侧交替激励获取基准响应后逐级增大激励强度，记录响应偏离后可恢复的最小激励强度对应的第一临界值，记录响应偏离后不可恢复的最小激励强度对应的第二临界值；

28、传感器模块，包括布置于目标螺栓连接邻近位置的局部传感器和布置于不跨越目标螺栓连接的构件表面上的远参考传感器；

29、监测模块，用于在运行监测阶段通过振动触发事件，并在事件前、中、后控制所述局部传感器与远参考传感器同步采集响应；

30、事件标记模块，用于计算事件中的局部响应与远参考响应的相对偏离量，并在所述相对偏离量超过第一临界值时将事件标记为候选振动事件；

31、损伤累计模块，用于对候选振动事件以事件前响应为基线响应，将事件后响应与基线响应进行对比，若响应偏移超过第二临界值则将事件计入损伤累积量；

32、判定模块，用于当损伤累积量达到预设阈值时判定目标螺栓连接出现松动。

33、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如上所述的基于振动循环的螺栓松动评估方法。

34、一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行如上所述的基于振动循环的螺栓松动评估方法。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

36、本发明通过在目标螺栓连接两侧设置可交换激励与接收状态的振动换能器，并限定跨越目标连接的双向直达波时间窗，使连接状态判断主要基于目标螺栓夹紧区域对应的早期传播响应，减少构件边界反射及其他节点响应的干扰；通过设置激励参考通道、远参考传感器、通道校正及共同响应分离过程，使人工激励强度、塔体整体振动和连接局部响应具有不同的数据来源和处理路径；通过在相互独立的同构标定连接上采用前置探测、状态激励和后置复核构成的三段式成组激励，分别建立第一临界瞬态门槛和第二临界残余门槛，并以相对偏离量将门槛迁移至现场目标连接，避免在役螺栓因现场逐级加载产生不可恢复滑移；通过事件前状态指纹、事件中分窗响应及事件后状态指纹之间的联合判断，将可恢复微滑移与残余间隙滑移进行区分，并利用传播时序、脉冲相关性及回波屏蔽确定独立孔壁碰撞事件；通过基于连接状态迁移而非普通波形峰谷划分振动循环，并对微滑移循环、间隙滑移循环、单次碰撞循环、双向碰撞循环及连续碰撞循环进行互斥分类，能够形成具有明确物理含义的循环记录；通过基于同构标定连接达到相同退化等级所需循环数量建立等效权重，并设置基准冻结、异常事件及不确定事件处理机制，使累计结果在连接状态发生退化后不会被重新写入正常基准。