一种压电自供电热膨胀驱动式智能螺栓锁紧装置及其监测方法

本发明涉及盾构隧道施工及加固，更具体的说是涉及一种压电自供电热膨胀驱动式智能螺栓锁紧装置及其监测方法。

背景技术：

1、在盾构隧道的运营过程中，由于列车行驶等外部扰动荷载的长期作用，管片螺栓连接系统容易产生松动或退扣现象。管片螺栓的松动将导致管片接缝张开、错台甚至渗漏水，严重威胁隧道的结构安全性和正常使用。

2、目前，针对管片螺栓的防松措施主要包括机械锁紧式和化学锁固式两大类，例如cn119288512a和cn121382244a。然而，现有防松技术均存在一定局限性：机械锁紧式装置多为被动防松，无法实时感知螺栓的松动状态，且当松动发生后难以自动恢复锁紧力；化学锁固方式则存在拆卸困难、不便于隧道维护检修等问题。此外，现有防松装置通常需要改动螺栓孔结构或依赖人工定期巡检，无法实现螺栓状态的实时监测与主动自适应锁紧。

3、因此，如何提供一种能够实时监测螺栓松动状态、在松动发生时主动自锁紧且无需外部供电的压电自供电热膨胀驱动式智能螺栓锁紧装置及其监测方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种压电自供电热膨胀驱动式智能螺栓锁紧装置及其监测方法，旨在解决上述背景技术中的问题之一，能够实时监测螺栓松动状态、在松动发生时主动自锁紧且无需外部供电。

2、为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种压电自供电热膨胀驱动式智能螺栓锁紧装置，包括：

3、底层基座，所述底层基座固定设置在盾构管片的表面；

4、压电堆积层，所述压电堆积层设置在所述底层基座的上方，所述压电堆积层上设有多层堆叠的压电陶瓷片，所述压电陶瓷片呈圆周均布在所述压电堆积层上；

5、pcb板储能层，所述pcb板储能层设置于所述压电堆积层的上方，所述pcb板储能层与所述压电堆积层电连接；

6、热膨胀锁紧层，所述热膨胀锁紧层设置于所述pcb板储能层的上方，所述热膨胀锁紧层上设有热膨胀聚合物衬套，所述热膨胀聚合物衬套套设于螺栓螺纹外侧且与所述pcb板储能层电连接；

7、压电感知层，所述压电感知层设置于所述热膨胀锁紧层的上方，所述压电感知层上呈圆周均布多个压电薄片；

8、顶层盖板，所述顶层盖板设置在所述压电感知层的上方，所述顶层盖板与所述底层基座密封连接。

9、进一步的，所述pcb板储能层上设有整流电路、mos开关、储能电容和微处理器，所述mos开关、储能电容和微处理器呈圆周均布在所述pcb板储能层上，所述压电堆积层转换的电能进行整流并储存于所述储能电容中，根据预设条件控制所述mos开关导通以对所述热膨胀锁紧层进行放电。

10、进一步的，所述压电堆积层上的多层压电陶瓷片采用串联电连接方式堆叠，各相邻所述压电陶瓷片之间设有电极层。

11、进一步的，所述pcb板储能层上的所述微处理器通过比对预设的阻抗基准值与所述压电感知层检测的实时阻抗值进行智能决策，当判定螺栓松动时控制所述mos开关导通，使所述储能电容对所述热膨胀锁紧层进行瞬态高功率放电。

12、进一步的，所述热膨胀聚合物衬套设置为聚氨酯基体掺入可膨胀微胶囊的热膨胀聚合物衬套，所述可膨胀微胶囊的质量掺量为10%～20%，膨胀触发温度为80～120℃，受热后体积膨胀倍率为1.5～3倍。

13、进一步的，所述压电感知层采用切片化阵列结构排布多个所述压电薄片，通过向所述压电薄片施加高频扫频激励获取螺栓结构的阻抗谱。

14、进一步的，所述底层基座与所述顶层盖板采用焊接密封连接，所述顶层盖板的外部设有环氧树脂防水涂层。

15、另一方面，本发明提供了一种压电自供电热膨胀驱动式智能螺栓锁紧监测方法，基于上述所述的一种压电自供电热膨胀驱动式智能螺栓锁紧装置，具体包括以下步骤：

16、步骤一：将底层基座固定于盾构管片表面上，将热膨胀锁紧层的热膨胀聚合物衬套套设于螺栓螺纹外周；

17、步骤二：通过压电堆积层将螺栓连接受到的周期性高频振动机械能转换为电能，并将电能传输至pcb板储能层；

18、步骤三：pcb板储能层的整流电路将压电堆积层产生的不规则交流电整流为直流电，并储存于储能电容中；

19、步骤四：压电感知层通过机电阻抗耦合效应向螺栓结构施加高频扫频激励，实时采集螺栓结构的动态阻抗谱，并将阻抗数据发送至微处理器；

20、步骤五：微处理器将实时阻抗值与预设的阻抗基准值进行比对，当检测到阻抗变化超过松动阈值时，判断螺栓处于松动状态；

21、步骤六：微处理器控制mos开关导通，使储能电容对热膨胀锁紧层的热膨胀聚合物衬套进行放电，热膨胀聚合物衬套因电阻发热达到膨胀触发温度后膨胀，径向压紧螺栓螺纹，加固螺栓连接，实现自锁紧加固；

22、步骤七：自锁紧完成后，微处理器关闭mos开关，压电堆积层继续俘能并为储能电容充电，系统恢复至监测状态

23、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种压电自供电热膨胀驱动式智能螺栓锁紧装置及其监测方法，有益效果是：

24、1）通过压电堆积层利用列车运行产生的振动能进行能量收集，无需外部电源即可实现系统自供电；

25、2）通过pcb板储能层的微处理器智能决策，结合压电感知层的emi阻抗监测，实现了螺栓松动状态的实时感知与精准判定；

26、3）通过热膨胀锁紧层的热膨胀聚合物衬套在电热驱动下自动膨胀锁紧，实现了螺栓松动后的主动自适应自锁紧加固；

27、4）整体采用层叠式一体化结构，结构紧凑、安装便捷，适用于已建成隧道，无需对既有螺栓孔结构进行改造。

1.一种压电自供电热膨胀驱动式智能螺栓锁紧装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种压电自供电热膨胀驱动式智能螺栓锁紧装置，其特征在于，所述pcb板储能层（3）上设有整流电路、mos开关（31）、储能电容（32）和微处理器（33），所述mos开关（31）、储能电容（32）和微处理器（33）呈圆周均布在所述pcb板储能层（3）上，所述压电堆积层（2）转换的电能进行整流并储存于所述储能电容（32）中，根据预设条件控制所述mos开关（31）导通以对所述热膨胀锁紧层（4）进行放电。

3.根据权利要求1所述的一种压电自供电热膨胀驱动式智能螺栓锁紧装置，其特征在于，所述压电堆积层（2）上的多层压电陶瓷片（21）采用串联电连接方式堆叠，各相邻所述压电陶瓷片（21）之间设有电极层。

4.根据权利要求2所述的一种压电自供电热膨胀驱动式智能螺栓锁紧装置，其特征在于，所述pcb板储能层（3）上的所述微处理器（33）通过比对预设的阻抗基准值与所述压电感知层（5）检测的实时阻抗值进行智能决策，当判定螺栓松动时控制所述mos开关（31）导通，使所述储能电容（32）对所述热膨胀锁紧层（4）进行瞬态高功率放电。

5.根据权利要求1所述的一种压电自供电热膨胀驱动式智能螺栓锁紧装置，其特征在于，所述热膨胀聚合物衬套（41）设置为聚氨酯基体掺入可膨胀微胶囊的热膨胀聚合物衬套，所述可膨胀微胶囊的质量掺量为10%～20%，膨胀触发温度为80～120℃，受热后体积膨胀倍率为1.5～3倍。

6.根据权利要求1所述的一种压电自供电热膨胀驱动式智能螺栓锁紧装置，其特征在于，所述压电感知层（5）采用切片化阵列结构排布多个所述压电薄片（51），通过向所述压电薄片（51）施加高频扫频激励获取螺栓结构的阻抗谱。

7.根据权利要求1所述的一种压电自供电热膨胀驱动式智能螺栓锁紧装置，其特征在于，所述底层基座（1）与所述顶层盖板（6）采用焊接密封连接，所述顶层盖板（6）的外部设有环氧树脂防水涂层。

8.一种压电自供电热膨胀驱动式智能螺栓锁紧监测方法，基于权利要求1-7任一项所述的一种压电自供电热膨胀驱动式智能螺栓锁紧装置，其特征在于，具体包括以下步骤：