一种水轮机顶盖螺栓松动检测系统及检测器的设计方法与流程

技术特征：
1.一种水轮机顶盖螺栓松动检测系统，其中，所述水轮机包括顶盖和座环，所述顶盖和座环通过多个把合螺栓和对应螺母固定连接，其特征在于，所述水轮机顶盖螺栓松动检测系统，包括应变式压力检测器、无线传输器和诊断报警单元；其中，所述应变式压力检测器与把合螺栓一对一设置；应变式压力检测器实时采集每个把合螺栓的预紧力；所述应变式压力检测器为垫片型，包括垫片本体和应变片；其中，所述垫片本体套设在所述把合螺栓上并位于所述螺母与所述顶盖的法兰面之间；所述垫片本体，由中心到边缘依次包括中心孔、内环面、过渡槽和外环面；其中，所述内环面的受力一侧突出所述外环面，所述外环面与所述内环面侧壁连接；在所述内环面的非受力一侧，所述外环面突出所述内环面且所述过渡槽设在所述外环面的侧壁和所述内环面侧壁之间；所述应变片安装在所述过渡槽的槽底；所述应变片设置有多个并沿垫片本体的周向均匀分布；所述无线传输器将所述应变式压力检测器的信号传输给所述诊断报警单元；所述诊断报警单元与所述无线传输器通讯连接，用于通过无线传输器获取所述应变式压力检测器的实时检测数据，根据实时检测数据判断把合螺栓松动失效情况,得到把合螺栓松动失效诊断结果并在发生失效时产生报警信号。2.根据权利要求1所述的水轮机顶盖螺栓松动检测系统，其特征在于，所述内环面的上表面受到把合螺栓的预紧力；所述外环面的下表面受到所述顶盖的法兰面的反作用力；在把合螺栓的预紧力和顶盖的法兰面的反作用力的作用下，所述过渡槽发生形变；所述应变片黏贴于所述过渡槽的槽底，所述多个应变片采用等臂电桥测量电路连接。3.根据权利要求1所述的水轮机顶盖螺栓松动检测系统，其特征在于，所述无线传输器与所述应变式压力检测器通过模拟信号线连接；所述无线传输器，包括外壳和无线传输模块；其中，所述外壳上设置有磁铁，所述无线传输器通过所述磁铁安装在所述顶盖上。4.根据权利要求3所述的水轮机顶盖螺栓松动检测系统，其特征在于，所述无线传输模块，包括lora通信模块和微控制器，所述微控制器对所述lora通信模块的控制方法如下：步骤1、根据要求设置预紧力变化报警阈值为δf、应变式压力检测器采集时间间隔为t1、与所述诊断报警单元的通信心跳间隔为t2；步骤2、记录应变式压力检测器的当前时刻把合螺栓的预紧力的数据，记为f
t
；步骤3、计算预紧力变化值，记为δf
t
，具体计算公式为：δf
t
＝f
t
‑
f
t
‑1，其中，f
t
‑1为上一时刻的把合螺栓的预紧力数据；步骤4、若δf
t
大于等于δf，达到预紧力变化报警阈值，则跳转到步骤5，反之则跳转到步骤6；步骤5、立即启动lora通信模块，发送报警值δf
t
和f
t
到诊断报警单元；步骤6、计算时间是否达到应变式压力检测器采集时间间隔t1，若达到，则跳转步骤7，反之则继续步骤6；步骤7、计算时间是否达到通信心跳间隔t2，若达到，则跳转步骤8，反之则跳转到步骤2；步骤8、立即启动lora模块，发送当前时刻载荷f
t
到诊断报警单元，跳转到步骤1。5.根据权利要求3所述的水轮机顶盖螺栓松动检测系统，其特征在于，所述无线传输器，还包括电池，所述电池为所述无线传输模块和所述应变式压力检测器供电。6.一种水轮机顶盖螺栓松动检测器的设计方法，所述水轮机顶盖螺栓松动检测器包括如权利要求1所述的应变式压力检测器；其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤1、计算所述把合螺栓的初始预紧力，记为f，单位为t；步骤2、根据所述顶盖的法兰面的材料，查表可知顶盖的法兰面的屈服强度，记为p，单位为mpa；步骤3、计算所述垫片本体的外环面与所述顶盖的法兰面的接触最小面积，记为s，单位为mm2；具体公式如下：p＝f/s；步骤4、计算所述垫片本体的外环面的半径和所述垫片本体的内环面的半径的数值标准，其中，外环面的半径，设置为r，单位为mm；内环面的半径，设置为r，单位为mm；过渡槽的宽度，设置为w，单位为mm；具体公式为；s≤π(r2‑
(r w)2)；步骤5、根据每两个把合螺栓的中心距离和把合螺栓中心轴至装配件边缘距离，根据应变片的宽度，结合步骤4中的公式，确定外环面的半径、内环面的半径的值，确定过渡槽的宽度的值。7.根据权利要求6所述的水轮机顶盖螺栓松动检测器的设计方法，其特征在于，步骤1中，计算所述把合螺栓的初始预紧力，设置为f，单位为t，其具体计算公式为：其中，l为把合螺栓有效长度，单位：mm；e为把合螺栓材料的弹性模量，单位：n/mm2；δl
‑
初始预紧时把合螺栓的伸长值，单位：mm；a为把合螺栓的断面面积，单位：mm2。

技术总结
本发明公开了一种水轮机顶盖螺栓松动检测系统及检测器的设计方法，其中，检测系统包括应变式压力检测器、无线传输器和诊断报警单元，应变式压力检测器采用垫片型压力传感器，通过垫片本体在过渡槽位置形成剪切梁结构，内环面和外环面所受到的力分别作用在剪切梁的两端，从而造成剪切梁轴向形变，将螺栓载荷变化与轴向位移形变建立联系；应变片发生应变效应，进而实现预紧力的实时定量检测，检测器的设计方法基于把合螺栓的物理特性和把合螺栓的装配要求的同时，计算出保证在法兰面上不会造成凹痕形变的垫片本体的尺寸，对把合螺栓的松动检测的灵敏度高，反馈及时；通过无线传输器，诊断报警单元实现无需人工检测及分析报警。警。警。


技术研发人员：陆国强 赵航 陆鑫洪 石雪慧
受保护的技术使用者：三江学院
技术研发日：2021.08.03
技术公布日：2021/10/8