小身材 大作用 --淺析軸力安全監測

上海朝輝壓力儀器有限公司 

傳感器在各行各業(yè)應用的非常多，滿(mǎn)足了設備生產(chǎn)、建筑物監測、介質(zhì)檢測、運行監控等多種需求，是數據生產(chǎn)的核心工業(yè)品。

而因為螺栓的松動(dòng)、脫落造成的事故卻屢見(jiàn)不鮮：

2010年6月29日16時(shí)45分深圳東部華僑城“太空迷航"娛樂(lè )設施的太空艙垮塌，造成6人死亡，10人受傷，事故原因是有一顆螺栓松動(dòng)。

2010年12月14日，深圳地鐵1號線(xiàn)國貿站5號手扶電梯突然由上行倒轉，致使25名乘客受傷。事故原因是扶梯主機固定螺栓松脫，其中1個(gè)被切斷，令主機支座移位，驅動(dòng)鏈條脫離鏈輪，在乘客重量的作用下，上行的扶梯下滑。

2021年，美國渡輪“Wenatchee"號在大修后發(fā)生嚴重主機故障，美國國家運輸安全委員會(huì )（NTSB）出具了一份報告。一個(gè)顆擰緊的螺栓突然松動(dòng)，主機上的一根連桿和半個(gè)活塞甩出檢修孔，從而引發(fā)了火災。螺栓松動(dòng)的原因是大修期間扭矩不足導致的，導致活塞襯套無(wú)法與曲軸校準，失去潤滑，從而導致過(guò)熱及軸承失靈。在力的作用下，連桿松動(dòng)，并通過(guò)檢修口彈出，氣體從曲軸箱中噴出，引發(fā)了火災，造成380萬(wàn)美元的損失。

2023年4月，一起油缸螺栓掉落導致的安全事故在某機械加工廠(chǎng)發(fā)生。當時(shí)工人在操作壓力機時(shí)，突然聽(tīng)到了一聲巨響，隨后發(fā)現油缸在運動(dòng)中突然停止，機器無(wú)法正常運轉。經(jīng)過(guò)檢查，發(fā)現是油缸上的一個(gè)螺栓掉落了，導致油缸和機器失去了支撐。雖然沒(méi)有造成人員傷亡，但損失慘重。

隨著(zhù)各類(lèi)安全事故的頻繁曝光，各種設施對安全監測的需求越來(lái)越多，也越來(lái)越高，傳感器在其中當然功不可沒(méi)。但是很多安全監測、PHM（Prognostics & Health Mangement故障預測與健康管理）都著(zhù)重于電、氣、重要結構等裝置，往往底層設施或者結構件被忽略，其實(shí)結構安全越基礎越重要，所謂“千里之堤毀于蟻穴"，就好比螺栓，是所有結構件的核心緊固件，對于它的檢測、監測需要更有針對性的方案。

螺栓是利用物體的斜面圓形旋轉和摩擦力，循序漸進(jìn)緊固器物的機件，因此螺栓緊固與否很大程度，在于和固定物的螺紋區域嚙合是否緊密，但是這個(gè)緊密的“關(guān)系"還是會(huì )分手。不管是螺栓螺母，還是被固定的材料，表面大都是硬的，不會(huì )彼此遷就，而機械的工作狀態(tài)大多是帶有重復性的運動(dòng)，有的運動(dòng)還伴隨著(zhù)劇烈的振動(dòng)和沖擊。在頻繁的振動(dòng)下，原本緊密咬合的螺紋，就會(huì )產(chǎn)生微小的縫隙甚至變形，積累到一定程度，就會(huì )導致細微的位移和自旋隨著(zhù)時(shí)間的推移就會(huì )造成松動(dòng)。

傳統的方法就是使用扭力扳手測量螺栓的預緊力或者張力，由人工進(jìn)行逐一測試，但是由于螺栓的數量往往很多，單純使用人力測試非常繁瑣和吃力，且容易遺漏。而使用超聲波的方式進(jìn)行檢測，不僅需要對螺栓表面的凸起文字進(jìn)行打磨，且還需要涂抹耦合劑，日常操作比較繁瑣。

“智能軸力檢測預警系統"是全新一代的螺栓檢測監測系統，將探測裝置直接安裝在螺栓頂部，利用高精度的內部裝置，直接測量螺栓的微位移，精度達到3μm，無(wú)需打磨螺栓，無(wú)需其他手段，全天候監測，無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)數據發(fā)送，方便準確。無(wú)人值守的設計，特別適合環(huán)境惡劣、不借助器具人員無(wú)法觸及的位置等，起到了很好的監測覆蓋功能。配合立體動(dòng)態(tài)模型或者數字孿生技術(shù)，可以在任何地點(diǎn)和時(shí)間，隨時(shí)掌握全部結構的螺栓狀態(tài)，對安全檢測、風(fēng)險預判、事件溯源等需求，起到了重要的參考作用。

除了可以檢測螺栓的緊固力、張力、扭矩、應力、變形等參數，以確保螺栓連接的安全性和可靠性，而且其應用領(lǐng)域非常廣泛，包括：

結構工程：在建筑、橋梁、塔吊、鋼結構等領(lǐng)域中，可以用于監測緊固螺栓的張力，以確保結構的穩定性和安全性。

汽車(chē)制造：在汽車(chē)制造業(yè)中，可以在線(xiàn)檢測引擎部件、懸掛系統、制動(dòng)系統等螺栓的緊固狀態(tài)，以確保汽車(chē)的安全性和性能。

航空航天：在飛機、火箭和衛星制造中，可用于監測關(guān)鍵螺栓的緊固狀態(tài)，以確保航空器的安全性和可靠性。

能源領(lǐng)域：應用于風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電設備中，用于監測風(fēng)力渦輪機和太陽(yáng)能面板的螺栓連接狀態(tài)，監測風(fēng)筒的穩定性，以提高設備的效率和壽命。

鐵路和軌道交通：在火車(chē)和地鐵系統中，用于監測軌道螺栓的緊固狀態(tài)，以確保列車(chē)的安全和運行。

制造業(yè)：在制造業(yè)中，可用于自動(dòng)化裝配線(xiàn)，用于監測活動(dòng)裝置中的螺栓連接狀態(tài)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量和一致性。

壓力容器和管道：在化工工程和石油工業(yè)中，可以用于監測壓力容器和管道的螺栓緊固狀態(tài)，以確保安全運行。

在需要確保螺栓連接的安全性、可靠性和性能的各種工程和制造應用中都有廣泛的用途。通過(guò)實(shí)時(shí)監測螺栓狀態(tài)，可以預防螺栓松動(dòng)、斷裂或過(guò)緊等問(wèn)題，從而提高設備和結構的安全性和可維護性，也可以根據微變的趨勢進(jìn)行風(fēng)險判斷。

總的來(lái)說(shuō)，“在風(fēng)險預警中不僅需要數學(xué)、計算機科學(xué)、運籌學(xué)、物理、化學(xué)、材料科學(xué)、工程等各個(gè)方面的知識，現場(chǎng)的微變形監測也是非常重要的參數，智能軸力檢測預警系統"則是日常監測、PHM系統的重要組成部分，為今天和未來(lái)的安全保駕護航。