一种螺母防松垫片组件及其螺栓松紧无线监测系统
阅读说明：本技术 一种螺母防松垫片组件及其螺栓松紧无线监测系统 (Nut anti-loosening gasket assembly and bolt tightness wireless monitoring system thereof ) 是由 袁卫锋 曹经绮 袁迪 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种螺母防松垫片组件及其螺栓松紧无线监测系统,螺母防松垫片组件包括上层垫片和下层垫片,下层垫片设置有侧耳,侧耳包括弹性臂和与凹槽相匹配的凸块；弹性臂外侧面的变形量ε-(0)与凸块下压后的高度d-(0)呈单调线性关系,弹性臂外侧面的弯曲变形,可以为连接提供一个额外的预紧力,螺纹副间的作用力增大,进而增大了螺纹副的端面摩擦力,起到了防止螺栓连接在恶劣环境中松动的作用；螺栓松紧无线监测系统包括电源模块、通讯模块和多个应变片,通过监测弹性臂外侧面的变形量实现监测螺栓连接松动的目的,应变片将采集到的弹性臂外侧面的变形量的信息通过无线通讯模块进行远程传输,实现了远程监测的目的,扩大了监测范围,提高了监测效率。(The invention discloses a nut anti-loosening gasket assembly and a wireless bolt tightness monitoring system thereof, wherein the nut anti-loosening gasket assembly comprises an upper layer gasket and a lower layer gasket, the lower layer gasket is provided with a side lug, and the side lug comprises an elastic arm and a convex block matched with a groove; deflection epsilon of outer side surface of elastic arm 0 Height d after pressing down with the bump 0 The elastic arm is in a monotonous linear relation, the bending deformation of the outer side surface of the elastic arm can provide an additional pretightening force for connection, the acting force between the thread pairs is increased, the end surface friction force of the thread pairs is further increased, and the function of preventing the bolt connection from loosening in a severe environment is achieved; the wireless monitoring system for the tightness of the bolt comprises a power module, a communication module and a plurality of strain gauges, the purpose of monitoring the looseness of bolt connection is achieved by monitoring the deformation of the outer side surface of the elastic arm, and the strain gaugesThe information of the deformation of the outer side surface of the elastic arm to be collected is remotely transmitted through the wireless communication module, so that the purpose of remote monitoring is achieved, the monitoring range is enlarged, and the monitoring efficiency is improved.)
技术领域
本发明涉及紧固件防松领域，特别是涉及一种螺母防松垫片组件及其螺栓松紧无线监测系统。
背景技术
螺栓连接不仅应用于军事、医疗、机械和电力等行业，在生活中也被广泛使用。它具有结构简单、装拆方便和连接可靠等优点。螺栓连接的连接状态直接影响了被连接设备的使用，因此螺栓连接的可靠性和稳定性显得尤为重要。在实际工程应用中，由于螺栓连接松动不易被发现和监测，其产生的影响十分巨大。譬如，在电力传输过程中使用螺栓连接绝缘子，起到高压绝缘作用，绝缘子多片组装成串，确保高压线路的电气安全距离，如果连接绝缘子上的螺栓松动，导致绝缘子脱落高压线路，导致高压线路故障。
而现有技术中的螺母防松垫片只是增大了松动方向的阻力扭矩，并不能完全起到防止松动的效果；且目前检测螺栓连接松动的主要方法分为三种，即：1、导波监测技术；2、图像监测技术；3、标记监测技术；目前对螺栓连接松动进行监测的方法主要存在的问题为设备体积较大、信号处理过程复杂、监测过程耗时过长和人工监测主观判断等。面对野外复杂的测试条件，大部分的监测技术并不能实现持久的、高效的监测。而且部分监测设备依旧使用有线连接，极大的限制了监测范围。虽然目前一些设备也采用无线的方式，但是由于电能消耗和体积的原因，其并不能被用于野外狭小或恶劣环境监测中。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种螺母防松垫片组件及其螺栓松紧无线监测系统，解决了现有的螺母防松垫片不能完全起到防止松动效果和现有的检测螺栓连接松动的设备存在：监测的实际范围较小、信号处理过程复杂、监测过程耗时过长的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供了一种螺母防松垫片组件，其包括上层垫片和设置在上层垫片下方的下层垫片；上层垫片的两侧分别贯穿设置有一个凹槽；
下层垫片的两侧分别贯穿设置有一个侧耳，侧耳包括弹性臂和与凹槽相匹配的凸块；弹性臂的一端与下层垫片外壁固定连接，另一端上设置有凸块；凸块的上端面和下端面均与下层垫片的上端面平行，凸块位于凹槽的顶部；凸块的下端面与下层垫片的上端面之间设置有竖直高度为d的间隙。
本方案中的一种螺母防松垫片组件的基本原理为：将螺母防松垫片组件装配在螺栓和螺母之间，凸块在螺栓连接的预紧力作用下向下运动，向下运动的凸块与下层垫片的凹槽部分进行了相应的间隙配合，直至凸块的下端面与下层垫片的上端面贴合，使得螺栓连接的整个接触为面接触，增加了螺栓部分的摩擦力，有效防止了螺栓在受到外力作用或腐蚀情况下产生松动。同时由于凸块的向下运动，使得与凸块连接的弹性臂的外侧面弯曲变形，弹性臂对凸块产生一个向上的作用力，使得凸块对螺栓产生一个向上的力，当螺栓拧紧以后，相同的螺栓连接预紧力情况下，弹性臂外侧面的弯曲变形，可以为连接提供一个额外的预紧力，螺纹副间的作用力增大，进而增大了螺纹副的端面摩擦力，起到了防止螺栓连接在恶劣环境中松动的作用。
进一步地，为了保证当螺栓拧紧以后，凸块完全位于凹槽中，且凸块的上端面与上层垫片的上端面平齐，使得螺栓与上层垫片的接触面为上层垫片的整个上端面，增加了螺栓部分的摩擦力，有效防止了螺栓在受到外力作用或腐蚀情况下产生松动，提升防松垫片组件的防松性能，上层垫片的厚度与凸块的厚度相同。
进一步地，下层垫片和侧耳为一体成型结构。侧耳中的弹性臂和凸块由长条板状型材冲压成型和弯折加工成型，减少了加工的步骤，降低了加工难度，同时降低了制造的成本。
进一步地，凹槽的侧壁上设置有限位槽，凸块上设置有与限位槽相匹配的限位块。凸块通过限位块和限位槽的配合固定在凹槽中，避免凸块因受到弹性臂的外侧面弯曲变形的径向分力而导致凸块滑出凹槽，使得凸块只受到弹性臂的外侧面弯曲变形的轴向分力，提高螺母防松垫片组件的防松能力。
进一步地，弹性臂的纵截面呈底部具有开口的矩形环形结构，弹性臂开口处的一端与下层垫片外侧一体化连接，弹性臂开口处的另一端与凸块一体化连接。
进一步地，上层垫片、下层垫片、弹性臂和凸块的材料均为45钢，45号钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，满足螺母防松垫片组件的使用需求。
本方案还提供一种螺母防松垫片组件的螺栓松紧无线监测系统，其包括电源模块、通讯模块和多个应变片；通讯模块和多个应变片均与电源模块电性连接；
多个应变片均与通讯模块电性连接，通讯模块用于接受多个应变片电信号，并将接受到的电信号传送至基站；多个应变片分别固定在多个弹性臂外侧面上，应变片与弹性臂为一一对应关系，单个应变片用于采集单个弹性臂外侧面的形变量。
进一步地，通讯模块为无线通讯模块。
螺栓松紧无线监测系统的基本原理为：螺母防松垫片组件在装配到螺栓上后，在螺母对螺母防松垫片组件的压紧过程中，螺母向下运动带动凸块向下运动至凹槽内，向下运动的凸块使得弹性臂的外侧面产生相应的弯曲变形；
弹性臂外侧面的变形量ε0与凸块下压后的高度d0呈单调线性关系:
式中d0为凸块下端面与上层垫片上端面之间的实际高度，d为凸块与下层垫片之间的间隙，即凸块向下运动的最大位移量，εmax为弹性臂外侧面的最大变形量，ε0是凸块的高度为d0时，弹性臂外侧面的变形量。
当螺栓连接处于紧固状态下，弹性臂外侧面的变形量最大，当螺栓连接松动，弹性臂外侧面恢复部分变形，弹性臂外侧面的变形量会相应的减小，通过监测应变片应变的变化，实现监测螺栓连接是否松动的目的。
本方案的有益效果：弹性臂外侧面的弯曲变形，可以为连接提供一个额外的预紧力，螺纹副间的作用力增大，进而增大了螺纹副的端面摩擦力，起到了防止螺栓连接在恶劣环境中松动的作用。弹性臂外侧面的变形量ε0与凸块下压后的高度d0呈单调线性关系，可以通过监测弹性臂外侧面的变形量实现监测螺栓连接松动的目的，应变片将采集到的弹性臂外侧面的变形量的信息通过无线通讯模块进行远程传输，实现了远程监测的目的，扩大了监测范围，提高了监测效率。
附图说明
图1为一种螺母防松垫片组件的三维结构示意图。
图2为下层垫片的三维结构示意图。
图3为下层垫片的正视结构示意图。
图4为上层垫片的俯视结构示意图。
图5为螺栓松紧无线监测系统装配在螺母防松垫片组件上的结构示意图。
其中，1、上层垫片；2、下层垫片；3、凹槽；4、侧耳；401、弹性臂；402、凸块；5、限位槽；6、限位块；7、电源模块；8、通讯模块；9、应变片；10、螺栓；11、螺母。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1～5所示，本发明提供了为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供了一种螺母防松垫片组件，其包括上层垫片1和设置在上层垫片1下方的下层垫片2；上层垫片1的两侧分别贯穿设置有一个凹槽3；
下层垫片2的两侧分别贯穿设置有一个侧耳4，侧耳4包括弹性臂401和与凹槽3相匹配的凸块402；凹槽3的侧壁上设置有限位槽5，凸块402上设置有与限位槽5相匹配的限位块6。凸块402通过限位块6和限位槽5的配合固定在凹槽3中，避免凸块402因受到弹性臂401的外侧面弯曲变形的径向分力而导致凸块402滑出凹槽3，使得凸块402只受到弹性臂401的外侧面弯曲变形的轴向分力，提高螺母防松垫片组件的防松能力。
弹性臂401的纵截面呈底部具有开口的矩形环形结构，弹性臂401开口处的一端与下层垫片2外侧一体化连接，弹性臂401开口处的另一端与凸块402一体化连接；弹性臂401的形状可以为多样，但基本的测试原理不变。
凸块402的上端面和下端面均与下层垫片2的上端面平行，凸块402位于凹槽3的顶部；凸块402的下端面与下层垫片2的上端面之间设置有竖直高度为d的间隙；螺母防松垫片组件在装配到螺栓10上后，在螺母11对螺母防松垫片组件的压紧过程中，螺母11向下运动带动凸块402向下运动至凹槽3内，向下运动的凸块402使得弹性臂401的外侧面产生相应的弯曲变形；
弹性臂401外侧面的变形量ε0与凸块402下压后的高度d0呈单调线性关系:
式中d0为凸块402下端面与上层垫片1上端面之间的实际高度，d为凸块402与下层垫片2之间的间隙，即凸块402向下运动的最大位移量，εmax为弹性臂401外侧面的最大变形量，ε0是凸块402的高度为d0时，弹性臂401外侧面的变形量；可以通过监测弹性臂401外侧面的变形量实现监测螺栓10连接松动的目的。
优选地，上层垫片1的厚度与凸块402的厚度相同；可以保证当螺栓10拧紧以后，凸块402完全位于凹槽3中，且凸块402的上端面与上层垫片1的上端面平齐，使得螺栓10与上层垫片1的接触面为上层垫片1的整个上端面，增加了螺栓10部分的摩擦力，有效防止了螺栓10在受到外力作用或腐蚀情况下产生松动，提升防松垫片组件的防松性能。
作为下层垫片2的一种具体结构，下层垫片2和侧耳4为一体成型结构。侧耳4中的弹性臂401和凸块402由长条板状型材冲压成型和弯折加工成型，减少了加工的步骤，降低了加工难度，同时降低了制造的成本。
上层垫片1、下层垫片2、弹性臂401和凸块402的材料均为45钢，45号钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，满足螺母防松垫片组件的使用需求。
本方案中的一种螺母防松垫片组件的基本原理为：将螺母防松垫片组件装配在螺栓10和螺母11之间，凸块402在螺栓10连接的预紧力作用下向下运动，向下运动的凸块402与下层垫片2的凹槽3部分进行了相应的间隙配合，直至凸块402的下端面与下层垫片2的上端面贴合，使得螺栓10连接的整个接触为面接触，增加了螺栓10部分的摩擦力，有效防止了螺栓10在受到外力作用或腐蚀情况下产生松动。同时由于凸块402的向下运动，使得与凸块402连接的弹性臂401的外侧面弯曲变形，弹性臂401对凸块402产生一个向上的作用力，使得凸块402对螺栓10产生一个向上的力，当螺栓10拧紧以后，相同的螺栓10连接预紧力情况下，弹性臂401外侧面的弯曲变形，可以为连接提供一个额外的预紧力，螺纹副间的作用力增大，进而增大了螺纹副的端面摩擦力，起到了防止螺栓10连接在恶劣环境中松动的作用。
本方案还提供一种螺母防松垫片组件的螺栓松紧无线监测系统，其包括电源模块7、通讯模块8和多个应变片；通讯模块8和多个应变片均与电源模块7电性连接；
多个应变片均与通讯模块8电性连接，通讯模块8用于接受多个应变片电信号，并将接受到的电信号传送至基站；多个应变片分别固定在多个弹性臂401外侧面上，应变片与弹性臂401为一一对应关系，单个应变片用于采集单个弹性臂401外侧面的形变量。
进一步地，通讯模块8为无线通讯模块8。
螺栓松紧无线监测系统的基本原理为：螺母防松垫片组件在装配到螺栓10上后，在螺母11对螺母防松垫片组件的压紧过程中，螺母向下运动带动凸块402向下运动至凹槽3内，向下运动的凸块402使得弹性臂401的外侧面产生相应的弯曲变形；
弹性臂401外侧面的变形量ε0与凸块402下压后的高度d0呈单调线性关系:
式中d0为凸块402下端面与上层垫片1上端面之间的实际高度，d为凸块402与下层垫片2之间的间隙，即凸块402向下运动的最大位移量，εmax为弹性臂401外侧面的最大变形量，ε0是凸块402的高度为d0时，弹性臂401外侧面的变形量。
当螺栓10连接处于紧固状态下，弹性臂401外侧面的变形量最大，当螺栓10连接松动，弹性臂401外侧面恢复部分变形，弹性臂401外侧面的变形量会相应的减小，通过监测应变片应变的变化，实现监测螺栓10连接是否松动的目的。
螺母防松垫片组件和螺栓松紧无线监测系统具体应用：螺母防松垫片组件被安装多个螺栓10上，螺母防松垫片组件与螺栓松紧无线监测系统中的应变片和无线通讯模块8共同组成通讯网络，应变片采集的应变信号可以传输到无线通讯模块8中，而无线通讯模块8与移动通信基站相连，可将监测信号传输到更远的上位机，上位机实时监测实际环境中多个螺栓10螺母11的松紧状态，实现了远程监测的目的。
综上所述，弹性臂401外侧面的弯曲变形，可以为连接提供一个额外的预紧力，螺纹副间的作用力增大，进而增大了螺纹副的端面摩擦力，起到了防止螺栓10连接在恶劣环境中松动的作用。弹性臂401外侧面的变形量ε0与凸块402下压后的高度d0呈单调线性关系，可以通过监测弹性臂401外侧面的变形量实现监测螺栓10连接松动的目的，应变片将采集到的弹性臂401外侧面的变形量的信息通过无线通讯模块8进行远程传输，实现了远程监测的目的，扩大了监测范围，提高了监测效率。
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