Naukowcy z Politechniki Białostockiej opracowali śruby, które „informują, co czują”. Specjalne łączniki monitorujące własne napięcie w czasie rzeczywistym mogą zapobiec katastrofom spowodowanym niewidocznemu poluzowaniu śrub w mostach, turbinach wiatrowych czy maszynach.
Większość z nas postrzega śrubę jako prosty, statyczny kawałek metalu. W inżynierii stanowią jednak fundament bezpieczeństwa wielkich konstrukcji, stalowych mostów, turbin wiatrowych czy ruchomych części aut. Gdy dokręcamy śrubę, łączone elementy naciskają na jej łeb oraz nakrętkę. Powoduje to powstawanie siły osiowej, która sprawia, że śruba, choć wydaje się sztywna, w rzeczywistości minimalnie się wydłuża. Utrzymanie tego wydłużenia (napięcia wstępnego) w odpowiednim zakresie jest kluczowe dla trwałości całej konstrukcji. Jeśli śruba poluzuje się lub zostanie przeciążona, połączenie staje się niebezpieczne.
Naukowcy z Politechniki Białostockiej opracowali rozwiązania, które zmieniają te pasywne elementy w inteligentne systemy pomiarowe, zdolne do monitorowania własnego stanu w czasie rzeczywistym.
Zastosowaliśmy łącznik, który umożliwia okresową lub ciągłą rejestrację napięcia wstępnego, żeby móc zagwarantować jakość połączenia – wyjaśnia dr hab. inż. Dariusz Szpica, kierownik Katedry Budowy i Eksploatacji Maszyn na Wydziale Mechanicznym Politechniki Białostockiej. – Mało tego, chcieliśmy żeby mógł monitorować też zakres tego napięcia.
Istota rozwiązania zasadza się na umieszczeniu wewnątrz śruby „szpiega” – czujnika w formie zewnętrznie gwintowanej tulei. Jest ona wkręcana w specjalnie wykonany otwór w osi trzpienia śruby. Gdy śruba pod wpływem obciążenia się wydłuża, tuleja pomiarowa deformuje się wraz z nią.
Czujniki pomiarowe mierzą odkształcenie śruby – precyzuje dr hab. inż. Grzegorz Mieczkowski z Katedry Budowy i Eksploatacji Maszyn na Wydziale Mechanicznym Politechniki Białostockiej. – Odkształcenie zamieniane jest na sygnał, który możemy ciągle monitorować.
Naukowcy opracowali dwa główne warianty tego mechanizmu, wykorzystujące zaawansowane zjawiska fizyczne. W pierwszym tuleja wykonana jest z materiału, który reaguje na odkształcenie zmianą parametrów pola elektrycznego. Elektrody zamontowane na końcach tulei przesyłają te zmiany przewodami do przetwornika ukrytego w łbie śruby. Zmiana pola elektrycznego jest proporcjonalna do siły, która występuje w śrubie. Jeżeli połączenie się luzuje, odkształcenie zanika, zmienia się pole elektryczne i można wyłapać, że coś jest nie tak z połączeniem.
W drugiej opcji tuleja powstaje z materiału magnetostrykcyjnego. W jej wnętrzu znajduje się czujnik pola magnetycznego. Wydłużenie śruby zmienia parametry pola magnetycznego, co jest błyskawicznie rejestrowane
przez czujnik. W obu przypadkach przetwornik sygnału porównuje dane z czujnika z wartościami referencyjnymi (dla śruby nieobciążonej) i na tej podstawie precyzyjnie wylicza siłę osiową.
Naukowcy zadbali o ochronę czujnika – cały system pomiarowy jest ukryty wewnątrz śruby, co zabezpiecza go przed uszkodzeniami mechanicznymi i wpływem środowiska. Ponadto wewnętrzna część tulei ma przekrój wielokąta foremnego (np. sześciokąta), co nie tylko ułatwia montaż czujnika, ale też pozwala na bezpieczne poprowadzenie przewodów elektrycznych lub osadzenie cewki. Wreszcie, śruba może „mówić” na kilka sposobów: albo wbudowaną diodą LED, która zmienia kolor w zależności od siły napięcia (np. zielony – bezpiecznie, czerwony – zagrożenie), albo bezprzewodowym transferem danych do centralnego systemu monitorowania.
Nasze rozwiązania przyspieszają i ułatwiają proces diagnostyczny i czynią go bardziej bezpiecznym. Przykładowo, jeśli w wielkich transformatorach dojdzie do poluzowania śrub należy przed kontrolą ze strony człowieka przerwać proces przesyłu prądu. Może to powodować nieprzewidziane utrudnienia dla wielu odbiorców. Inteligentne śruby eliminują przerwy techniczne w dostawie energii – zapewnia dr hab. inż. Dariusz Szpica.
Wprowadzenie inteligentnych łączników do powszechnego użytku przyniosłoby zresztą więcej korzyści. Systemy te pozwalają na detekcję poluzowanych śrub, zanim dojdzie do katastrofy budowlanej lub awarii w transporcie. To kluczowa kwestia w sektorach energetyki, budownictwa i transportu, gdzie bezpieczeństwo pracowników i użytkowników jest priorytetem. Ponadto zamiast wymieniać lub sprawdzać wszystkie śruby zgodnie z harmonogramem, można skupić się tylko na tych, które sygnalizują problem, co pozwala oszczędzić czas i pieniądze. Możliwość zdalnego monitorowania umożliwia też natychmiastową interwencję w przypadku nagłych zmian obciążeń, np. po trzęsieniach ziemi czy silnych wichurach.
MK, źródło: PB