螺栓應力的超聲測量

趙春華1，2,張志遠2,肖嘉偉2,肖智生

(1.三峽大學 水電機械設備設計與維護湖北省重點實驗室, 宜昌 443002;2.三峽大學 機械與動力學院, 宜昌 443002; 3.六一二中船重工海聲科技有限公司, 宜昌 443002)

風力發電是較為成熟的可再生能源技術，越來越受到世界各國的重視。偏航制動器作為風力發電機組的重要組成部分，作用是使風輪始終處于迎風狀態并且提供必要的鎖緊力矩，該制動器的螺栓作為緊固件，對整個系統的穩定性都有很大的作用，若出現松動或斷裂將影響整個機組的安全。因此，對其螺栓的故障診斷及在線監測的研究十分有必要。

目前對螺栓應力的故障診斷研究有很多。同濟大學劉鎮清推導出螺栓應力與超聲波聲時差的公式[1]，并研制了一種可直接測量螺栓軸向應力的超聲測量設備。浙江大學張俊研究了超聲發射接收原理、高精度聲時測量原理、聲耦合原理等關鍵技術[2]，通過測試儀對螺栓應力試驗曲線進行了擬合。

筆者通過對偏航制動器螺栓進行聲時差-應力關系的標定試驗，得出聲時差與應力之間的線性關系，由此得出型號螺栓的材料系數；則對于已緊固的螺栓，只需測量出時間差就可得出螺栓的實時應力值。由于偏航制動器工作環境較為惡劣，難以進行人工測量，故將壓電傳感器永久固定在風電機組上，通過LABVIEW用戶界面實時觀察螺栓軸向應力的工作狀態。

1 基于聲彈性理論的測量原理

在同一溫度下，螺栓應力與超聲波在螺栓中的聲時差成正比[3]，故對于偏航制動器的同批次螺栓，只要事先標定一個螺栓的聲時與應力的關系系數A，則對其余螺栓，只需測量聲時差就可以得出其應力值。根據聲彈性理論，固體中的聲速與應力σ有關，用Cσ表示超聲波在有應力時的聲速，C0表示超聲波在無應力時的聲速，則有

(1)

式中：K為與螺栓材料彈性常數有關的常數。

設L0為無應力時的螺栓長度，Lσ為加載應力后的螺栓長度，則有

(2)

式中：E為楊氏模量。

設t0為螺栓無應力時，聲波信號在螺栓內部的飛行時間，tσ為螺栓有應力時，聲波信號在螺栓內部的飛行時間，則有

(3)

所以由式(1)(3),得到聲時差Δt為

(4)

Δt=2×AL0σ

(5)

以上分析表明，螺栓的軸向應力與超聲波飛行的聲時差是直線關系，故只要事先計算出螺栓系數A，即對偏航制動器螺栓做標定試驗，則實際應用中，只需測量聲波的飛行時間就可得到此時螺栓所受的應力。

2 換能器的設計

收發一體式換能器具有優勢且精度較高，為了使超聲波束集中在螺栓底部，根據實際螺栓尺寸設計了換能器參數，并采用窄脈沖鋯鈦酸鉛換能器。

超聲波換能器結構設計主要需考慮探頭中心頻率f、直徑Ds和半擴散角θ0。選擇換能器中心頻率f為5 MHz時，聲波在鋼中的傳播速度CL=5 900 m·s-1，設波束在界面的平均聲壓相同，未擴散區(即螺栓總長度)b=363 mm，則由公式b=1.64N(N為近場區長度)可得N=220.73 mm。

而N與超聲波換能器的直徑Ds的關系可用式(6)表示

(6)

則由式(6)可計算出Ds≈32.28 mm。

由式(7)可得到θ0半擴散角(即探頭開角)為

(7)

實際工況下，超聲波波束在螺栓的有效直徑之內(即波束全部打在底面反射)時，接收到的回波信號才不會產生干擾信號，開角滿足設計要求。綜合考慮偏航制動器以及螺栓的工作環境、尺寸和技術要求，確定換能器選用5 MHz的中心頻率。

3 超聲波聲時差計算

現場偏航制動器的螺栓尺寸如圖1所示。試驗時對該螺栓進行了超聲波測試，即在螺栓頭部涂抹機油，使用所設計的換能器壓在螺栓頭部，通過探頭發射超聲波脈沖，脈沖入射到螺栓底部時發生反射，超聲波從發射到接收所經歷的時間即為聲時差[4]。

圖1 偏航制動器螺栓尺寸

圖2 示波器采集的超聲波回波

為了保證超聲波聲時測量的準確度，采用分辨率為1 GS·s-1的示波器，圖2為示波器采集的超聲波回波，首先測量無應力狀態下的超聲波飛行時間，然后在試驗機上進行拉伸，模擬螺栓的軸向應力，測量有應力時的飛行時間，圖中超聲波飛行時間的起點為第一個波的過零點，終點是回波信號中的最大幅值點，二者的差值為超聲波在螺栓內部的飛行時間，根據式(5)求出聲時差即可得到螺栓的軸向應力。

超聲波應力測量系統主要是通過測量聲波發射接收前后的聲時差，得到螺栓軸向應力的，測試時應首先對螺栓做標定試驗以求出材料系數。用試驗機對螺栓進行拉伸以模擬軸向應力，在軟件MATLAB中處理數據完成螺栓標定直線的擬合，經過多次重復試驗可看出螺栓的系數A近似為一個定值，如圖3所示，與理論推導出的式(5)的結果一致，說明超聲波聲時差與軸向應力存在良好的線性關系。得到標定系數后將其輸入到人機監測程序中，則可實時測量偏航制動器螺栓所受的軸向應力。

圖3 偏航螺栓的應力-聲時差關系

然后，在LABVIEW平臺上使用函數節點功能對數據采集卡進行控制，采集卡將模擬信號轉換成數字信號輸入到計算機內存中，工作人員將試驗得到的應力與聲時差關系函數輸入到程序里，由程序計算出螺栓應力大小，最終結果再在人機界面上實時顯示出來(見圖4)，若螺栓出現松動或斷裂，則報警給遠程工作人員。

圖4 遠程監控人機界面顯示

4 結語

螺栓作為偏航制動器的緊固件，其受力狀態直接影響到整個風機的運行安全性。文章使用脈沖反射法測量螺栓應力，配合上位機數據采集分析系統，實時檢測螺栓受力狀態。對于同型號的偏航螺栓，建立了反映應力和聲時差關系系數的標定試驗曲線，將系數添加到分析系統中便可計算出應力。為了提高應力測量精度，筆者設計了換能器的直徑和開角，可使波束全部打在螺栓底部，減少了螺栓側面對聲波的反射，保證了聲時測量精度；通過LABVIEW和MATLAB軟件同時對回波數據進行處理，能準確求出聲時差和螺栓軸向應力。