螺栓軸向力衰減在線檢測方法研究

周 洋，張攀攀，王 超，楊光偉

（1.鄭州大學機械與動力工程學院，河南 鄭州 450001；2.中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621999）

1 引言

螺栓聯接被大量應用于汽車、化工、大型壓力機、船舶、航空等多個領域。螺栓的軸向預緊力對螺栓的使用壽命和聯接狀況有著重要的影響。工程應用中常常使用扳手擰緊螺母，并以扳手的角度值和扭矩值來衡量螺栓的軸向力。這些方法存在螺紋副的摩擦和扭矩扳手精度造成的誤差，導致測出的螺栓軸向力與實際存在較大誤差。

在工程應用中，振動、沖擊、交變載荷等外界因素都在不同程度上會造成螺栓聯接的松動，導致螺栓聯接的安全性減小，并降低設備的性能和使用壽命，容易對生產生活造成重大的危害和損失。因此對螺栓的軸向力衰減的機理及預防措施的研究顯得尤為重要，準確在線監測出螺栓的軸向力，并獲得結合面的接觸情況，對于防止螺栓聯接的松動和保證螺栓聯接的質量有著重要的意義。

近年來，大量的國內外的學者針對螺栓軸向力的檢測方法展開了一系列的研究，并且獲得了一定的成果。主要是采用縱波、橫波及EMAT探頭等方式搭建出渡越時間與軸向力、扭矩之間的關系，準確實現螺栓軸向力的在線檢測。文獻［1］利用相位延遲與超聲渡越時間的關聯模型來測得超聲波速度，分別測出使用拉力傳感器和扭矩扳手時的超聲波速度并進行驗證，驗證結果與其理論的預期趨勢一致。文獻［2-4］利用超聲波波形轉換技術，并分析了螺栓中縱波和橫波的傳播路徑，建立了縱波與橫波在螺栓中渡越時間的比值與螺栓軸向應力之間的關系模型，實驗結果表明，此模型用來測量螺栓軸向應力精確有效。文獻［5］建立了一種考慮到理論和測量誤差的螺栓軸向力與超聲波飛行聲時差的關聯模型，并研制了一種智能壓電螺栓，在螺栓頭中嵌入壓電陶瓷片，可精確測量出螺栓軸向力。文獻［6-7］根據聲彈性原理，并結合測量過程中溫度的影響，提出了一種螺栓擰緊過程中超聲波聲時差與軸向應力的線性模型。文獻［8］考慮到溫度與夾緊長度等外界環境因素對測量結果的影響，推導了一種螺栓軸向應力與縱橫波聲時及溫度之間的關聯模型。文獻［9-10］基于時間反演法技術，通過實驗，獲得了聚焦信號的能量與螺栓的軸向力之間的內在聯系，進而監測聯接的松緊狀態。文獻［11］提出了一種利用非接觸EMAT 檢測螺栓軸向應力的方法，該方法以回波的相位移和共振頻率來推出軸向力。文獻［12］研究了不同扭矩下螺栓接頭中的超聲傳播規律，并對腐蝕的接頭與電鍍接頭拉伸試樣的結果對比，結果表明，螺栓的初擰程度與超聲脈沖的傳播有著密切的關系。

由以上文獻可知，目前利用超聲波檢測螺栓軸向力的方法多是通過建立縱波、橫波飛行時間或聲時差與螺栓軸向力之間的關聯模型，以此求得軸向力的大小。這些方法雖然能夠有效的檢測出軸向力，但是也存在著缺點，即該方法受螺栓和超聲波探頭尺寸的影響，螺栓太小和長度太大都無法獲得準確的軸向力，并且未對螺栓軸向力衰減進行深入探究，針對以上的問題，這里擬建立螺栓軸向力與超聲表面波能量間關系，擬合出其非線性曲線，并用實驗來驗證，同時結合表面波能量耗散法在線監測螺栓軸向力的衰減，為螺栓軸向力衰減的檢測提供一種新方法，進而實現對螺栓軸向力的準確快速監測。

2 檢測原理

螺栓聯接是由螺栓和螺母對兩個或多個聯接件施加軸向的預緊力而形成，預緊力的大小決定著聯接的緊密程度，螺栓聯接在機械制造的許多領域中都占據著重要的位置。聯接件表面不規則分布著許多微凸體與凹坑，當對螺栓施加預緊力，上下兩個聯接件間接觸的微凸體就會相互擠壓，結合面間的微凸體在外力作用下發生一定程度的彈塑性變形，從而導致微凸體之間的真實接觸面積增大，進而使得接板間的真實接觸面積也隨之不斷地增大。文獻［13］通過Hertz接觸理論分析得出，在一定預緊力范圍內，結合面間的真實接觸面積伴隨著軸向預緊力的增加而增加。超聲波通過結合面間的微凸體相互接觸的部位進行傳播，因此兩聯接件結合面之間的實際接觸面積與超聲波的透射信號能量呈正比例關系，但當預緊力增加到一定程度，由于聯接件間的微凸體基本被壓平，結合面間接觸面積達到最大，超聲波透射信號的能量逐漸接近飽和狀態并不再發生變化。

這里利用超聲表面波透射信號能量檢測螺栓軸向力的衰減，如圖1所示。針對螺栓聯接搭接板結構，由位于上板表面波斜探頭產生表面波激勵信號，通過兩聯接板結合面間相互接觸的微凸體，經過透射傳入到下板，被下板的表面波斜探頭接收到，并獲得螺栓軸向力和表面波透射信號能量間的關系，了解到結合面上微凸體的實際接觸狀態，進而快速檢測螺栓軸向力的衰減，并對螺栓聯接件的松動情況進行實時在線地監測。

圖1 超聲表面波在螺栓聯接件中的傳播路徑示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Propagation Path of Ultrasonic Surface Waves in Bolted Joints

3 實驗裝置及方法

3.1 實驗裝置

本節搭建了基于超聲表面波的螺栓軸向力檢測系統，可以利用表面波的透射信號能量對螺栓軸向力進行檢測，并利用表面波波能耗散法對螺栓軸向力的衰減實施在線監測。所搭建的實驗裝置，使用M20X60的6.8級304不銹鋼螺栓作為實驗對象，并按照相關工藝要求將其安裝在試驗臺上，如圖2所示。試驗臺可模擬螺栓擰緊的過程，拉壓力傳感器下端通過雙頭螺柱固定在底板上，通過轉換套將M20的螺栓與接口為M12的拉壓力傳感器上端聯接起來，轉換套內部方向皆為正旋，逆時針擰動轉換套即可將螺栓與拉力傳感器同時向轉換套中心處拉動，帶動拉壓力傳感器內的應變片變化，以此來對螺栓施加軸向拉力，軸向拉力的測量值可以實時顯示在力值顯示控制儀YBB-AH上。

圖2 實驗裝置Fig.2 Experimental Equipment

這里使用OLYMPUS 公司生產的5072PR 型超聲波脈沖發生∕接收器來激發和接收超聲表面波信號，探頭使用美國泛美公司（Panametrics）生產的1MHz的OLYMPUS壓電陶瓷表面波斜探頭（傾斜角度為70°），采用低通濾波的方式消除噪聲，將表面波斜探頭用透明膠帶固定在螺栓板上，防止其滑動。并利用TEKTRONIX 公司生產的TBS 1052B 型數字示波器來接收并顯示波形信號，采樣頻率為50MB∕s，增益為56dB，用示波器儲存數據。

3.2 試樣及實驗方法

實驗選用6061 鋁合金板為試樣，尺寸為（150×100×8）mm，在試樣寬度的中心線處沿長度方向30mm 處，開設有直徑為22mm 的通孔，如圖3所示。在搭接板的上部鋁板的上表面激發表面波信號，在下部鋁板的上表面接收表面波透射信號，表面波入射探頭與表面波接收探頭相對距離為150mm，由于力值顯示控制儀YBB-AH 的數值顯示最大值為630kg的力，使用板手對螺栓按照50kg的步進梯度依次從（0～600）kg施加軸向預緊力，遠低于螺栓的保護載荷108000N，處于螺栓的彈性變形范圍內。設置示波器的采樣的平均次數為128次，減少透射信號最大峰值的隨機誤差，施加預緊力的同時記錄保存預緊力值和表面波數據。

圖3 鋁板試樣Fig.3 Aluminium Plate Sample

4 實驗結果與討論

對超聲透射信號進行多次平均后，減小了噪聲和隨機誤差，得到了較為穩定的波形信號，接收到的標準的表面波透射信號，如圖4所示。

圖4 表面波的透射信號Fig.4 Transmission Signal of Surface Wave

通過施加不同梯度的預緊力觀察表面波透射信號的幅值的變化，這里針對試樣同一位置進行多次試驗，并針對多次試驗的結果所得的表面波信號幅值求平均。不同軸向力對應的透射信號幅值，如圖5所示。可以看出，剛開始在100kg的軸向力范圍內，隨著軸向力的增加，透射波的幅值增長較慢，此時上下鋁板間結合面上的微凸體才開始進行接觸，所傳輸透射信號的能量開始隨著接觸面積增大而增大，當螺栓軸向力在（100～300）kg之間，透射波信號的幅值增長較快，此時大量的微凸體微逐漸開始相互擠壓，在擠壓力的相互作用下微凸體產生了很大程度的彈性變形，微凸體間的接觸面積增加速度變快，透射過去的超聲能量更多，當螺栓軸向力在300kg之后透射波信號的幅值依舊增長，但增長速度逐漸變緩，此時結合面間微凸體在彈性范圍內接近于被壓平，上下微凸體間接觸面積增速減慢，所以透射波信號幅值增速減慢，慢慢趨近于水平狀態。將同一組表面波透射波信號進行比較，發現隨著預緊力遞增，透射波信號幅值逐漸增加，如圖6所示，進一步證實了螺栓軸向力與超聲表面透射信號能量間的正相關關系。

圖5 不同軸向力下表面波透射信號幅值Fig.5 Amplitude of Surface Wave Transmission Signal Under Different Axial Forces

圖6 透射信號幅值Fig.6 Transmission Signal Amplitude

對實驗的透射波信號能量的平均值進行擬合，獲得了的表面波透射信號能量與螺栓軸向力的線性關系，如圖7所示，并以此推出擬合方程式（1）如下：

圖7 擬合關系Fig.7 Fitting Relationship

式中：Y—面波的透射波幅值，單位是V；

X—螺栓預緊力，單位是N。

從式中可以得出在螺栓軸向力小于600kg的彈性范圍內，螺栓軸向力與表面波透射信號能量間存在非線性正相關關系，透射信號的能量隨著軸向力增加而增大，且增速逐漸減小，對于同材質同類型的螺栓，當檢測在役螺栓的松動情況時，可直接通過測得的透射波幅值得出螺栓此時的軸向力，并以此種方式檢測螺栓的松動情況。為了驗證公式的正確性，按照相同的條件，重新進行一組實驗，通過實驗數據來分析其誤差。對比結果，如圖8所示。從上圖中可以發現螺栓的實測軸向力與理論軸向力的誤差較小，擬合曲線的預測較為準確，因此用線性擬合方程來預測螺栓軸向的方法是切實可行的。利用波能耗散法在線監測螺栓軸向力的衰減，對螺栓施加205.6kg的初始軸向預緊力，此時透射信號超聲能量為25.2V，每間隔十分鐘記錄一次螺栓軸向力的大小和透射信號能量值，經過30min的在線測量，螺栓的軸向力值依次衰減為205.3kg、205.2kg、205kg，對應的透射信號能量依次為24.8V、24.4V、24V，如圖9所示。由此可以得出隨著螺栓軸向力的衰減，表面波透射信號能量呈遞減趨勢，且變化較為顯著。

圖8 實驗驗證Fig.8 Experimental Verification

圖9 螺栓軸向力衰減Fig.9 Bolt Axial Force Attenuation

當對螺栓施加軸向的預緊力后，兩鋁板的結合面間微凸體開始相互擠壓接觸，隨著預緊力的增大，相互接觸的微凸體的數量不斷地增加，與此同時，微凸體由于互相擠壓先開始發生彈性變形，兩鋁板間的微凸體的實際接觸面積逐漸增大，直到微凸體完全被壓平。為了更清晰得到鋁板在螺栓施加預緊力后微凸體的微觀變化，這里采用三維形貌儀，針對同一區域，對施加預緊力前后的表面粗糙度進行觀測，針對同一區域進行研究，如圖10 所示。其中，加預緊力前的表面三維形貌，其輪廓的平均算術偏差Ra為5.931，如圖10（a）所示。施加3000N 預緊力后，此時Ra為5.235，如圖10（b）所示。由此可以證實，在螺栓軸向力作用下，結合面間微凸體被擠壓發生彈塑性變形，增大了接觸面積，進而導致表面波透射能量增大。

圖10 加力前、后的表面三維形貌Fig.10 Three-Dimensional Surface Morphology Before and after Afterloading

5 結論

這里基于超聲表面波波能耗散法的原理來研究螺栓聯接的松緊狀態，并搭建了基于超聲表面波的螺栓軸向力及衰減的檢測平臺，建立了基于超聲表面波技術的螺栓軸向力衰減的檢測方法，并通過實驗進行了相關的驗證，具體結論如下：

這里提出了一種利用超聲表面波技術在線監測螺栓聯接的松動情況的方法，該方法可以通過表面波透射信號幅值獲得彈性形變范圍內螺栓的軸向力。

這里建立了螺栓軸向力與表面波透射信號幅值間的數學模型，并進行了實驗驗證，通過此模型可由表面波透射信號能量計算螺栓衰減后軸向力值。

通過建立的軸向力－表面波透射信號幅值數學模型可得，彈性形變范圍內，隨著螺栓軸向力的不斷增加，透射信號能量呈非線性遞增的趨勢，且增長速度逐漸變緩。