基于超聲波技術螺栓緊固軸力測量應用研究

國電電力河北新能源開發有限公司 孔繁杰

1 項目研究內容及原理簡述

聲發射通常也被稱之為應力波發射，當裝置結構和材料受到外力作用產生內部應力超標、斷裂或變形等不良狀態時，發生不可逆的塑性變形，進而產生瞬間彈性波來釋放出相應的裝置應變能，故而被稱為聲發射。此外，在外部條件作用下，材料或零部件的缺陷或潛在缺陷改變狀態，而自動發出瞬態彈性波的現象亦稱為聲發射。因此，這種聲發射彈性波能夠準確反映出某些材料的特殊性質，故而可通過聲發射信號檢測方法，來判斷某些發射設備和材料的特殊狀態。

另外，目前市面所用的全部螺栓材料均具有一定的聲發射性能，所以其整體檢查范圍較廣，且不會受到任何檢測對象工作環境、外部形狀及尺寸等因素影響。其主要原理是將物體彈性波通過系統裝置傳送到檢測對象表面，使發射傳感器裝置產生表面位移，再由探測器將材料通過機械振動方式轉化為相應的電信號，最后進行處理、放大并記錄，以便于工作人員通過超聲波信號來判斷螺栓裝置的真實狀態，進而實施相應的維護或更換操作[1]。

2 基于超聲波技術的螺栓緊固軸力測量

2.1 螺栓軸向力測試理論模型

2.1.1 螺栓軸向應力及伸長量

以某超聲波技術螺栓裝置檢測項目為例，運用公式（1）～（7）表達了關于螺栓裝置應力與速度間的關系模型：（Ca-C0）/C0=Aσ（1），式中：C0代表超縱波在具體試樣檢測中的詳細應力σ=0時的實際運行速度。Ca代表大于σ0時超縱波沿著裝置應力方向的實際傳播速度，A則代表比例系數，其中系數為負值時，則代表超縱波沿張應力方向的實際傳播速度中所包含的縱速度，將隨著基礎應力值的增加而變小。同時，試樣長度會因部分應力作用而產生相應變化。設L0與Lσ分別表示σ=0和σ＞0時的裝置試樣長度，則應力與長度之間的關系計算，如公式（2）所示：（La-L0）/L0=σ/E。

若假設t0與ta分別代表σ=0和σ＞0時的裝置超聲脈沖單次沿試樣往返的時間間隔，則時間間隔、速度及長度之間的關系計算，如公式（3）所示：to=2L0/C0。基于公式（1）及公式（2）便可推算出裝置應力為時的真實往返時間間隔計算方式，如公式（4）所示：tσ=2Lσ/Cσ（1+σ/E）/[Co（1-Aσ）]，其相對應的時間變化值計算方法，如公式（5）所示：，將其進行簡化處理如公式（6）：，若令K1=A+1/E，則可得出相應的應力計算公式，如公式（7）：σ=1/K1=Δt/t0。運用上述公式，可將應力正比于裝置超聲脈沖傳播時間所產生的先谷底變化，在通過試驗求證K1后，接口計算出準確的應力數值。

2.1.2 超聲波與軸向力關系模型

筆者運用了超聲波技術對螺栓裝置進行系統測試，主要是通過螺栓裝置在實施預緊前后的長度變化而定，最后基于裝置本身有效夾緊長度獲得準確的螺栓應變值，其整體測試原理接近于傳統測試方法，均是運用螺栓裝置在測量后所得到的應變值轉化為軸向力來測試，螺栓裝置實際拉抻力計算方法，如公式（8）所示：，式中：ΔL代表螺栓裝置實際變形量，即：。

據公式（8）可進一步推導出螺栓裝置的最終軸向力數據，如公式（9）所示：，式中：F代表螺栓裝置在測試過程時的軸向力，E為螺栓裝置本身材質結構中的彈性模量，S代表螺栓裝置橫截面面積數據，L代表螺栓裝置等效夾緊設計長度，t0則代表螺栓裝置在正在預緊情況下超聲波在其結構內部的整體飛行時長，T代表完成預緊情況下超聲波在其結構內部的整體飛行時長，Δt代表螺栓裝置整體預緊前后超聲波在測試平臺中所測量到的噪聲差值，kt代表整體溫度系數值，V則代表超聲波縱波在各個裝置介質中的整體傳播速度[2]。

2.1.3 超聲波傳播時間

在詳細測試過程中，在螺栓裝置頭部適當加裝了相應的壓電陶瓷片，使測量設備對壓電陶瓷片形成應有的脈沖激勵，通過逆壓電效應使螺栓頭部陶瓷片上形成微弱的裝置波動，待裝置波動傳輸至螺栓裝置底部后，會因接觸介質結構不同而反射，而反射回來的機械波動便會由壓電效應形成各種電信號，這時采用預緊力測量裝置對相關信號進行系統測量，成功得出了機械波動在螺桿裝置中詳細傳播時間。此外，螺栓螺桿裝置通常會在實施預緊力測試時被伸長，進而保障整體波動時間也會無限增加，為此，通過運用彈性模量、材料伸縮及時間差便可準確計算出相應的預緊力值，具體計算可參照公式（9）完成。

2.2 傳動連鎖螺栓軸向力測試

2.2.1 螺栓裝置軸向力測試系統設計

本次案例項目測試系統主要包括高精度聲時功能模塊、數據存儲功能模塊、溫度檢測功能模塊和超聲換能器構成，其整體系統測試結構如圖1所示。

圖1 超聲波螺栓裝置測試系統結構圖

本次案例項目螺栓裝置檢測型號為M39型，其具體參數如下：螺栓裝置規格為M39×300mm，設計目標預緊力值為655kN、應力截面積為976mm2，檢測數量為2個，性能等級為10.9級別。本文結合以往工作經驗，主要針對其中兩顆受力相對較大的螺栓進行緊固軸力測試，以便于開展對不同螺栓裝置檢測數據的對比分析工作。最終決定，選擇在軸承座構件對稱區域的主軸后端實施整體測試工作，并采用拉抻法進行預緊處理。在經過一系列調試測試后，最終將整體測試系統搭建完成，其整體系統超聲測量回波如圖2所示[3]。

圖2 超聲波回波測量顯示圖

2.2.2 超聲波與軸向力

通常來講，螺栓裝置本身的力學特性會在一定程度上，受到溫度、熱處理工藝及結構材質的影響，在20℃左右的常溫裝置對其進行標定，便可直接獲得超聲波聲時差與螺栓裝置軸向力的關系，如圖3所示。

就整體測試結果而言，兩顆被測螺栓均具備良好的線性度，但在預緊力的作用下所產生的聲時差卻截然不同，這也側面證明了不同區域螺栓裝置所存在的不同差異性。

2.3 緊固力變化趨勢分析

2.3.1 螺栓數據測試

本文重點基于公交GPS數據和IC卡刷卡數據，建立公交刷卡乘客上、下車站點識別模型. 上車站點識別包含2個模型分別是基于GPS時間推算和基于IC卡刷卡時間推算，首先對比分析其優缺點，并根據實際數據試算得到的識別率最終確定上車站點識別模型. 下車站點識別模型包含基于出行連續性和出行鏈識別2個模型，對比分析其優劣并以識別率為判別基準，選取較高者為下車站點識別模型. 最終根據武漢市的的進行實例驗證研究.

在正式對螺栓實施預緊力測試操作前，將整體系統進行全面初始化處理，而在采用拉伸器來實施螺栓裝置預緊處理后，則會產生一定的軸向力釋放過程，故而整體測試應從預緊作用結束24h后開啟。在項目中將采樣頻率設定為10Hz。在經過一系列測試分析后最終發現，風機裝置在24h持續運行時，兩根不同測試螺栓裝置的軸向力整體變化方向相差無幾，且可從風機基本結構來判斷測試對象在主軸承座構件的對稱區域。而風機裝置在實際運行時，風輪對軸承座構件兩邊螺栓的受力值相同，完全符合本次測試結果。

螺栓裝置在實施預緊操作后的軸向力理論與測試數據如下：1號測試螺栓最大軸向力變化值為13kN，裝置運行過程中所產生的極限軸向力值為644kN，設計預緊力值為650kN，完全待機狀態下軸向力剩余值為631kN。2號測試螺栓最大軸向力變化值為13kN，裝置運行過程中所產生的極限軸向力值為668kN，設計預緊力值為650kN，完全待機狀態下軸向力剩余值為655kN。

從上述測試結果中可看出，在螺栓預緊力整體呈現穩定狀態后，其軸向力實測值與基礎理論設計值并未存在較大偏差，1號測試螺栓裝置中整體偏差為3%左右，而2號測試螺栓裝置中整體偏差則不足1%[4]。

2.3.2 螺栓預緊力變化趨勢分析

在測試項目進行到第15h后，整體風速已低于切入風速，此時風機裝置處于停機等風狀態，而螺栓裝置的軸向力也在不斷下降。在測試時長大約過去1h后，風速不斷上升到切入風速以上，風機裝置重新并網開始發電，其整體裝置軸向力也在持續增長。此后，整體風速均未超過切入風速大小，而風機裝置始終處于停機等風狀態，這時螺栓裝置整體軸向力也只是處于一個微小的范圍內浮動。故而，運用SCADA系統所測試的有功功率及風速完全符合螺栓裝置測試數據變化曲線。

2.4 緊固力定向驗證分析

在風機裝置實際運行時，連接螺栓裝置主要受力點位荷載塔頂MY。故而，在荷載仿真時只需重點分析MY即可。除此之外，一旦風機裝置處于待機等風狀態時，因風輪裝置與機艙中心區域臨近風輪這一邊，因此機艙與風輪的整體重力在塔筒頂部均會形成一個獨有的特定傾覆力矩，從相關測試結果中可以看出，該力矩在塔筒頂部時所產生的力矩約為-1400kN·m左右，而風機裝置在發電時因風推力等外部因素影響，時常會呈現抬頭趨勢，所以荷載施加的主要作用便是測試風機與荷載在裝置待機情況下的實際差值。

全部螺栓裝置有限元分析荷載數據如下：1號測試螺栓設計施加的預緊力值為632kN，2號測試螺栓設計施加的預緊力值為660kN，而其他部分螺栓裝置預緊力施加值均可設計為650kN左右，其主要荷載分析數據如下：1號測試螺栓裝置設計預緊力為632kN，數據計算過程時，輪轂中心MY荷載測試設計值分別為：400kN·m、800kN·m、1200kN·m、1600kN·m、2000kN·m和2400kN·m。2號測試螺栓裝置設計預緊力為660kN，數據計算過程時，輪轂中心MY荷載測試設計值分別為：-1000kN·m、-600kN·m、-200kN·m、200kN·m、600kN·m和1000kN·m。

2.4.2 結果分析

在結果計算過程中可主要分為兩部分進行，一是為預緊力的施加；二是為以上文螺栓裝置有限元分析荷載數據為準，來施加靜止輪轂中心區域的MY荷載。并分別提取兩種測試螺栓中的軸向力值進行結果計算，最終測算出當外載MY值為2400kN·m時，兩根不同的螺栓測試對象整體預緊力分別增加了13.6kN和13.8kN，而螺栓裝置整體仿真與測試誤差則分別為4.6%和6.1%。

由此得出以下結論：當風機裝置處于停機等風狀態時，兩個螺栓裝置數據測試與實際值整體偏差較小，數據測試精度較高；在測試試驗階段，兩根螺栓裝置整體軸向力變化趨勢相差無幾，其整體變化幅度相對較小，其與整體結構測試受力點數據相符；兩根測試螺栓風機裝置軸向力變化值SCADA系統測試數據，與有功功率和風速變化曲線相符；有限元測試模型整體測試數據精度較高，且誤差范圍較低。故而，此種方法可長期運用于螺栓裝置緊固軸力測試與監控當中。

綜上所述，通過合理運用現代超聲波技術，構建超聲波檢測系統，對風機螺栓裝置進行緊固軸力進行系統測量，并重點分析各種條件下的螺栓裝置緊固力變化趨勢及定向驗證，從而幫助工作人員獲取真實準確的螺栓裝置緊固軸力數據，進而為相關裝置安全、穩定運行提供有力幫助。