基于压电时间反演法的螺栓松动检测研究*

王 涛，刘绍鹏，李 川，刘佳来，杨 丹，李友荣

（武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室，武汉430081）

螺栓联接广泛应用于机械、交通、土木等行业的各类设备和结构中，其联接状态直接关系到整个结构和设备的可靠性和安全性。螺栓松动会引起设备的失效与故障，甚至会造成重大人员伤亡事故，因此对螺栓联接状态进行有效监测具有重要应用意义。

常用的扭矩扳手紧固螺栓的办法，由于受到螺栓与联接件及螺纹之间摩擦力的影响，并不能准确控制螺栓轴向预紧力［1］。应变片电测法通过测量螺杆应变进而确定螺栓轴向力大小，该方法能精确测量螺栓轴向力，但由于安装条件及现场环境等各方面的限制，目前在工程中还难以广泛应用。基于结构模态信息的检测方法，通过提取螺栓松动前后，结构的特征频率、传递函数、功率谱等特征参数的变化，检测螺栓的松动情况，但该方法对螺栓初期松动无法实现有效的检测［2-3］。

超声波法被认为是一种测量螺栓轴向载荷的极有应用价值的方法，该方法主要有基于声弹性效应的测量方法及压电主动式传感检测方法。当螺栓受力状态改变时，基于声弹性效应，通过测量超声波在螺栓内传播时间的变化，进而确定螺栓的轴向力状态［4-6］。压电主动式传感采用通过压电材料主动激励并接收超声信号，研究超声波通过螺栓联接结构联接界面后超声波特性及结构特性参数的变化，实现对螺栓联接状态的检测［7-9］。

压电阻抗技术是近十几年来才发展起来的结构损伤检测的一种新方法，该方法通过测量压电材料电导纳的变化来确定结构机械阻抗的变化，进而推导出结构中的缺陷、损伤或其他物理变化［10］。Bhalla和Soh等［11-12］通过提取结构损伤前后，压电阻抗的等效质量、刚度、阻尼等参数变化，获得结构的损伤情况。利用压电阻抗实部损伤指标，螺栓联接结构中螺栓联接状态及轴向力得到了检测［13-14］。

时间反演技术由于其具有的自适应聚焦效果及能有效提高信号信噪比，在众多领域得到广泛应用［15-16］。法国科学家Fink将时间反演技术由光学应用到声学领域中，并在理论、实验和应用上对其自适应聚焦原理开展深入研究［17］。本文作者前期采用压电时间反演技术对螺栓联接状态进行了研究，提取了反演聚焦信号与螺栓预紧力之间的关系，发现二者之间具有很好的一致性，但聚焦信号在螺栓预紧力达到一定后会达到饱和状态［18］。

本文在前期工作的基础上，分别将压电材料粘贴在螺栓联接结构界面两侧，作为超声波激发器与传感器，通过材料试验机实现对作用于联接界面的螺栓轴向力的准确模拟，采用时间反演法获得聚焦信号，实验研究并获得了螺栓轴向力与时间反演聚焦信号幅值之间的关系，实现了对螺栓整个预紧力范围的轴向力的检测。

1 压电时间反演法螺栓松动检测原理

从微观角度上讲，任何机械加工表面都是粗糙的，如图1所示，实际接触仅存在于的凸起处，实际接触面积要小于理论接触面积。根据相关接触理论，在一定接触压力范围内，实际接触面积与接触面上所施加的压力的呈单调函数关系。

图1 机械加工表面的微观形貌

将压电材料分别粘贴在螺栓联接结构接触界面的两侧，如图2所示PZT1与PZT2，分别作为激发器与传感器产生、接收超声波。超声波在联接界面传播时，只有部分超声波通过螺栓联接界面，超声波所携带能量会发生损耗，损耗于材料内部与联接界面。当螺栓联接结构时，螺栓预紧力转化为压力作用在联接面，螺栓预紧力越大，螺栓联接界面实际接触面积越大，通过的超声波越多，接收到的响应信号越强［7］。

图2 螺栓联接状态检测系统框图

假设如图2所示上下板、螺栓及压电材料所构成的系统的单位脉冲响应为h（t），输入脉冲信号x（t）=Aδ（t）作用于PZT1，那么PZT2得到系统的输出响应信号为：

采用时间反演法，对响应信号作时域反演处理：

将y（-t）作为激发信号再次激发PZT1，此时PZT2接收到的聚焦信号为：

式中：Rh（t）为h（t）的自相关函数。根据自相关函数的性质可知，Rh（t）在t=0时取得最大值，故：

将式（1）带入式（4）可得：

式（5）显示响应信号的能量大小可以用聚焦信号的幅值来表征。从上述推导可知，螺栓预紧力越大，接触界面的实际接触面积越大，响应信号越强，信号能量越大。故螺栓预紧力越大，聚焦信号幅值越大。通过分析聚焦信号的幅值可确定螺栓预紧力大小，判断螺栓的联接状态。

2 实验试样与装置

根据螺栓联接状态监测的基本原理，设计如图2所示的实验系统。两块金属板件采用M16螺栓联接，在上、下板两侧分别粘贴压电材料PZT1、PZT2作为激发器与传感器。为了避免采用扭矩扳手加载过程时，由于摩擦造成的加载不准确，无法准确确定螺栓轴向力的问题，采用CMT5105电子万能试验机给两螺栓头部施加轴向载荷，用以模拟在实际螺栓预紧力作用下被联接件所受的压力。

实验试样如图3所示，将两个M16的螺栓螺杆部分进行加工，形成定位销/孔，保证实验过程中调整螺栓位置时螺栓1、2始终保持对准。当试验机对螺栓1、2头部加载时，便模拟了螺栓轴向预紧力对结合面的作用力，通过控制试验机加载力可精确模拟螺栓轴向预紧力。图3所示下板接触面粗糙度为Ra0.9，在整个实验过程中下板不做更换，作为参照基准；采用不同接触粗糙度的上板与下板配合，以研究接触界面粗糙度对接收信号的影响。试样尺寸如图3所示，不同试样组中上板接触面粗糙度如表1所列，其中所用压电材料的压电常数d33=400×10-12C/N。

表1 实验上板试样及压电材料规格

图3 实验试样示意图

整体的实验装置如图4所示。实验过程中，由控制计算机控制CMT5105电子万能试验机对螺栓定量加载，采集计算机产生中心频率150 kHz、脉冲间隔200 ms、幅值5 V的单峰值高斯脉冲信号，经数据采集设备USB-6361转换为模拟信号后，激励压电材料PZT1产生超声波。超声波通过螺栓联接界面后，被压电材料PZT2接收并转换为电压信号，经前置放大器后，由数据采集设备采集并存储在计算机中（响应信号）。在时域将响应信号进行反演变换后，再将反演信号作为激励信号重新发出，再次激励PZT1振动产生超声信号。超声信号通过螺栓联接界面后由PZT2再次接收反演聚焦信号，聚焦信号经过前置放大器后，由数据采集设备采集并存储。

3 实验结果与分析

每组试样进行数次实验，每一载荷条件下提取实验采集的多次聚焦信号的平均幅值作为分析参数，得到聚焦信号的平均幅值与螺栓所受轴向力（螺栓预紧力）的关系。图4所示为1#试样在轴向力1 000 N作用下压电材料PZT1先后接收的响应信号与反演聚焦信号，对比响应信号与聚焦信号可以发现，在相同的环境下，聚焦信号的噪声干扰较小，且幅值更大，说明聚焦信号具有更高的信噪比，因此本文通过聚焦信号幅值来分析通过螺栓联接界面超声波能量变化。

图4 实验装置

提取1#试样在不同轴向力作用下的反演聚焦信号，聚焦信号与螺栓轴向预紧力（试验机施加的载荷）之间的关系如图6所示，图6（a）、（b）、（c）是螺栓位于不同位置（如图3所示），即距离压电材料不同距离时的聚焦信号幅值变化趋势图。从图6（a）中可以看出，随着所施加的螺栓轴向力的增加，反演聚焦信号的幅值随之增加。在初始阶段（松动～10 000 N），聚焦信号幅值变化较快，因此曲线具有较大的斜率；在后续（10 000 N～50 000 N）阶段，聚焦信号仍然保持增加，只是增幅较初始阶段变缓。图中曲线在10 000 N附近出现了转折点。分析其原因，当载荷达到10 000 N时，螺栓与试样板件之间接触部分应力已经超出材料的弹性应力阶段，产生了弹塑性变形，因此曲线出现了转折点。

图5 典型响应信号与反演聚焦信号

图6 不同作用力下1#试样聚焦信号幅值

将螺栓移动至D1位置，增加螺栓至压电材料的距离，测试结果如图6（b）。从图中可以看出，转折点位置发生变化；聚焦信号仍然随着所在载荷的增加而变大，只是在转折点后，对比较螺栓在D0位置，其变化趋势降低。当将螺栓位置移至D2位置后，从图6（c）中可以看出在转折点位置后移至16 000 N，且聚焦信号信号在转折点后趋于平缓，变化不大，信号基本趋于饱和。

从以上实验可知，通过改变螺栓与压电材料之间的位置，可以控制聚焦信号的变化趋势。当螺栓与压电材料位置较近时，在整个测量范围内（0～50 000 N），聚焦信号持续增加，没有出现信号稳定饱和现象［18］。对于一般等级的M16螺栓，该测量范围基本覆盖了螺栓所能承受的轴向载荷范围，说明通过调整压电材料的布置位置，该方法可以实现对较大范围内的螺栓轴向预紧力检测。

将上板接触面粗糙度增加至Ra11.18与下板组成2#试样，测试结果如图7所示。

图7 不同作用力下2#试样聚焦信号幅值

从图7（a）中可以看出，当加载力大于2 000 N后，聚焦信号的幅值随着加载的增加而呈线性增长，在整个测量范围内聚焦信号幅值曲线没有出现转折现象。当将螺栓位置移至D1位置，增加螺栓与压电材料的距离后，从图7（b）中可以看出，当载荷在40 000 N内时，聚焦信号随着轴向预紧力载荷的增加而持续增加；当轴向载荷大于40 000 N后，聚焦信号幅值变化变缓，慢慢趋于稳定/饱和状态。当继续调整螺栓位置至D2时，从图7（c）中可以看出，在轴向力载荷达到32 000 N后，聚焦信号幅值便出现变化缓慢现象，信号幅值趋于稳定/饱和现象。

从以上两组试样实验可以看出，通过调整接触面的粗糙度及螺栓与压电材料之间的距离，可以控制反演聚焦信号的变化趋势；适当提高接触面的粗糙度，可以测量更大范围的螺栓轴向预紧力，解决了前期研究工作中信号过早饱和的问题，可实现对整个螺栓额定轴向力的完整检测。工程中螺栓联接界面的粗糙度通常有一定的规范标准，不能无限制的提高其接触粗糙度，此时可以将实验中上、下板结构设计成集成压电材料的智能垫片，上、下板之间的粗糙面可以根据所使用的螺栓规格人为地加工成一定尺寸的凸、凹的曲面，控制其实际接触面积的变化，可实现对不同规格螺栓额定轴向力范围的检测，并可实现对螺栓轴向力及联接状态的在线健康监测。

4 结论

针对实际工程结构中容易出现的螺栓联接松动问题，采用压电时间反演法对螺栓联接状态监测进行实验研究。实验结果显示：①聚焦信号幅值与螺栓预紧力有较好的单调关系：聚焦信号的幅值随着螺栓轴向预紧力的增大而增大；当螺栓预紧力增大到一定值后，聚焦信号幅值将基本保持稳定。通过分析聚焦信号幅值可以确定螺栓联接状态，该方法可以作为螺栓联接状态监测的一种有效手段。②螺栓联接界面表面粗糙度对聚焦信号幅值变化趋势有影响，粗糙度越大，螺栓距离压电材料越近，聚焦信号越不易饱和，可测范围越大；通过控制联接界面间的粗糙度及结构参数，可以实现对不同规格螺栓额定轴向力的在线监测。③时间反演法所得到的自适应聚焦信号能有效地提高信号信噪比，抗干扰能力强，采用压电时间反演法在螺栓联接状态监测上具有很好的应用前景。

利用压电材料时间反演技术进行螺栓联接状态监测具有很好的应用前景，但仍需大量工作需要做深入的研究，如压电超声波在联接结构及联接界面的传播规律、影响因素等，在接下来的工作中将进一步展开研究；将实验试样结构转化为集成压电材料的智能螺栓垫片，通过设计垫片上、下板接触界面的凸、凹结构，研究不同规格螺栓轴向预紧力额定范围内的检测，研究该方法应用于螺栓联接状态在线健康监测技术。

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