基于超声波技术螺栓紧固轴力测量应用研究

国电电力河北新能源开发有限公司 孔繁杰

1 项目研究内容及原理简述

声发射通常也被称之为应力波发射，当装置结构和材料受到外力作用产生内部应力超标、断裂或变形等不良状态时，发生不可逆的塑性变形，进而产生瞬间弹性波来释放出相应的装置应变能，故而被称为声发射。此外，在外部条件作用下，材料或零部件的缺陷或潜在缺陷改变状态，而自动发出瞬态弹性波的现象亦称为声发射。因此，这种声发射弹性波能够准确反映出某些材料的特殊性质，故而可通过声发射信号检测方法，来判断某些发射设备和材料的特殊状态。

另外，目前市面所用的全部螺栓材料均具有一定的声发射性能，所以其整体检查范围较广，且不会受到任何检测对象工作环境、外部形状及尺寸等因素影响。其主要原理是将物体弹性波通过系统装置传送到检测对象表面，使发射传感器装置产生表面位移，再由探测器将材料通过机械振动方式转化为相应的电信号，最后进行处理、放大并记录，以便于工作人员通过超声波信号来判断螺栓装置的真实状态，进而实施相应的维护或更换操作[1]。

2 基于超声波技术的螺栓紧固轴力测量

2.1 螺栓轴向力测试理论模型

2.1.1 螺栓轴向应力及伸长量

以某超声波技术螺栓装置检测项目为例，运用公式（1）～（7）表达了关于螺栓装置应力与速度间的关系模型：（Ca-C0）/C0=Aσ（1），式中：C0代表超纵波在具体试样检测中的详细应力σ=0时的实际运行速度。Ca代表大于σ0时超纵波沿着装置应力方向的实际传播速度，A则代表比例系数，其中系数为负值时，则代表超纵波沿张应力方向的实际传播速度中所包含的纵速度，将随着基础应力值的增加而变小。同时，试样长度会因部分应力作用而产生相应变化。设L0与Lσ分别表示σ=0和σ＞0时的装置试样长度，则应力与长度之间的关系计算，如公式（2）所示：（La-L0）/L0=σ/E。

若假设t0与ta分别代表σ=0和σ＞0时的装置超声脉冲单次沿试样往返的时间间隔，则时间间隔、速度及长度之间的关系计算，如公式（3）所示：to=2L0/C0。基于公式（1）及公式（2）便可推算出装置应力为时的真实往返时间间隔计算方式，如公式（4）所示：tσ=2Lσ/Cσ（1+σ/E）/[Co（1-Aσ）]，其相对应的时间变化值计算方法，如公式（5）所示：，将其进行简化处理如公式（6）：，若令K1=A+1/E，则可得出相应的应力计算公式，如公式（7）：σ=1/K1=Δt/t0。运用上述公式，可将应力正比于装置超声脉冲传播时间所产生的先谷底变化，在通过试验求证K1后，接口计算出准确的应力数值。

2.1.2 超声波与轴向力关系模型

笔者运用了超声波技术对螺栓装置进行系统测试，主要是通过螺栓装置在实施预紧前后的长度变化而定，最后基于装置本身有效夹紧长度获得准确的螺栓应变值，其整体测试原理接近于传统测试方法，均是运用螺栓装置在测量后所得到的应变值转化为轴向力来测试，螺栓装置实际拉抻力计算方法，如公式（8）所示：，式中：ΔL代表螺栓装置实际变形量，即：。

据公式（8）可进一步推导出螺栓装置的最终轴向力数据，如公式（9）所示：，式中：F代表螺栓装置在测试过程时的轴向力，E为螺栓装置本身材质结构中的弹性模量，S代表螺栓装置横截面面积数据，L代表螺栓装置等效夹紧设计长度，t0则代表螺栓装置在正在预紧情况下超声波在其结构内部的整体飞行时长，T代表完成预紧情况下超声波在其结构内部的整体飞行时长，Δt代表螺栓装置整体预紧前后超声波在测试平台中所测量到的噪声差值，kt代表整体温度系数值，V则代表超声波纵波在各个装置介质中的整体传播速度[2]。

2.1.3 超声波传播时间

在详细测试过程中，在螺栓装置头部适当加装了相应的压电陶瓷片，使测量设备对压电陶瓷片形成应有的脉冲激励，通过逆压电效应使螺栓头部陶瓷片上形成微弱的装置波动，待装置波动传输至螺栓装置底部后，会因接触介质结构不同而反射，而反射回来的机械波动便会由压电效应形成各种电信号，这时采用预紧力测量装置对相关信号进行系统测量，成功得出了机械波动在螺杆装置中详细传播时间。此外，螺栓螺杆装置通常会在实施预紧力测试时被伸长，进而保障整体波动时间也会无限增加，为此，通过运用弹性模量、材料伸缩及时间差便可准确计算出相应的预紧力值，具体计算可参照公式（9）完成。

2.2 传动连锁螺栓轴向力测试

2.2.1 螺栓装置轴向力测试系统设计

本次案例项目测试系统主要包括高精度声时功能模块、数据存储功能模块、温度检测功能模块和超声换能器构成，其整体系统测试结构如图1所示。

图1 超声波螺栓装置测试系统结构图

本次案例项目螺栓装置检测型号为M39型，其具体参数如下：螺栓装置规格为M39×300mm，设计目标预紧力值为655kN、应力截面积为976mm2，检测数量为2个，性能等级为10.9级别。本文结合以往工作经验，主要针对其中两颗受力相对较大的螺栓进行紧固轴力测试，以便于开展对不同螺栓装置检测数据的对比分析工作。最终决定，选择在轴承座构件对称区域的主轴后端实施整体测试工作，并采用拉抻法进行预紧处理。在经过一系列调试测试后，最终将整体测试系统搭建完成，其整体系统超声测量回波如图2所示[3]。

图2 超声波回波测量显示图

2.2.2 超声波与轴向力

通常来讲，螺栓装置本身的力学特性会在一定程度上，受到温度、热处理工艺及结构材质的影响，在20℃左右的常温装置对其进行标定，便可直接获得超声波声时差与螺栓装置轴向力的关系，如图3所示。

就整体测试结果而言，两颗被测螺栓均具备良好的线性度，但在预紧力的作用下所产生的声时差却截然不同，这也侧面证明了不同区域螺栓装置所存在的不同差异性。

2.3 紧固力变化趋势分析

2.3.1 螺栓数据测试

本文重点基于公交GPS数据和IC卡刷卡数据，建立公交刷卡乘客上、下车站点识别模型. 上车站点识别包含2个模型分别是基于GPS时间推算和基于IC卡刷卡时间推算，首先对比分析其优缺点，并根据实际数据试算得到的识别率最终确定上车站点识别模型. 下车站点识别模型包含基于出行连续性和出行链识别2个模型，对比分析其优劣并以识别率为判别基准，选取较高者为下车站点识别模型. 最终根据武汉市的的进行实例验证研究.

在正式对螺栓实施预紧力测试操作前，将整体系统进行全面初始化处理，而在采用拉伸器来实施螺栓装置预紧处理后，则会产生一定的轴向力释放过程，故而整体测试应从预紧作用结束24h后开启。在项目中将采样频率设定为10Hz。在经过一系列测试分析后最终发现，风机装置在24h持续运行时，两根不同测试螺栓装置的轴向力整体变化方向相差无几，且可从风机基本结构来判断测试对象在主轴承座构件的对称区域。而风机装置在实际运行时，风轮对轴承座构件两边螺栓的受力值相同，完全符合本次测试结果。

螺栓装置在实施预紧操作后的轴向力理论与测试数据如下：1号测试螺栓最大轴向力变化值为13kN，装置运行过程中所产生的极限轴向力值为644kN，设计预紧力值为650kN，完全待机状态下轴向力剩余值为631kN。2号测试螺栓最大轴向力变化值为13kN，装置运行过程中所产生的极限轴向力值为668kN，设计预紧力值为650kN，完全待机状态下轴向力剩余值为655kN。

从上述测试结果中可看出，在螺栓预紧力整体呈现稳定状态后，其轴向力实测值与基础理论设计值并未存在较大偏差，1号测试螺栓装置中整体偏差为3%左右，而2号测试螺栓装置中整体偏差则不足1%[4]。

2.3.2 螺栓预紧力变化趋势分析

在测试项目进行到第15h后，整体风速已低于切入风速，此时风机装置处于停机等风状态，而螺栓装置的轴向力也在不断下降。在测试时长大约过去1h后，风速不断上升到切入风速以上，风机装置重新并网开始发电，其整体装置轴向力也在持续增长。此后，整体风速均未超过切入风速大小，而风机装置始终处于停机等风状态，这时螺栓装置整体轴向力也只是处于一个微小的范围内浮动。故而，运用SCADA系统所测试的有功功率及风速完全符合螺栓装置测试数据变化曲线。

2.4 紧固力定向验证分析

在风机装置实际运行时，连接螺栓装置主要受力点位荷载塔顶MY。故而，在荷载仿真时只需重点分析MY即可。除此之外，一旦风机装置处于待机等风状态时，因风轮装置与机舱中心区域临近风轮这一边，因此机舱与风轮的整体重力在塔筒顶部均会形成一个独有的特定倾覆力矩，从相关测试结果中可以看出，该力矩在塔筒顶部时所产生的力矩约为-1400kN·m左右，而风机装置在发电时因风推力等外部因素影响，时常会呈现抬头趋势，所以荷载施加的主要作用便是测试风机与荷载在装置待机情况下的实际差值。

全部螺栓装置有限元分析荷载数据如下：1号测试螺栓设计施加的预紧力值为632kN，2号测试螺栓设计施加的预紧力值为660kN，而其他部分螺栓装置预紧力施加值均可设计为650kN左右，其主要荷载分析数据如下：1号测试螺栓装置设计预紧力为632kN，数据计算过程时，轮毂中心MY荷载测试设计值分别为：400kN·m、800kN·m、1200kN·m、1600kN·m、2000kN·m和2400kN·m。2号测试螺栓装置设计预紧力为660kN，数据计算过程时，轮毂中心MY荷载测试设计值分别为：-1000kN·m、-600kN·m、-200kN·m、200kN·m、600kN·m和1000kN·m。

2.4.2 结果分析

在结果计算过程中可主要分为两部分进行，一是为预紧力的施加；二是为以上文螺栓装置有限元分析荷载数据为准，来施加静止轮毂中心区域的MY荷载。并分别提取两种测试螺栓中的轴向力值进行结果计算，最终测算出当外载MY值为2400kN·m时，两根不同的螺栓测试对象整体预紧力分别增加了13.6kN和13.8kN，而螺栓装置整体仿真与测试误差则分别为4.6%和6.1%。

由此得出以下结论：当风机装置处于停机等风状态时，两个螺栓装置数据测试与实际值整体偏差较小，数据测试精度较高；在测试试验阶段，两根螺栓装置整体轴向力变化趋势相差无几，其整体变化幅度相对较小，其与整体结构测试受力点数据相符；两根测试螺栓风机装置轴向力变化值SCADA系统测试数据，与有功功率和风速变化曲线相符；有限元测试模型整体测试数据精度较高，且误差范围较低。故而，此种方法可长期运用于螺栓装置紧固轴力测试与监控当中。

综上所述，通过合理运用现代超声波技术，构建超声波检测系统，对风机螺栓装置进行紧固轴力进行系统测量，并重点分析各种条件下的螺栓装置紧固力变化趋势及定向验证，从而帮助工作人员获取真实准确的螺栓装置紧固轴力数据，进而为相关装置安全、稳定运行提供有力帮助。