如何檢測螺栓軸向力衰減？

螺栓聯(lián)接被大量應用于汽車、化工、大型壓力機、船舶、航空等多個領(lǐng)域。螺栓的軸向預緊力對螺栓的使用壽命和聯(lián)接狀況 有著重要的影響。

這里擬建立螺栓軸向力與超聲表面波能量間關(guān)系，擬合出其非線性曲線，并用實驗來驗證，同時結(jié)合表面波能量耗散法在線監(jiān)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(xiàn)對螺栓軸向力的準確快速監(jiān)測。

檢測原理

螺栓聯(lián)接是由螺栓和螺母對兩個或多個聯(lián)接件施加軸向的 預緊力而形成，預緊力的大小決定著聯(lián)接的緊密程度，螺栓聯(lián)接在機械制造的許多領(lǐng)域中都占據(jù)著重要的位置。聯(lián)接件表面不規(guī)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(lián)接件間接觸的微凸體就會相互擠壓，結(jié)合面間的微凸體在外力作用下發(fā)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(nèi)， 結(jié)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(jié)合面間的微凸體相互接觸的部位進行傳播，因此兩聯(lián)接件結(jié)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(guān)系，但當預緊力增加到一定程度，由于聯(lián)接件間的微凸體基本被壓平，結(jié)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(tài)并不再發(fā)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(lián)接搭接板結(jié)構(gòu)，由位于上板表面波斜探頭產(chǎn)生表面波激勵信號，通過兩聯(lián)接板結(jié)合面間相互接觸的微凸體，經(jīng)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(guān)系，了解到結(jié)合面上微凸體的實際接觸狀態(tài)，進而快速檢測螺栓軸向力的衰減，并對螺栓聯(lián)接件的松動情況進行實時在線地監(jiān)測。

實驗裝置及方法

3.1 實驗裝置

本節(jié)搭建了基于超聲表面波的螺栓軸向力檢測系統(tǒng)，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(jiān)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(guān)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(zhuǎn)換套將M20的螺栓與接口為M12的拉壓力傳感器上端聯(lián)接起來，轉(zhuǎn)換套內(nèi)部方向皆為正旋，逆時針擰動轉(zhuǎn)換套即可將螺栓與拉力傳感器同時向轉(zhuǎn)換套中心處拉動，帶動拉壓力傳感器內(nèi)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。

這里使用OLYMPUS公司生產(chǎn)的5072PR型超聲波脈沖發(fā)生/接收器來激發(fā)和接收超聲表面波信號，探頭使用美國泛美公司(Panametrics)生產(chǎn)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TEK? TRONIX公司生產(chǎn)的TBS1052B型數(shù)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(shù)據(jù)。

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(fā)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(shù)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(nèi)。設置示波器的采樣的平均次數(shù)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(shù)據(jù)。

實驗結(jié)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(wěn)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。

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(jié)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(nèi)，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(jié)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(chǎn)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(jié)合面間微凸體在彈性范圍內(nèi)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(tài)。將同一組表面波透射波信號進行比較，發(fā)現(xiàn)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(guān)關(guān)系。

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(guān)系，如圖7所示，并以此推出擬合方程式(1)如下：

公式中：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(nèi)，螺栓軸向力與表面波透射信號能量間存在非線性正相關(guān)關(guān)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(zhì)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(shù)據(jù)來分析其誤差。對比結(jié)果，如圖8所示。

從上圖中可以發(fā)現(xiàn)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(jiān)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(jīng)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。

當對螺栓施加軸向的預緊力后，兩鋁板的結(jié)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(shù)量不斷地增加，與此同時，微凸體由于互相擠壓先開始發(fā)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(qū)域，對施加預緊力前后的表面粗糙度進行觀測，針對同一區(qū)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(shù)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(jié)合面間微凸體被擠壓發(fā)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。

結(jié)論

這里基于超聲表面波波能耗散法的原理來研究螺栓聯(lián)接的松緊狀態(tài)，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(shù)的螺栓軸向力衰減的檢測方法，并通過實驗進行了相關(guān)的驗證，具體結(jié)論如下：

這里提出了一種利用超聲表面波技術(shù)在線監(jiān)測螺栓聯(lián)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(nèi)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(shù)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(shù)學模型可得，彈性形變范圍內(nèi)，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。