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(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， 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(lián)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(lián)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(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)接搭接板結構，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系，了解到結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(lián)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。

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。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(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(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關系。

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，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(shù)據(jù)來分析其誤差。對比結果，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(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(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，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。