如何检测螺栓轴向力衰减@@？

螺栓联接@@被大量应用于汽车@@、化工@@、大型压力机@@、船舶@@、航空等多个领域@@。螺栓的@@轴向预紧力对螺栓的@@使用@@寿命和联接状况@@ 有着重要的@@影响@@。

这里拟建立螺栓轴向力与超@@声表面波能量间关系@@，拟合出其非线性曲线@@，并用实验来验证@@，同时结合表面波能量耗散法在线监测螺栓轴向力的@@衰减@@，为@@螺栓轴向力衰减的@@检测提供一种新方法@@，进而实现对螺栓轴向力的@@准确快速监测@@。

检测原理@@

螺栓联接@@是由螺栓和螺母对两个或多个联接件施加@@轴向的@@@@ 预紧力而形成@@，预紧力的@@大小决定着联接的@@紧密程度@@，螺栓联接@@在机械制造的@@许多领域中都占据着重要的@@位置@@。联接件表面不规则分布着许多微凸体与凹坑@@，当对螺栓施加@@@@预紧力@@，上@@下两个联接件间接触的@@微凸体就会相互挤压@@，结合面间的@@微凸体在外力作用下发生一定程度的@@弹塑性变形@@，从而导致微凸体之间@@的@@真实接触面积增大@@，进而使得接板间的@@真实接触面积也随之不断地增大@@。

文献@@[13]通过@@Hertz接触理论分析得出@@，在一定预紧力范围内@@，结合面间的@@真实接触面积伴随着轴向预紧力的@@增加而增加@@。超@@ 声波通过@@结合面间的@@微凸体相互接触的@@部位进行传播@@，因此两联接件结合面之间@@的@@实际接触面积与超@@声波的@@透射@@信号@@能量呈正@@ 比例关系@@，但当预紧力增加到一定程度@@，由于联接件间的@@微凸体基本被压平@@，结合面间接触面积达到最大@@，超@@声波透射@@信号@@的@@能量逐渐接近饱和状态并不再发生变化@@。

这里利用超@@声表面波透射@@信号@@能量检测螺栓轴向力的@@衰减@@，如图@@1所示@@。针对螺栓联接@@搭接板结构@@，由位于上@@板表面波斜探头产生表面波激励信号@@@@，通过@@两联接板结合面间相互接触的@@微凸体@@，经过@@透射@@传入到下板@@，被下板的@@表面波斜探头接收到@@，并获得螺栓轴向力和表面波透射@@信号@@能量间的@@关系@@，了解到结合面上@@微凸体的@@实际接触状态@@，进而快速检测螺栓轴向力的@@衰减@@，并对螺栓联接@@件的@@松动情况进行实时在线地监测@@。

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实验装置@@及方法@@

3.1 实验装置@@

本节搭建了基于超@@声表面波的@@螺栓轴向力检测系统@@，可以利用表面波的@@透射@@信号@@能量对螺栓轴向力进行检测@@，并利用@@表面波波能耗散法对螺栓轴向力的@@衰减实施在线监测@@。所搭建的@@实验装置@@@@，使用@@M20X60的@@6.8级@@304不锈钢螺栓作为@@实验对象@@，并按照相关@@工艺要求将其安装在试验台上@@@@，如图@@2所示@@。

试验台可模拟螺栓拧紧的@@过程@@，拉压力传感器下端通过@@双头螺柱固定在底板上@@@@，通过@@转换套将@@M20的@@螺栓与接口为@@@@M12的@@拉压力传感器上@@端联接起来@@，转换套内部方向皆为@@正旋@@，逆时针拧动转换套即可将螺栓与拉力传感器同时向转换套中心处@@拉动@@，带动拉压力传感器内的@@应变片变化@@，以此来对螺栓施加@@@@轴向拉力@@，轴向拉力的@@测量值可以实时显示在力值显示控制仪@@YBB-AH上@@。

这里使用@@@@OLYMPUS公司生产的@@@@@@5072PR型超@@声波脉冲发生@@/接收器来激发和接收超@@声表面波信号@@@@，探头使用@@美国泛美公司@@(Panametrics)生产的@@@@1MHz的@@OLYMPUS压电陶瓷表面波斜探头@@(倾斜角度为@@@@70°)，采用低通滤波的@@方式消除噪声@@，将表面波斜探头用透明胶带固定在螺栓板上@@@@，防止其滑动@@。并利用@@TEK⁃ TRONIX公司生产的@@@@@@TBS1052B型数字示波器来接收并显示波形信号@@@@，采样频率为@@@@50MB/s，增益为@@@@56dB，用示波器储存数据@@。

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3.2 试样及实验方法@@

实验选用@@6061铝合金板为@@试样@@，尺寸为@@@@(150×100×8)mm，在试样宽度的@@中心线处@@沿长度方向@@30mm处@@，开设有直径为@@@@22mm的@@通孔@@，如图@@3所示@@。在搭接板的@@上@@部铝板的@@上@@表面激发表面波信号@@@@，在下部铝板的@@上@@表面接收表面波透射@@信号@@@@，表面波入射探头与表面波接收探头相对距离为@@@@150mm，由于力值显示控制仪@@YBB-AH的@@数值显示最大值为@@@@630kg的@@力@@，使用@@板手对螺栓按照@@50kg的@@步进梯度依次@@从@@(0~600)kg施加@@轴向预紧力@@，远低于螺栓的@@保护载荷@@108000N，处@@于螺栓的@@弹性变形范围内@@。设置示波器的@@采样的@@平均次@@数为@@@@128次@@，减少透射@@信号@@最@@ 大峰值的@@随机误差@@，施加@@预紧力的@@同时记录保存预紧力值和表面波数据@@。

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实验结果与讨论@@

对超@@声透射@@信号@@进行多次@@平均后@@，减小了噪声和随机误差@@，得到了较为@@稳定的@@波形信号@@@@，接收到的@@标准的@@表面波透射@@信号@@@@，如图@@4所示@@。

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通过@@施加@@不同梯度的@@预紧力观察表面波透射@@信号@@的@@幅值的@@变化@@，这里针对试样同一位置进行多次@@试验@@，并针对多次@@试验的@@结果所得的@@表面波信号@@幅值求平均@@。不同轴向力对应的@@透射@@信号@@幅值@@，如图@@5所示@@。

可以看出@@，刚开始在@@100kg的@@轴向力范围内@@，随着轴向力的@@增加@@，透射@@波的@@幅值增长较慢@@，此时@@上@@下铝板间结合面上@@的@@微凸体才开始进行接触@@，所传输透射@@信号@@的@@能量开始随着接触面积增大而增大@@，当螺栓轴向力在@@(100~300)kg之间@@，透射@@波信号@@的@@幅值增长较快@@，此时@@大量的@@微凸体微逐渐开始相互挤压@@，在挤压力的@@相互作用下微凸体产生了很大程度的@@弹性变形@@，微凸体间的@@接触面积增加速度变快@@，透射@@过去的@@超@@声能量更多@@。

当螺栓轴向力在@@300kg之后透射@@波信号@@的@@幅值依旧增长@@，但增长速度逐渐变缓@@，此时@@结合面间微凸体在弹性范围内接近于被压平@@，上@@下微凸体间接触面积增速减慢@@，所以透射@@波信号@@幅值增速减慢@@，慢慢趋近于水平状态@@。将同一组表面波透射@@波信号@@进行比较@@，发现随着预紧力递增@@，透射@@波信号@@幅值逐渐增加@@，如图@@6所示@@，进一步证实了螺栓轴向力与超@@声表面透射@@信号@@能量间的@@正相关@@关系@@。

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对实验的@@透射@@波信号@@能量的@@平均值进行拟合@@，获得了的@@表面波透射@@信号@@能量与螺栓轴向力的@@线性关系@@，如图@@7所示@@，并以此推出拟合方程式@@(1)如下@@：

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公式中@@：Y—面波的@@透射@@波幅值@@，单位是@@V;

X—螺栓预紧力@@，单位是@@N。

从式中可以得出在螺栓轴向力小于@@600kg的@@弹性范围内@@，螺栓轴向力与表面波透射@@信号@@能量间存在非线性正相关@@关系@@，透射@@ 信号@@的@@能量随着轴向力增加而增大@@，且增速逐渐减小@@，对于同材质同类型的@@螺栓@@，当检测在役螺栓的@@松动情况时@@，可直接通过@@测得的@@透射@@波幅值得出螺栓此时@@的@@轴向力@@，并以此种方式检测螺栓的@@松动情况@@。为@@了验证公式的@@正确性@@，按照相同的@@条件@@，重新进行一组实验@@，通过@@实验数据来分析其误差@@。对比结果@@，如图@@8所示@@。

从上@@图中可以发现螺栓的@@实测轴向力与理论轴向力的@@误差较小@@，拟合曲线的@@预测较为@@准确@@，因此用线性拟合方程来预测螺栓轴向的@@方法是切实可行的@@@@。利用波能耗散法在线监测螺栓轴向力的@@衰减@@，对螺栓施加@@@@205.6kg的@@初始轴向预紧力@@，此时@@透射@@信号@@超@@声能量为@@@@25.2V，每间隔十分钟记录一次@@螺栓轴向力的@@大小和透射@@信号@@能量值@@，经过@@30min的@@在线测量@@，螺栓的@@轴向力值依次@@衰减为@@@@ 205.3kg、205.2kg、205kg，对应的@@透射@@信号@@能量依次@@为@@@@ 24.8V、24.4V、24V，如图@@9所示@@。由此可以得出随着螺栓轴向力的@@衰减@@，表面波透射@@信号@@能量呈递减趋势@@，且变化较为@@显著@@。

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当对螺栓施加@@@@轴向的@@预紧力后@@@@，两铝板的@@结合面间微凸体开始相互挤压接触@@，随着预紧力的@@增大@@，相互接触的@@微凸体的@@数量不断地增加@@，与此同时@@，微凸体由于互相挤压先开始发生弹性变形@@，两铝板间的@@微凸体的@@实际接触面积逐渐增大@@，直到微凸体完全被压平@@。为@@了更清晰得到铝板在螺栓施加@@预紧力后@@微凸体的@@微观变化@@，这里采用三维形貌仪@@，针对同一区域@@，对施加@@预紧力前后的@@表面粗糙度进行观测@@，针对同一区域@@进行研究@@，如图@@10所示@@。

其中@@，加预紧力前的@@表面三维形貌@@，其轮廓的@@平均算术偏差@@Ra为@@ 5.931，如图@@10(a)所示@@。施加@@3000N预紧力后@@，此时@@Ra为@@ 5.235，如图@@10(b)所示@@。由此可以证实@@，在螺栓轴向力作用下@@，结合面间微凸体被挤压发生弹塑性变形@@，增大了接触面积@@，进而导致表面波透射@@能量增大@@。

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