淺析幾種高強(qiáng)度螺栓安全狀態(tài)檢測方法

呂瀟 張雷 陳卓 王印

摘要：標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高強(qiáng)度連接螺栓的緊固程度參數(shù)是施工升降機(jī)、塔式起重機(jī)等機(jī)電類特種設(shè)備檢驗(yàn)的主要內(nèi)容。本文總結(jié)了目前主要的幾種方法，即扭矩扳手法、敲擊檢測法、壓電阻抗分析法、應(yīng)變片電測法、超聲波測量法、標(biāo)記法的基本原理、適用范圍和現(xiàn)狀，并比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。然后根據(jù)高效與實(shí)時(shí)的要求，在標(biāo)記法的基礎(chǔ)上，提出并分析了基于機(jī)器視覺技術(shù)的螺栓安全狀態(tài)檢測方法的可行性。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度螺栓；安全狀態(tài)；檢測；機(jī)器視覺

前言

高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、交通、電力、航空、土木等行業(yè)的各類設(shè)備和結(jié)構(gòu)中，一方面用于聯(lián)接可拆卸部件，另一方面，在施工升降機(jī)、塔式起重機(jī)等機(jī)電類特種設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)中，用于承擔(dān)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間的載荷，其安全緊固狀態(tài)直接關(guān)系到整個(gè)設(shè)備工作的可靠性和安全性。有大量事故已表明，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接螺栓的松動會造成整機(jī)工作狀態(tài)的改變，是直接或間接導(dǎo)制發(fā)生倒塌事故的主要危險(xiǎn)源。

針對高強(qiáng)度螺栓安全狀態(tài)檢測問題，本文介紹了目前主要的幾種檢測方法，并比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并在高效與實(shí)時(shí)檢驗(yàn)的原則下，提出一種新型的快速檢測方法。

1.常用的檢測方法

1.1 扭矩扳手法

在工程中廣泛采用扭矩扳手測量和控制螺栓的緊固程度[1]，主要原理是將套筒連接在扭矩體上，當(dāng)套筒連接螺栓或螺母，用手扳動扭矩扳手時(shí)，扭矩體連桿產(chǎn)生相反的旋轉(zhuǎn)扭矩，同時(shí)帶動扇形齒輪這轉(zhuǎn)動，扇形齒輪帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，小齒輪帶動軸端上的指針，指針帶動從動指針，當(dāng)停止施加轉(zhuǎn)動扭矩時(shí)，從動指針在字盤上指示對應(yīng)的扭矩值，從而判斷螺栓的松緊程度。但由于螺母和套筒之間以及螺紋間摩擦力的存在，很難精確測量、控制螺栓的軸向作用力。由于摩擦力的不確定性，即使采用精確的扭矩扳手測量緊固力，仍可能達(dá)到50%的不確定性。

1.2敲擊檢測法

在實(shí)際工程中，有經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)員常用敲擊的方法，根據(jù)聲音的變化來判斷螺栓是否松脫。關(guān)于敲擊損傷識別方法的理論分析，較早見于文獻(xiàn)[2-4]，研究表明敲擊不同區(qū)域會發(fā)出不同的聲音，是因?yàn)榍脫暨^程中，由于結(jié)構(gòu)缺陷的出現(xiàn)使得敲擊力的特性發(fā)生了變化，因此根據(jù)敲擊力時(shí)域曲線的寬度或者頻域曲線下的面積比就可以辨識出結(jié)構(gòu)的損。而文獻(xiàn)[5]認(rèn)為如果考慮到結(jié)構(gòu)原點(diǎn)阻抗和結(jié)構(gòu)局部損傷的聯(lián)系，并進(jìn)一步根據(jù)原點(diǎn)阻抗對敲擊裝置加速度頻譜的影響，通過施加恰當(dāng)?shù)那脫袅?，是可以在之前基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)敲擊法的損傷檢測效果?；谑芸厍脫魴z測原理，文獻(xiàn)[5]提出了一種改進(jìn)型的敲擊檢測方法。它通過對螺栓施加恒定的敲擊力，從敲擊裝置的加速度功率密度譜（PSD）中提取對螺栓擰緊力矩敏感的特征信息，并結(jié)合支持向量機(jī)方法實(shí)現(xiàn)了螺栓松緊程度的識別。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該方法不但可以很準(zhǔn)確地識別螺栓完全松脫的情況，也可以比較可靠地對螺栓部分松脫的情況進(jìn)行定量的檢測。

1.3 壓電阻抗分析法

文獻(xiàn)[6] 基于壓電材料的正逆壓電效應(yīng)，將其作為傳感器和驅(qū)動器。檢測原理主要是將壓電材料粘貼在主體結(jié)構(gòu)表面，通過給壓電材料施加高頻激勵(lì)信號使之產(chǎn)生微小振動，壓電材料的振動信號作用在主體結(jié)構(gòu)表面使之產(chǎn)生相應(yīng)的振動； 主體結(jié)構(gòu)的振動反過來會作用在壓電材料上，壓電材料受力會使其表面電荷發(fā)生改變； 壓電材料表面電荷的變化可以通過精密阻抗分析儀以壓電阻抗的形式反映出來； 主體結(jié)構(gòu)特性（如剛度和阻尼等）的變化會使其振動發(fā)生變化，進(jìn)而使其作用于壓電材料的振動發(fā)生改變，從而使得壓電材料反饋的電信號不同，因此可以通過比較壓電材料反饋的電信號來分析主體結(jié)構(gòu)的變化； 而對于螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)，主結(jié)構(gòu)的變化在這里主要來自螺栓的預(yù)緊力的變化，故可以通過分析壓電材料的阻抗變化情況來確定螺栓的松緊狀況。

1.4 應(yīng)變片電測法

應(yīng)變片電測法采用標(biāo)準(zhǔn)電阻應(yīng)變片，將其安裝在螺栓螺桿上，通過測量螺栓應(yīng)變進(jìn)而獲得螺栓的軸向力，具有很高的測量精度，但受到螺栓安裝形式的限制，在很多場合難以實(shí)現(xiàn)。

1.5 超聲波測量法

1940年發(fā)現(xiàn)了聲彈性現(xiàn)象，超聲波的速度會因材料中的應(yīng)力而產(chǎn)生微小的變化，國內(nèi)外許多學(xué)者展開了基于聲彈性效應(yīng)的螺栓松動檢測研究[7-8]。但螺栓中聲速的改變量微小，需要專門的精密儀器進(jìn)行跟蹤測量，而且實(shí)際應(yīng)用中螺栓構(gòu)件尺寸小，而其中波速快，若要達(dá)到測量目的，其測量精度要達(dá)到納秒的級別，難以廣泛應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場大量螺栓的狀態(tài)檢測。針對這一問題，文獻(xiàn)[9]利用壓電材料產(chǎn)生超聲波，通過分析超聲波在螺栓聯(lián)接界面處能量損耗與螺栓聯(lián)接預(yù)緊力之間的關(guān)系，建立了接收信號能量與螺栓所受扭矩之間的數(shù)學(xué)模型。通過測試接受信號的能量大小，即可得出螺栓的緊固狀態(tài)。

1.6 標(biāo)記法

在螺栓緊固的時(shí)候，使用FIXOLID油漆標(biāo)記筆沿螺栓螺母劃條直線，如圖1所示，在可見部位標(biāo)定記號。這樣既可對在裝配過程中畫好的標(biāo)記起到檢查作用，避免在裝配過程中遺漏或忘記緊固，還能直觀地反映螺栓由于各種原因造成的松動現(xiàn)象。該方法使用簡單，成本低廉，唯一不足就是需要人眼進(jìn)行主觀判斷。

2.基于機(jī)器視覺技術(shù)的標(biāo)記法

基于以上幾種目前常用方法的闡述與淺析，可以發(fā)現(xiàn)這些方法，都能夠較為準(zhǔn)確的測量出螺栓的緊固程度，但是均或多或少存在成本高、使用繁瑣、人為因素強(qiáng)等問題，尤其是在施工現(xiàn)場這種復(fù)雜環(huán)境下，這些方法的普適性、可行性普遍都比較低。本文基于標(biāo)記法的高效便捷的特點(diǎn)，提出一種基于機(jī)器視覺技術(shù)的螺栓安全狀態(tài)檢測方法，該方法通過高速CCD 相機(jī)拍攝到的視頻圖像作為輸入對象，經(jīng)過系統(tǒng)的處理將視頻分解為幀圖像，經(jīng)過DSP處理器分析，自動判定是否存在松動的情況，克服了傳統(tǒng)方法由人眼直接觀察帶來的效率低下的問題。該方法包括ROI提取定位、圖像預(yù)處理、圖像特征提取、分類等模塊組成，技術(shù)框圖如圖2所示。

3.結(jié)語

本文在簡要分析總結(jié)常用的螺栓安全狀態(tài)檢測方法的基礎(chǔ)上，著重分析了幾種實(shí)時(shí)性強(qiáng)的檢測方法，并比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在標(biāo)記法的基礎(chǔ)上，提出基于機(jī)器視覺技術(shù)的檢測方法，闡述了檢測原理并論證了其技術(shù)框圖，該方法簡單可靠，通過DSP裝置可以實(shí)現(xiàn)無人工參與并且在線實(shí)時(shí)檢測，因此在后續(xù)的工作中將直接展開標(biāo)記法的圖像目標(biāo)識別技術(shù)的研究，并進(jìn)一步深入研究和構(gòu)建高強(qiáng)度螺栓安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳靜.正確使用扭矩扳手[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2009，22：69-71.

[2]CAWLEY P， ADAMS R D.The mechanics of the coin-tap method of non-destructive testing[J].Journal of sound and vibration，1988，122：299-316.

[3]CAWLEY P，ADAMS R D.Sensitivity of the cion-tap method of non-destructive testing[J].Materials evaluation，1989，47：558-563.

[4]高峰， 王德俊， 江鐘偉，等.壓電阻抗技術(shù)用于螺栓松緊健康診斷[J].中國機(jī)械工程，2001，9：1048-1049.

[5]向志海，黃俊濤.螺栓松緊程度的受控敲擊檢測方法[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2012， 27（5）：545-550.

[6]王濤，楊志武，邵俊華， 等.基于壓電阻抗技術(shù)的螺栓松動檢測試驗(yàn)研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)， 2014， 27（10）：1321-1325.

[7]劉鎮(zhèn)清， 王路.用超聲波技術(shù)測量螺栓軸向緊固應(yīng)力[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào)，1997， 11（1）：32-37.

[8]張俊， 顧臨怡， 錢筱林， 等.鋼結(jié)構(gòu)工程中高強(qiáng)度螺栓軸向應(yīng)力的超聲波測量技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006， 42（2）：216-220.

[9]王濤， 羅毅， 劉紹鵬， 等.基于壓電主動傳感方式的螺栓松動檢測實(shí)驗(yàn)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)， 2013， 26（8）：1059-1063.