基于聲彈性原理環(huán)槽鉚釘夾緊力超聲波檢測方法的研究

左世斌 賈云龍 張欽 董帥 鄧濤 趙祥云

摘要：為解決環(huán)槽鉚釘夾緊力在役檢測的難題，本文基于聲彈性原理，提出了利用環(huán)槽鉚釘軸向應(yīng)力與鉚接前后超聲波縱波傳播的時間差的線性關(guān)系，間接檢測環(huán)槽鉚釘夾緊力的方法。結(jié)合環(huán)槽鉚釘結(jié)構(gòu)及安裝方法的特殊性，選擇合的超聲波反射界面，消除了套環(huán)徑向擠壓和鉚釘尾牙塑性帶了的檢測誤差和檢測不確定性，大幅度提高了夾緊力的檢測精度。

關(guān)鍵詞：超聲波;聲彈性原理;夾緊力;環(huán)槽鉚釘

中圖分類號：TH823? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0129-02

0? 引言

環(huán)槽鉚釘起源于20世紀60年代的美國，最早是為解決轟炸機在航母上頻繁降落產(chǎn)生巨大振動，導(dǎo)致夾板上螺栓松動、連接失效的問題。經(jīng)過幾十年的發(fā)展環(huán)槽鉚釘已經(jīng)成功應(yīng)用在航空航天、鐵路車輛、鐵路軌道、重型汽車和鋼結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。但環(huán)槽鉚釘在受沖擊、材料蠕變或連接結(jié)構(gòu)變形等的影響下，其夾緊力（等效與螺栓的預(yù)緊力）可能發(fā)生衰減，從而影響結(jié)構(gòu)的使用性或安全性，因此環(huán)槽鉚釘夾緊力的精確測量和在役監(jiān)控具有重要的實際意義和工程應(yīng)用價值。

超聲波檢測螺栓預(yù)緊力技術(shù)是近年來發(fā)展并在實際工作中得到應(yīng)用較為廣泛的方法，其利用超聲波的聲彈性原理，通過超聲縱波在螺栓本體中傳播時間變化間接檢測其預(yù)緊力的大小，具有以下優(yōu)勢：

①超聲波檢測不破壞被檢測件樣品，可以做到不降低螺栓的性能。

②超聲波檢測技術(shù)可以實現(xiàn)一個通道多顆螺栓的預(yù)緊力檢測和監(jiān)控。

③超聲波穿透力好，可以滿足一般的螺栓預(yù)緊力的檢測需要。

④超聲波預(yù)緊力檢測速度快，適合大批量同類型產(chǎn)品的檢測。但針環(huán)槽鉚釘特殊的尾部結(jié)構(gòu)和套環(huán)徑向鎖緊方式，如何利用超聲波技術(shù)精準的測量其夾緊力，本文將著重討論。

1? 環(huán)槽鉚釘夾緊力超聲波檢測原理

超聲波檢測螺栓預(yù)緊力技術(shù)是基于超聲縱波聲速與螺栓應(yīng)力線性相關(guān)的聲彈性原理[1-3]。當超聲波沿螺栓軸向傳播時，其聲速隨著作用于螺栓上應(yīng)力的增加而減小，兩者呈線性關(guān)系。當應(yīng)力施加到螺栓上時，超聲波聲速發(fā)生變化的同時螺栓發(fā)生彈性變形被拉長，造成超聲波從螺栓的頭部進入，在尾部反射并返回的渡越時間增加。通過超聲波螺栓測量儀檢測超聲縱波在有無聲時情況下的渡越螺栓的聲時差即可間接計算得到螺栓的預(yù)緊力。

由于環(huán)槽鉚釘特殊的尾部結(jié)構(gòu)和套環(huán)徑向鎖緊安裝方式，傳統(tǒng)的螺栓底面反射法無法排除鉚釘尾牙安裝中塑性變形和套環(huán)徑向鎖緊帶來環(huán)槽鉚釘桿部應(yīng)力狀態(tài)變化導(dǎo)致的檢測誤差和測量不確定性。為了排除上述因素的影響，在鉚釘釘桿上設(shè)置用于超聲波反射的反射孔，其中反射孔位于鎖緊槽和光桿的交界處，提取反射孔到冒頭段作為反射體，用于環(huán)槽鉚釘夾緊力的測量，可以有效排除環(huán)槽鉚釘安裝過程中尾牙變形和套環(huán)徑向擠壓引起的誤差，其結(jié)構(gòu)圖1所示。

測量原理為：根據(jù)聲彈性原理，鉚釘鉚接后受預(yù)緊力的作用，其聲速為：

式（1）中：C0——超聲波在鉚接前無預(yù)緊力時（σ=0）的聲速;

Cσ——超聲波在鉚接后應(yīng)力為σ時（σ>0）的聲速;

k——與材料有關(guān)的聲彈性系數(shù);

σ——鉚釘鉚接后的應(yīng)力。

鉚接后，由于應(yīng)力的作用反射體將被拉長，其中鉚釘冒頭到反射孔的長度變化：

式（2）中：L——鉚釘冒頭到反射孔之間的距離;

H——鉚釘冒頭厚度;

E——鉚釘材料的彈性模量。

其中是與環(huán)槽鉚釘單位夾緊力引起的超聲波相對變化量，由標定可得到，通過測量環(huán)槽鉚釘鉚接前后的超聲縱波傳播時間s0和sσ，由式（8）即可求得環(huán)槽鉚釘?shù)膴A緊力。

另外，針對同一直徑和長度規(guī)格的環(huán)槽鉚釘，超聲波反射體相同，排除了標定和檢測時連接厚度差異帶來的測量誤差，進一步提高了工程應(yīng)用的可操作性。

2? 實驗室驗證試驗

為驗證以上測量方法的可行性，選擇公稱直徑24mm、性能等級10.9級、標記鉚接厚度75mm的短尾環(huán)槽鉚釘進行實驗室驗證試驗。試驗前在鉚釘光桿和鎖緊槽交界處預(yù)制直徑Φ1mm的圓孔作為反射孔，反射孔距離鉚釘冒頭距離為75mm，冒頭上粘貼超聲波壓電陶瓷晶片，采用TCH-800C型螺栓超聲波軸力測試系統(tǒng)進行標定和測量，并與輪輻式壓力傳感器測量結(jié)果進行對比，其測量結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明超聲波檢測環(huán)槽鉚釘夾緊力的相對誤差在3%以內(nèi)。

3? 釘群效應(yīng)試驗

為驗證環(huán)槽鉚釘夾緊力超聲波檢測方法在實際連接構(gòu)件中測量的準確性，在眉山中車緊固件科技有限公司實驗室進行了環(huán)槽鉚釘釘群效應(yīng)試驗。測量對象為某鋼混組合橋縱向腹板拼接節(jié)點的1：1實物模型，板束厚度為（18+12+12）mm，材質(zhì)為Q345E，表面采用涂層處理。實物模型上安裝公稱直徑24mm、性能等級10.9級，標記鉚接厚度40mm的短尾環(huán)槽鉚釘108套，其中板束中部增加6套壓力環(huán)測量環(huán)槽鉚釘?shù)恼鎸崐A緊力，現(xiàn)場試驗布置及模型尺寸如圖2所示。使用超聲波方法檢測108套環(huán)槽鉚釘按一定順序鉚接時夾緊力的變化。其中將安裝壓力環(huán)的6套環(huán)槽鉚釘最終檢測結(jié)果與壓力環(huán)測量數(shù)據(jù)進行對比，見表2[4]，結(jié)果表明：在實際連接構(gòu)件中，環(huán)槽鉚釘夾緊力超聲波檢測方法的相對誤差不大于5%。

4? 結(jié)束語

通過對環(huán)槽鉚釘超聲波檢測方法及原理的分析，然后用實驗室驗證和實際連接構(gòu)件的釘群效應(yīng)試驗進行了驗證，結(jié)果表明：環(huán)槽鉚釘夾緊力超聲波檢測方法可行，其測量相對誤差不大于5%，采用反射體作為測量段避免了環(huán)槽鉚釘安裝中尾牙變形、套環(huán)擠壓釘桿對夾緊力測量的影響，提高了測量結(jié)果的穩(wěn)定性，利于工程實際應(yīng)用。

參考文獻：

[1]施澤華，周海鳴.聲彈性法及其應(yīng)用[J].河海大學學報，1990，18（2）：69-75.

[2]杜剛民，李東風，曹樹林，等.螺栓軸向應(yīng)力超聲測量技術(shù)[J].無損檢測，2006，28（1）：20-25.

[3]朱士明，江澤濤，盧杰，等.聲時差法測定螺栓的預(yù)緊力[J].聲學技術(shù)，1995，14（4）：181-186.

[4]西安建筑科技大學.連接順序?qū)Νh(huán)槽鉚釘預(yù)緊力損失的影響試驗研究報告[R].2019.