基于超聲波技術(shù)螺栓緊固軸力測量應(yīng)用研究

國電電力河北新能源開發(fā)有限公司 孔繁杰

1 項目研究內(nèi)容及原理簡述

聲發(fā)射通常也被稱之為應(yīng)力波發(fā)射，當(dāng)裝置結(jié)構(gòu)和材料受到外力作用產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力超標(biāo)、斷裂或變形等不良狀態(tài)時，發(fā)生不可逆的塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生瞬間彈性波來釋放出相應(yīng)的裝置應(yīng)變能，故而被稱為聲發(fā)射。此外，在外部條件作用下，材料或零部件的缺陷或潛在缺陷改變狀態(tài)，而自動發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象亦稱為聲發(fā)射。因此，這種聲發(fā)射彈性波能夠準(zhǔn)確反映出某些材料的特殊性質(zhì)，故而可通過聲發(fā)射信號檢測方法，來判斷某些發(fā)射設(shè)備和材料的特殊狀態(tài)。

另外，目前市面所用的全部螺栓材料均具有一定的聲發(fā)射性能，所以其整體檢查范圍較廣，且不會受到任何檢測對象工作環(huán)境、外部形狀及尺寸等因素影響。其主要原理是將物體彈性波通過系統(tǒng)裝置傳送到檢測對象表面，使發(fā)射傳感器裝置產(chǎn)生表面位移，再由探測器將材料通過機(jī)械振動方式轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，最后進(jìn)行處理、放大并記錄，以便于工作人員通過超聲波信號來判斷螺栓裝置的真實狀態(tài)，進(jìn)而實施相應(yīng)的維護(hù)或更換操作[1]。

2 基于超聲波技術(shù)的螺栓緊固軸力測量

2.1 螺栓軸向力測試?yán)碚撃Ｐ?/h3>

2.1.1 螺栓軸向應(yīng)力及伸長量

以某超聲波技術(shù)螺栓裝置檢測項目為例，運用公式（1）～（7）表達(dá)了關(guān)于螺栓裝置應(yīng)力與速度間的關(guān)系模型：（Ca-C0）/C0=Aσ（1），式中：C0代表超縱波在具體試樣檢測中的詳細(xì)應(yīng)力σ=0時的實際運行速度。Ca代表大于σ0時超縱波沿著裝置應(yīng)力方向的實際傳播速度，A則代表比例系數(shù)，其中系數(shù)為負(fù)值時，則代表超縱波沿張應(yīng)力方向的實際傳播速度中所包含的縱速度，將隨著基礎(chǔ)應(yīng)力值的增加而變小。同時，試樣長度會因部分應(yīng)力作用而產(chǎn)生相應(yīng)變化。設(shè)L0與Lσ分別表示σ=0和σ＞0時的裝置試樣長度，則應(yīng)力與長度之間的關(guān)系計算，如公式（2）所示：（La-L0）/L0=σ/E。

若假設(shè)t0與ta分別代表σ=0和σ＞0時的裝置超聲脈沖單次沿試樣往返的時間間隔，則時間間隔、速度及長度之間的關(guān)系計算，如公式（3）所示：to=2L0/C0?；诠剑?）及公式（2）便可推算出裝置應(yīng)力為時的真實往返時間間隔計算方式，如公式（4）所示：tσ=2Lσ/Cσ（1+σ/E）/[Co（1-Aσ）]，其相對應(yīng)的時間變化值計算方法，如公式（5）所示：，將其進(jìn)行簡化處理如公式（6）：，若令K1=A+1/E，則可得出相應(yīng)的應(yīng)力計算公式，如公式（7）：σ=1/K1=Δt/t0。運用上述公式，可將應(yīng)力正比于裝置超聲脈沖傳播時間所產(chǎn)生的先谷底變化，在通過試驗求證K1后，接口計算出準(zhǔn)確的應(yīng)力數(shù)值。

2.1.2 超聲波與軸向力關(guān)系模型

筆者運用了超聲波技術(shù)對螺栓裝置進(jìn)行系統(tǒng)測試，主要是通過螺栓裝置在實施預(yù)緊前后的長度變化而定，最后基于裝置本身有效夾緊長度獲得準(zhǔn)確的螺栓應(yīng)變值，其整體測試原理接近于傳統(tǒng)測試方法，均是運用螺栓裝置在測量后所得到的應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為軸向力來測試，螺栓裝置實際拉抻力計算方法，如公式（8）所示：，式中：ΔL代表螺栓裝置實際變形量，即：。

據(jù)公式（8）可進(jìn)一步推導(dǎo)出螺栓裝置的最終軸向力數(shù)據(jù)，如公式（9）所示：，式中：F代表螺栓裝置在測試過程時的軸向力，E為螺栓裝置本身材質(zhì)結(jié)構(gòu)中的彈性模量，S代表螺栓裝置橫截面面積數(shù)據(jù)，L代表螺栓裝置等效夾緊設(shè)計長度，t0則代表螺栓裝置在正在預(yù)緊情況下超聲波在其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的整體飛行時長，T代表完成預(yù)緊情況下超聲波在其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的整體飛行時長，Δt代表螺栓裝置整體預(yù)緊前后超聲波在測試平臺中所測量到的噪聲差值，kt代表整體溫度系數(shù)值，V則代表超聲波縱波在各個裝置介質(zhì)中的整體傳播速度[2]。

2.1.3 超聲波傳播時間

在詳細(xì)測試過程中，在螺栓裝置頭部適當(dāng)加裝了相應(yīng)的壓電陶瓷片，使測量設(shè)備對壓電陶瓷片形成應(yīng)有的脈沖激勵，通過逆壓電效應(yīng)使螺栓頭部陶瓷片上形成微弱的裝置波動，待裝置波動傳輸至螺栓裝置底部后，會因接觸介質(zhì)結(jié)構(gòu)不同而反射，而反射回來的機(jī)械波動便會由壓電效應(yīng)形成各種電信號，這時采用預(yù)緊力測量裝置對相關(guān)信號進(jìn)行系統(tǒng)測量，成功得出了機(jī)械波動在螺桿裝置中詳細(xì)傳播時間。此外，螺栓螺桿裝置通常會在實施預(yù)緊力測試時被伸長，進(jìn)而保障整體波動時間也會無限增加，為此，通過運用彈性模量、材料伸縮及時間差便可準(zhǔn)確計算出相應(yīng)的預(yù)緊力值，具體計算可參照公式（9）完成。

2.2 傳動連鎖螺栓軸向力測試

2.2.1 螺栓裝置軸向力測試系統(tǒng)設(shè)計

本次案例項目測試系統(tǒng)主要包括高精度聲時功能模塊、數(shù)據(jù)存儲功能模塊、溫度檢測功能模塊和超聲換能器構(gòu)成，其整體系統(tǒng)測試結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 超聲波螺栓裝置測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本次案例項目螺栓裝置檢測型號為M39型，其具體參數(shù)如下：螺栓裝置規(guī)格為M39×300mm，設(shè)計目標(biāo)預(yù)緊力值為655kN、應(yīng)力截面積為976mm2，檢測數(shù)量為2個，性能等級為10.9級別。本文結(jié)合以往工作經(jīng)驗，主要針對其中兩顆受力相對較大的螺栓進(jìn)行緊固軸力測試，以便于開展對不同螺栓裝置檢測數(shù)據(jù)的對比分析工作。最終決定，選擇在軸承座構(gòu)件對稱區(qū)域的主軸后端實施整體測試工作，并采用拉抻法進(jìn)行預(yù)緊處理。在經(jīng)過一系列調(diào)試測試后，最終將整體測試系統(tǒng)搭建完成，其整體系統(tǒng)超聲測量回波如圖2所示[3]。

圖2 超聲波回波測量顯示圖

2.2.2 超聲波與軸向力

通常來講，螺栓裝置本身的力學(xué)特性會在一定程度上，受到溫度、熱處理工藝及結(jié)構(gòu)材質(zhì)的影響，在20℃左右的常溫裝置對其進(jìn)行標(biāo)定，便可直接獲得超聲波聲時差與螺栓裝置軸向力的關(guān)系，如圖3所示。

就整體測試結(jié)果而言，兩顆被測螺栓均具備良好的線性度，但在預(yù)緊力的作用下所產(chǎn)生的聲時差卻截然不同，這也側(cè)面證明了不同區(qū)域螺栓裝置所存在的不同差異性。

2.3 緊固力變化趨勢分析

2.3.1 螺栓數(shù)據(jù)測試

本文重點基于公交GPS數(shù)據(jù)和IC卡刷卡數(shù)據(jù)，建立公交刷卡乘客上、下車站點識別模型. 上車站點識別包含2個模型分別是基于GPS時間推算和基于IC卡刷卡時間推算，首先對比分析其優(yōu)缺點，并根據(jù)實際數(shù)據(jù)試算得到的識別率最終確定上車站點識別模型. 下車站點識別模型包含基于出行連續(xù)性和出行鏈識別2個模型，對比分析其優(yōu)劣并以識別率為判別基準(zhǔn)，選取較高者為下車站點識別模型. 最終根據(jù)武漢市的的進(jìn)行實例驗證研究.

在正式對螺栓實施預(yù)緊力測試操作前，將整體系統(tǒng)進(jìn)行全面初始化處理，而在采用拉伸器來實施螺栓裝置預(yù)緊處理后，則會產(chǎn)生一定的軸向力釋放過程，故而整體測試應(yīng)從預(yù)緊作用結(jié)束24h后開啟。在項目中將采樣頻率設(shè)定為10Hz。在經(jīng)過一系列測試分析后最終發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)裝置在24h持續(xù)運行時，兩根不同測試螺栓裝置的軸向力整體變化方向相差無幾，且可從風(fēng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)來判斷測試對象在主軸承座構(gòu)件的對稱區(qū)域。而風(fēng)機(jī)裝置在實際運行時，風(fēng)輪對軸承座構(gòu)件兩邊螺栓的受力值相同，完全符合本次測試結(jié)果。

螺栓裝置在實施預(yù)緊操作后的軸向力理論與測試數(shù)據(jù)如下：1號測試螺栓最大軸向力變化值為13kN，裝置運行過程中所產(chǎn)生的極限軸向力值為644kN，設(shè)計預(yù)緊力值為650kN，完全待機(jī)狀態(tài)下軸向力剩余值為631kN。2號測試螺栓最大軸向力變化值為13kN，裝置運行過程中所產(chǎn)生的極限軸向力值為668kN，設(shè)計預(yù)緊力值為650kN，完全待機(jī)狀態(tài)下軸向力剩余值為655kN。

從上述測試結(jié)果中可看出，在螺栓預(yù)緊力整體呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)后，其軸向力實測值與基礎(chǔ)理論設(shè)計值并未存在較大偏差，1號測試螺栓裝置中整體偏差為3%左右，而2號測試螺栓裝置中整體偏差則不足1%[4]。

2.3.2 螺栓預(yù)緊力變化趨勢分析

在測試項目進(jìn)行到第15h后，整體風(fēng)速已低于切入風(fēng)速，此時風(fēng)機(jī)裝置處于停機(jī)等風(fēng)狀態(tài)，而螺栓裝置的軸向力也在不斷下降。在測試時長大約過去1h后，風(fēng)速不斷上升到切入風(fēng)速以上，風(fēng)機(jī)裝置重新并網(wǎng)開始發(fā)電，其整體裝置軸向力也在持續(xù)增長。此后，整體風(fēng)速均未超過切入風(fēng)速大小，而風(fēng)機(jī)裝置始終處于停機(jī)等風(fēng)狀態(tài)，這時螺栓裝置整體軸向力也只是處于一個微小的范圍內(nèi)浮動。故而，運用SCADA系統(tǒng)所測試的有功功率及風(fēng)速完全符合螺栓裝置測試數(shù)據(jù)變化曲線。

2.4 緊固力定向驗證分析

在風(fēng)機(jī)裝置實際運行時，連接螺栓裝置主要受力點位荷載塔頂MY。故而，在荷載仿真時只需重點分析MY即可。除此之外，一旦風(fēng)機(jī)裝置處于待機(jī)等風(fēng)狀態(tài)時，因風(fēng)輪裝置與機(jī)艙中心區(qū)域臨近風(fēng)輪這一邊，因此機(jī)艙與風(fēng)輪的整體重力在塔筒頂部均會形成一個獨有的特定傾覆力矩，從相關(guān)測試結(jié)果中可以看出，該力矩在塔筒頂部時所產(chǎn)生的力矩約為-1400kN·m左右，而風(fēng)機(jī)裝置在發(fā)電時因風(fēng)推力等外部因素影響，時常會呈現(xiàn)抬頭趨勢，所以荷載施加的主要作用便是測試風(fēng)機(jī)與荷載在裝置待機(jī)情況下的實際差值。

全部螺栓裝置有限元分析荷載數(shù)據(jù)如下：1號測試螺栓設(shè)計施加的預(yù)緊力值為632kN，2號測試螺栓設(shè)計施加的預(yù)緊力值為660kN，而其他部分螺栓裝置預(yù)緊力施加值均可設(shè)計為650kN左右，其主要荷載分析數(shù)據(jù)如下：1號測試螺栓裝置設(shè)計預(yù)緊力為632kN，數(shù)據(jù)計算過程時，輪轂中心MY荷載測試設(shè)計值分別為：400kN·m、800kN·m、1200kN·m、1600kN·m、2000kN·m和2400kN·m。2號測試螺栓裝置設(shè)計預(yù)緊力為660kN，數(shù)據(jù)計算過程時，輪轂中心MY荷載測試設(shè)計值分別為：-1000kN·m、-600kN·m、-200kN·m、200kN·m、600kN·m和1000kN·m。

2.4.2 結(jié)果分析

在結(jié)果計算過程中可主要分為兩部分進(jìn)行，一是為預(yù)緊力的施加；二是為以上文螺栓裝置有限元分析荷載數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，來施加靜止輪轂中心區(qū)域的MY荷載。并分別提取兩種測試螺栓中的軸向力值進(jìn)行結(jié)果計算，最終測算出當(dāng)外載MY值為2400kN·m時，兩根不同的螺栓測試對象整體預(yù)緊力分別增加了13.6kN和13.8kN，而螺栓裝置整體仿真與測試誤差則分別為4.6%和6.1%。

由此得出以下結(jié)論：當(dāng)風(fēng)機(jī)裝置處于停機(jī)等風(fēng)狀態(tài)時，兩個螺栓裝置數(shù)據(jù)測試與實際值整體偏差較小，數(shù)據(jù)測試精度較高；在測試試驗階段，兩根螺栓裝置整體軸向力變化趨勢相差無幾，其整體變化幅度相對較小，其與整體結(jié)構(gòu)測試受力點數(shù)據(jù)相符；兩根測試螺栓風(fēng)機(jī)裝置軸向力變化值SCADA系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)，與有功功率和風(fēng)速變化曲線相符；有限元測試模型整體測試數(shù)據(jù)精度較高，且誤差范圍較低。故而，此種方法可長期運用于螺栓裝置緊固軸力測試與監(jiān)控當(dāng)中。

綜上所述，通過合理運用現(xiàn)代超聲波技術(shù)，構(gòu)建超聲波檢測系統(tǒng)，對風(fēng)機(jī)螺栓裝置進(jìn)行緊固軸力進(jìn)行系統(tǒng)測量，并重點分析各種條件下的螺栓裝置緊固力變化趨勢及定向驗證，從而幫助工作人員獲取真實準(zhǔn)確的螺栓裝置緊固軸力數(shù)據(jù)，進(jìn)而為相關(guān)裝置安全、穩(wěn)定運行提供有力幫助。