Page 111 - 《应用声学》2021年第4期
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第 40 卷 第 4 期 严勇等： 风电螺栓轴向应力超声测量标定实验研究 595
均匀拉伸应力)，此时有 [5−6]
0 引言
V (σ,T ) = V 0 (1 + ε · σ)(1 − α · ∆T), (1)
螺栓作为工业中常用的连接件，广泛应用于航
式 (1) 中：V (σ,T ) 为温度和应力同时作用下的声速；
空航天、船舶轮机、桥梁建设及石油化工设备等领
V 0 为超声纵波无应力状态下的传导速度；ε 为声弹
域 [1] 。近年来，由于风电行业的迅猛发展，高强螺栓
性系数；σ 为螺栓轴向应力；α 为温度对超声波在固
也被大量应用于风电塔筒联接、叶片与轮毂的联接。
体内传导的影响系数；∆T 为温度的变化值。
风电发电机联接螺栓处于变载荷的作用下，常发生
当轴向应力 σ = 0、温度为 t 0 时，总长为 L 0 的
螺栓松动乃至断裂，如不及时处理将严重危害设备
螺栓纵波声时为 [5]
安全。螺栓轴向应力也是影响螺栓性能、寿命以及
使用状态的重要指标。在风电设备的实际安装过程 T 0 = 2L 0 /V 0 . (2)
中，为控制和检测螺栓拧紧时的预紧力，通常采用扭
当温度为 t、螺栓承受的轴向应力为 σ 时，螺栓
矩扳手法测量螺栓的预紧力。扭矩扳手法受摩擦系
纵波声时为 [5]
数分散和应力集中的影响存在较大误差，误差高达
L 1 + ∆L 1 L 2 (1 + β∆t)
[2]
±40% 。基于声弹性效应的螺栓轴向应力超声测 T (σ,T ) = 2 + 2 , (3)
V (σ,t) V (t)
量技术是一种低成本、快速、无损的螺栓轴向应力
式 (3) 中：L 1 为螺栓有效受力长度；L 2 为螺栓不受
测量方法。该技术自出现以来，就受到国内外学者
力长度；∆L 1 为螺栓有效受力长度因温度和轴向应
的广泛关注 [3−4] ，国内桥梁、风电等领域已经开展
力引起的长度变化；β 为温度膨胀系数；∆t 为温度
了螺栓轴向应力超声测量的应用研究。但是其测量
变化。
精度容易受到信号干扰、温度变化、耦合层厚度变
因此，螺栓的轴向应力σ 可表示为 [5]
化等各种因素的影响，从而导致精度不高，在实际应
E·K S V 0
用中受到限制。 σ = ×
2L 1
基于以上原因，本文对基于声弹性效应的螺栓 [ ]
T 1 T 0 (4)
轴向应力超声测量原理和方法进行了研究，开发了 1 + K t (t 1 − 20) − 1 + K t (t 0 − 20) ,
螺栓超声应力测量实验系统，针对 42CrMoA 风电 式 (4) 中：E 为螺栓材料的弹性模量；t 0 为测量零应
螺栓的轴向应力测量开展了测试实验，分析了影响 力声时的温度；t 1 为测量应力为σ 时的温度；T 0 为零
螺栓轴向应力测量精度的主要因素，并通过精确的
应力声时；T 1 为测量应力为 σ 时的声时；K S 为应力
实验标定提高了螺栓应力测量精度，在实际应用中
系数，机械伸长量和声程增加量的比值，在误差许可
取得了良好的效果。
范围内该比值为材料系数，与应力无关；K t 为温度
系数，每10 C温度变化引起的声程变化率。
◦
1 螺栓轴向应力超声测量原理
对于风力发电机上的大型联接螺栓，主要采用
根据声弹性原理，超声波的速度会因材料中的 42CrMoA 材料制造，可通过实验标定 K S 、K t 和 V 0
紧固力的存在而产生微小的变化，通过研究被测螺 的值，实测时只需测量 T 1 、T 0 、t 1 、t 0 以及螺栓的有
栓轴向应力与超声波传播时间变化率的关系，可以 效受力长度 L 0 ，即可由式 (4) 计算出螺栓的轴向应
利用超声波来测量被测螺栓中的紧固力 [1] 。该方法 力σ。这一方法测量精度较高，适用于新安装螺栓预
利用超声波传播速度或传播时间等参量来表征螺 紧力的测量以实现精确预紧，但对于已服役的螺栓，
栓应力的大小。实际应用中一般不直接测量超声波 在不松动螺栓的情况下无法测量螺栓长度及其对
波速，而是转为测量声时值。声时值是指超声波沿 应的声时，因此无法实现螺栓轴向应力的原位检测。
螺栓轴向传播时所需的往返时间。利用声时值来进
1.2 纵横波联合测量
行测量又分为纵波法和纵横波联合法。
纵波测量螺栓应力，必须在螺栓拧紧前测量其
1.1 超声纵波测量 不受外力时的声时，因此无法测量已经拧紧处于工
根据声弹性原理，螺栓中超声波沿轴向传导的 作状态的螺栓轴向应力。风力发电机上大量采用高
速度与该方向应力呈线性关系 (假定螺栓承受轴向 强螺栓联接，需要定期检修和紧固，因此迫切需要一
