Page 112 - 《应用声学》2021年第4期

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种对于已服役螺栓轴向应力进行检测的技术手段。 实际测量时，由于是在同一螺栓上测量，螺栓
纵横波联合测量法无需测量螺栓不受力状态下的 长度不变，因此可用实测纵波声时、横波声时替换
声时，已经拧紧的螺栓不必松开，满足了风电领域的 纵波及横波声速，得
应用需求，得到了行业的重视。 V T − V T 2
2
2
2
L 0 S
S 0 L
根据声学原理，沿应力方向传播的纵波波速与 σ = 2 2 2 2 , (11)
K L V T − K S V T
L 0 S S 0 L
应力之间的关系式 [7] 为
为
式 (11) 中：V L 0 为零应力状态下的纵波声速；V S 0
σ
2
ρ 0 V = λ + 2u + × 零应力状态下的横波声速；T L 为被测螺栓纵波声
L
3λ + 2u
[ ] 时；T S 为被测螺栓横波声时。
λ + u
(4λ + 10u + 4m) + λ + 2l , (5)
u 从式 (11) 中可知，对于同种材质相同制造工艺
式 (5) 中，ρ 0 为固体材料零应力下的密度，λ、u 为二 的螺栓，可取螺栓样品通过完全退火消除其内应力，
阶拉梅第一参数和拉梅第二参数，l、m 为三阶弹性 并在实验室标定出近似零应力状态下的纵波声速
参数，V L 为纵波声速，σ 为螺栓轴向应力。若螺栓应 V L 0 、横波声速 V S 0 、纵波测量应力系数 K L 、横波测
力为零时，则有 量应力系数 K S ，即可通过纵波声时和横波声时测
√ 量出螺栓轴向应力。这一检测方法消除了螺栓长度
λ + 2u
= . (6)
V L 0 对测量结果的影响，实现了在役螺栓预紧力的原位
ρ 0
测量，在风力发电机的定期巡检中，可用于高强螺栓
将式(6)带入式(5)，整理后有
预紧力检测，具有广阔的应用前景。
λ + u
[ ]
(4λ + 10u + 4m) + λ + 2l
2
V = V 2 1 + u σ . 2 测量系统构建
L
L 0
(λ + 2u)(3λ + 2u)
(7)
以上述螺栓轴向应力超声测量理论为基础研
λ + u 制的测试系统，主要由超声换能器、测量系统主机、
(4λ + 10u + 4m) + λ + 2l
u
令 K L = ，将 K L 笔记本电脑组成，其系统组成框图和测试照片如
(λ + 2u)(3λ + 2u)
带入式(7)，有 图 1 所示。该系统采用自发自收模式，设计了 16 路
采集通道，支持纵波测量和纵横波联合测量，可实现
2
2
V = V (1 + K L σ). (8)
L L 0
对服役螺栓轴向应力的快速测量。
K L 为纵波测量应力系数，仅与材料本身有关，本研 在螺栓轴向应力采集模式下，由计算机向测量
究中通过在实验室对新螺栓样件完全退火后标定 系统主机发出控制指令，实现特定脉冲信号的输出，
获得。由式 (7) 可知，K L 与材料的三阶弹性参数有 激励超声换能器发射相应形式的纵波和横波信号。
关，相关研究表明，长时间循环载荷的作用会影响 超声换能器接收到螺栓另一端面的回波反射信号
K L 值，即随着疲劳循环次数的增加，材料表面微裂 后，经过带通滤波、增益放大和过阈值测量，由超声
纹的存在及由疲劳引起的位错效应将对超声信号
声时采集电路通过精密时基脉冲测量出超声波沿
的传导产生非线性影响 [8] 。显然，这一影响是导致
螺栓轴向来回传导一次的声时值，进而计算出螺栓
当前已服役螺栓轴向应力超声测量误差的因素之
轴向应力，其声时采集精度可达0.1 ns。
一，根据材料疲劳状态对测量值进行修正将能进一
步提高螺栓轴向应力超声测量精度。同理，可推导 3 测量系统的标定
出横波测量时波速与应力之间的关系：
由前述螺栓轴向应力的超声测量理论可知，影
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V = V (1 + K S σ), (9)
S S 0
响测量精度的因素主要包括方法误差、测试系统自
其中，K S 为横波测量应力系数，可通过实验标定获
身误差和温度误差等，本文通过实验室的精确标定，
得。联立式(8)和式(9)，可解得
对测试系统自身信号延时导致的误差和温度误差
2
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V V − V V 2 进行了修正，并通过实验研究了上述误差对不同测
σ = S 0 L 2 L 0 S 2 2 . (10)
2
K L V V − K S V V
L 0 S S 0 L 试方法测量精度的影响。