Page 91 - 《应用声学》2023年第6期

第 42 卷 第 6 期 刘广兴等： 用纵横波声时比法测螺栓轴力 1201

高(微米级)，同时需要对螺栓端面进行打磨，以降低
0 引言
耦合剂厚度引起的误差。在现场测量时，同一规格
螺栓作为一种连接用标准件，普遍应用于各种 的螺栓之间的长度误差也不能太大 (一般要求 1%
以内)，否则影响测量结果。
类型设备及工程设施当中。在非重要场合，螺栓的
轴力一般无需测量，但在风机、水轮机组、桥梁、航空 针对这种情况，本文介绍了另一种双波测量计
等领域的重要连接部位，螺栓的轴力需要严格控制。 算方法——比值法。即利用横纵波声时的比值与螺
不恰当的轴力会导致螺母松脱或者螺栓断裂，从而 栓轴力的线性关系，直接计算螺栓的绝对轴力，该方
使螺栓连接提前失效。因此准确测量螺栓轴力，能 法无需知道被标定螺栓零应力下的声速，不需要精
够有效提高螺栓连接可靠性和结构安全性 [1] 。 确测量螺栓的长度，在回波信号良好的情况下无需
打磨螺栓端面，计算和测量更简便，有较大的应用
常规的螺栓轴力测试方法有扭矩扳手法、电阻
空间。
应变片法、光测力学法等，这些方法都有一定的局限
性 [2] 。目前工程中普遍使用的扭矩法和转角法，只
1 比值法原理
能在螺栓安装时对轴力进行控制，不能用于在役螺
栓轴力的测量，并且误差较大，实际轴力偏差甚至达 在役螺栓轴力可以通过测量螺栓轴向应力获
到目标轴力的20%以上 [3] 。电阻应变片法主要用在 得，如图 1 所示，纵波和横波在螺栓轴向传播，螺栓
实验、一次性使用场合。光测力法需要在螺栓中心 轴向应力可通过螺栓中声弹性效应产生的声速变
钻孔，用以预埋光纤，成本较高，同时影响螺栓强度， 化进行测量。根据声弹性理论，螺栓中的纵波和横
应用较少。基于声弹性效应的螺栓轴力超声测量技 波声速均会随着应力大小变化而变化，其表达式为
术是一种低成本、快速、无损的螺栓轴力测量方法。
L
L
V L = V (1 + C σ), (1)
该技术自出现以来，就受到国内外学者的广泛关注。 σ 0
S
S
目前常用的超声轴力测量传感器主要有两种，一是 V σ S = V (1 + C σ), (2)
0
L
采用压电陶瓷晶片的超声探头；二是采用电涡流技 其中：V 和V 分别为纵波和横波的声速；下标0和
S
术的电磁探头，简称 EMAT。压电陶瓷探头技术成 σ 分别代表无应力状态和加载应力状态；σ 为螺栓
L
S
熟，信号强度高，但需要耦合剂，属于接触式传感器。 的轴向应力；C 和C 分别为螺栓材料的纵波和横
电磁探头近年来逐渐成熟，通过高频感应线圈在被 波声弹性常数。
测表面产生高频电涡流，从而激发超声体波来达到
测量的目的，它不需要耦合剂，具有非接触的特点， ጫฉ
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但目前使用范围有限。 ܦ ഷฉ
虽然压电陶瓷探头和电磁探头激发超声波方 ଊ
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式不一样，但测量轴力的原理相同，都基于以下
两种：
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(1) 单波方法：仅使用纵波。先测量螺栓零约束
时 (零应力) 的超声渡越时间 (简称声时)，然后测量 图 1 纵横波传播示意图
受力状态下的声时，通过声时差来计算轴力。它属 Fig. 1 Schematic diagram of longitudinal and
transverse wave propagation
于“相对”型测量，通常在拧紧操作时使用。
(2) 双波方法：利用两种不同性质的波 ——纵 由于纵波和横波与轴线的夹角非常小，可以将
波和横波。无需测量紧固螺栓零约束时的纵波和横 它们的传播路径近似视为沿轴线传播。因此探头接
波声时，就可计算螺栓的轴力大小。它属于 “绝对” 收到的纵波和横波信号的声时分别为
型测量，在拧紧过程中或拧紧后使用，适用于已拧紧 T σ L = 2L , (3)
L
L
的螺栓或螺钉，但该方法尚未完全工业应用 [4] 。 V (1 + C σ)
0
双波法目前流行的有声速法和比值法。声速法 2L
S
T = , (4)
σ
S
S
需要精确计算被标定螺栓零应力状态下的纵横波 V (1 + C σ)
0
声速，所以对被标定螺栓的长度测量精度要求非常 其中：L为螺栓长度。