Page 92 - 《应用声学》2023年第6期

1202 2023 年 11 月

对横波与纵波声时比函数进行泰勒展开： 均值作为零应力声时比基准值。然后利用标定台对
L
T S V L 1 + C σ 螺栓进行加载和双波测量与记录，取双波系数平均
σ = 0 ·
S
T σ L V 0 S 1 + C σ 值作为计算用系数。最后对其他 3 根螺栓加载，利
V 0 L L S S L S 2 用标定好的双波系数和测量的横纵声时比计算螺
= S [1 + (C − C )σ + (C − C )C σ
V 栓轴力，并与实际受力情况对比，分析测量的精度。
0
+ · · · + R n (σ)]. (5)
2.2 试验条件
由于本文主要考察声时比与受力之间的线性 试验用螺栓尺寸规格为M36×580，缩颈双头螺
关系，所以忽略高阶项和余项，取一阶项 (展开到一 柱，中径为 Φ28(mm)，10.9 级 42CrMoA 材质。端面
阶导数为止)作为近似，有 平整，表面达克罗处理，采用二硫化钼润滑。用记号
S
L
L
T S V L V (C − C ) 笔给它们标记序号，如图2所示。
σ ≈ 0 + 0 σ. (6)
T L V S V S
σ 0 0
根据式 (6) 可知，在测量前对零应力螺栓纵横
波声弹性常数进行标定，在现场测量时，只需要测量
在役螺栓的声时比就可以计算出螺栓的轴向应力
大小，进而确定螺栓轴力 [5] 。为进一步方便计算，螺
栓的轴力可简单的表示为

F = σ · S, (7)

式(7)中：S 为螺栓横截面积。
结合式(6)和式(7)，可得
T σ S SV 0 S S
F ≈ · + . (8) 图 2 试验用螺栓
L
L
S
S
T L V (C − C ) C − C L
σ 0
经简化后可得 Fig. 2 Test bolts
F ≈ A σ + K σ · k S/L , (9) 本试验使用的超声探头为长沙飚能产纵横波
专用一体探头 (图 3)，晶片尺寸 Φ12(mm)，双接口，
( S )
式 (9) 中：A σ 为计算常数 ；K σ 为双波
C − C L 可独立激发，有螺纹丝扣，便于安装和固定。
S
( )
SV S
系数 0 ，两者通过试验标定得到；
S
L
L
V (C − C )
0
S
L
k S/L 为横纵波声时比(T /T )，通过测量得到。
σ
σ
根据式 (9) 可知，通过标定得出螺栓的双波系
数和计算常数，结合现场测量得出的横纵声时比，就
可直接计算出螺栓的轴力。
此外，温度变化对超声的传播速度有很大的影
响，但本文采用横纵波结合测量时时间很短，温度变
化可以忽略不计。 图 3 纵横波一体探头
Fig. 3 Longitudinal and transverse wave inte-
2 试验方法及步骤 grated probe
2.1 试验方法 配合纵横波探头使用的是横波专用耦合剂
本试验以风电常用叶根螺栓为试验对象，总数 (图 4)。常规水基超声波耦合剂对于横波传导效果
为 5 根。为贴近工程实际条件 (用少量螺栓进行标 不佳，横波专用耦合剂采用特有配方，黏稠度比较
定，然后大批量测量)，首先用纵横波探头对同规格 大，能有效增强纵横波的回波信号强度，常温下有效
的 2 根螺栓进行零应力横纵波声时比测量，并取平 测量范围可达1000 mm。