隨著雙碳政策的深入推進(jìn)，風(fēng)力發(fā)電得到前所未有的發(fā)展。大量風(fēng)電機(jī)組建設(shè)的同時(shí)，因螺栓緊固力問題導(dǎo)致的風(fēng)電機(jī)組倒塔事件也隨之發(fā)生。螺栓作為一種關(guān)鍵連接件，被廣泛應(yīng)用于橋梁船舶、儀器裝備、風(fēng)電機(jī)組、交通設(shè)施及其他工業(yè)領(lǐng)域，螺栓的應(yīng)力狀態(tài)決定著設(shè)備的使用狀態(tài)和壽命。

 

在設(shè)備服役過程中，溫度、應(yīng)力以及交變載荷的作用都會(huì)改變螺栓緊固力的大小。螺栓緊固力不足會(huì)使連接部分產(chǎn)生松動(dòng)、滑移，緊固力過大則會(huì)引起疲勞斷裂，造成設(shè)備損壞。同時(shí)，服役螺栓螺紋處受力也會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，增加了螺栓應(yīng)力測(cè)量的難度。準(zhǔn)確測(cè)量螺栓緊固力是風(fēng)電工程領(lǐng)域熱點(diǎn)問題之一，對(duì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的安裝、維修和維護(hù)具有重要意義。

 

目前常用的螺栓緊固力測(cè)量方法有扭矩扳手法、電阻應(yīng)變片法、光測(cè)力學(xué)法、磁敏電阻法和超聲波法等。其中超聲波法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)在役螺栓緊固力的便攜式無損檢測(cè)，應(yīng)用前景廣闊。

 

超聲波法是在聲彈性效應(yīng)的基礎(chǔ)上，通過測(cè)量螺栓的渡越時(shí)間計(jì)算螺栓緊固力。其中渡越時(shí)間隨螺栓應(yīng)力狀態(tài)變化而變化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電螺栓緊固力的在線監(jiān)測(cè)。

 

超聲波法分為縱波單波法和縱橫雙波法，縱波單波法測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單，但標(biāo)定螺栓緊固力需要測(cè)量未服役螺栓的渡越時(shí)間，而對(duì)于在役螺栓渡越時(shí)間的測(cè)量比較困難；縱橫雙波法是通過測(cè)量縱橫雙波的渡越時(shí)間，根據(jù)數(shù)學(xué)公式計(jì)算得到螺栓的緊固力，適用于在役難以拆卸的螺栓。

 

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞超聲波法開展了大量研究，但大都停留在實(shí)驗(yàn)室階段，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。

 

 

 

1、超聲波測(cè)量的原理和數(shù)學(xué)模型

 

1、聲彈性原理 

 

自1940年聲彈性現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，即在彈性介質(zhì)中應(yīng)力與聲波傳播速度之間相互聯(lián)系，超聲波波速的變化可間接反映應(yīng)力大小。德崗辰雄從有限元理論出發(fā)，推導(dǎo)出超聲波橫波傳播速度差與主應(yīng)力差的關(guān)系。隨后經(jīng)過各國(guó)學(xué)者的不斷努力，聲彈性原理日漸成熟。

 

根據(jù)聲彈性原理，當(dāng)超聲波傳播方向與應(yīng)力平行時(shí)，可得到如下數(shù)學(xué)關(guān)系：

 

 

式中：ρ0為固體零應(yīng)力下的密度；σ為螺栓應(yīng)力；λ，μ為材料的Lame常數(shù)；m，n，l為材料的Murnaghan常數(shù)；vLσ為標(biāo)準(zhǔn)溫度下應(yīng)力為σ時(shí)的縱波聲速；vSσ為標(biāo)準(zhǔn)溫度下應(yīng)力為σ時(shí)的橫波聲速。

 

由上式可知，在零應(yīng)力狀態(tài)下即σ=0時(shí)，可得：

 

 

式中：vL0為標(biāo)準(zhǔn)溫度下應(yīng)力σ=0時(shí)的縱波聲速；vS0為標(biāo)準(zhǔn)溫度下應(yīng)力σ=0時(shí)的橫波聲速。

 

將式(3)和式(4)代入式(1)和式(2)中，化簡(jiǎn)可得：

 

 

 

式中：kL、kS為L(zhǎng)ame常數(shù)和Murnaghan常數(shù)的混合常數(shù)項(xiàng)。

 

而在具體實(shí)驗(yàn)計(jì)算中，為簡(jiǎn)化計(jì)算，常根據(jù)泰勒公式對(duì)式(5)和式(6)進(jìn)行變形簡(jiǎn)化：

 

 

在彈性力學(xué)理論中，當(dāng)螺栓軸向應(yīng)力小于其屈服強(qiáng)度時(shí)，可認(rèn)為螺栓處于完全彈性變形階段。當(dāng)環(huán)境溫度不變的情況下，Lame常數(shù)和Murnaghan常數(shù)可視為不變常數(shù)，此時(shí)螺栓軸向應(yīng)力的大小只與長(zhǎng)度和溫度有關(guān)。

綜上所述，建立軸向應(yīng)力與螺栓長(zhǎng)度、聲速以及溫度之間的數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算便可得到螺栓緊固力。

 

 

2、數(shù)學(xué)模型

 

 

胡克定律模型 

 

根據(jù)胡克定律，在彈性變形范圍內(nèi)，材料的應(yīng)力與應(yīng)變成正比。圖1為螺栓的物理示意圖，其中L為螺栓總長(zhǎng)度。

 

 

圖1 螺栓示意圖

 

根據(jù)圖1可得：

 

式中：Lσ為標(biāo)準(zhǔn)溫度下應(yīng)力為σ時(shí)的螺栓夾持長(zhǎng)度；L0為標(biāo)準(zhǔn)溫度下應(yīng)力σ=0時(shí)的螺栓夾持長(zhǎng)度；E為螺栓彈性模量。 

 

 

 

溫度模型 

 

當(dāng)螺栓溫度發(fā)生變化時(shí)，螺栓長(zhǎng)度、應(yīng)力狀態(tài)也隨之變化。由于螺栓溫度和長(zhǎng)度的作用，超聲波聲速的變化方程如下：

式中：Vσ,T為溫度Τ、應(yīng)力σ時(shí)的聲速；V0為標(biāo)準(zhǔn)溫度下應(yīng)力σ=0時(shí)的聲速；Lσ,T為溫度Τ、應(yīng)力σ時(shí)的夾持長(zhǎng)度；Α為聲彈性系數(shù)；α為溫度影響系數(shù)；β為溫度膨脹系數(shù)；ΔΤ為溫度變化量。

 

 

時(shí)間模型 

 

超聲的渡越時(shí)間是指超聲波在螺栓內(nèi)部從發(fā)射到接收，傳播兩個(gè)螺栓長(zhǎng)度所需要的時(shí)間。通過建立渡越時(shí)間和應(yīng)力之間的關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算螺栓的緊固力。常見的時(shí)間模型如下：

 

式中：S0為標(biāo)準(zhǔn)溫度下應(yīng)力σ=0時(shí)的渡越時(shí)間；S0,T為溫度Τ、應(yīng)力σ=0時(shí)的渡越時(shí)間；Sσ,T為溫度Τ、應(yīng)力σ時(shí)的渡越時(shí)間；V0,T為溫度Τ、應(yīng)力σ=0時(shí)的聲速；VT為溫度Τ時(shí)的聲速；LN為螺栓原始總長(zhǎng)度。 

 

無論是縱波單波法，還是縱橫雙波法，測(cè)量螺栓的緊固力都是以上述數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)。隨著超聲波理論的完善，超聲儀器和探頭的精度和質(zhì)量進(jìn)一步精進(jìn)，數(shù)學(xué)模型也適時(shí)修正優(yōu)化。同時(shí)隨超聲波聲時(shí)測(cè)量技術(shù)的提高，逐步完善聲時(shí)測(cè)點(diǎn)位置，為螺栓聲時(shí)的精準(zhǔn)測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出新的算法和模型，測(cè)量精度不斷提高，超聲波測(cè)量技術(shù)的潛力被大大釋放，大大推動(dòng)了超聲波聲時(shí)測(cè)量法的工業(yè)應(yīng)用。

 

 

2、風(fēng)電螺栓測(cè)量方法研究現(xiàn)狀

 

 

得益于“十三五”“十四五”規(guī)劃的落地實(shí)施，我國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)迅猛發(fā)展，年累計(jì)裝機(jī)量不斷增加，同時(shí)海上風(fēng)電項(xiàng)目的規(guī)模增速高于陸地風(fēng)電。圖2為2016—2022年風(fēng)電裝機(jī)容量變化趨勢(shì)，可以看出中國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)容量從2016年的168.7 GW增長(zhǎng)到2022年的395.6 GW；其中，陸上風(fēng)電市場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)規(guī)模從2016年的167.1 GW增長(zhǎng)到2022年的365.1 GW；海上風(fēng)電市場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)規(guī)模從2016年的1.6 GW增長(zhǎng)到2022年的30.5 GW。

 

 

 

圖2 2016-2022年中國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)容量

 

隨著風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)監(jiān)督問題日益突出，特別是兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的倒塌、風(fēng)機(jī)墜頭、塔筒攔腰折斷等問題頻發(fā)。螺栓是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵連接件，尤其大功率兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組安裝螺栓可達(dá)上千根，因此螺栓的應(yīng)力狀態(tài)決定著風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行質(zhì)量和安全。

 

目前大型風(fēng)電螺栓的安裝基本采用力矩扳手，安裝緊固力環(huán)節(jié)缺少必要監(jiān)督；其次，溫度、載荷變化引起的螺栓松動(dòng)和緊固力變化無法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，安全隱患無法實(shí)時(shí)排查。準(zhǔn)確測(cè)量、監(jiān)測(cè)螺栓的緊固力是風(fēng)電機(jī)組質(zhì)量監(jiān)督的關(guān)鍵。

 

超聲波法作為一種無損檢測(cè)方法，具有無損傷、無污染、精度高和便攜化等優(yōu)點(diǎn)，在螺栓緊固力檢測(cè)領(lǐng)域具有重大應(yīng)用潛力。

 

 

1、縱波單波法研究現(xiàn)狀 

 

縱波單波法就是僅用超聲縱波對(duì)螺栓緊固力進(jìn)行測(cè)量的方法。通過測(cè)量螺栓服役和未服役狀態(tài)下的渡越時(shí)間便可以計(jì)算得到螺栓緊固力的大小。縱波單波法是目前測(cè)量精度最高、研究時(shí)間最長(zhǎng)的測(cè)量技術(shù)。

Smith等根據(jù)政府和公司的公開報(bào)告，探討了超聲波聲時(shí)測(cè)量技術(shù)的專業(yè)背景，并通過案例表明超聲波縱波法在螺栓應(yīng)力檢測(cè)領(lǐng)域的巨大潛力。

 

冉啟芳等通過分析螺栓內(nèi)部影響超聲聲速的因素，改善測(cè)量?jī)x器并提出一種形狀因子的縱波法，該方法考慮了螺栓自身形狀和螺母的夾持作用對(duì)測(cè)量精度的影響，在0.01 μs誤差范圍內(nèi)可準(zhǔn)確測(cè)量出兩次回波時(shí)間，保證了緊固力的測(cè)量精度。

 

Kim等提出了一種模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，通過分析軸對(duì)稱圓柱固體中軸向應(yīng)力對(duì)超聲波波速的影響，建立了線性的聲彈性方程，驗(yàn)證了超聲波在螺栓中的模態(tài)轉(zhuǎn)換，提高了單波法的測(cè)量精度。

 

張俊等從聲彈性原理出發(fā)創(chuàng)新性地定義兩項(xiàng)材料系數(shù)，并考慮溫度變化對(duì)螺栓應(yīng)力測(cè)量的影響，提出一種新的應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，并基于此模型開發(fā)的螺栓應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超聲渡越時(shí)間和溫度的精確測(cè)量，其應(yīng)力測(cè)量誤差小于5%。螺栓材料系數(shù)的提出為后來學(xué)者的研究帶來極大的幫助，測(cè)量精度達(dá)到了一個(gè)更高的維度。

 

賈雪等建立了一種新型的螺栓應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)，采用高精度傳感器對(duì)超聲波和螺栓應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析修正了誤差。圖3為該測(cè)試系統(tǒng)的工作原理圖，該測(cè)試系統(tǒng)采用小波去噪處理消除了高頻噪聲的干擾，將測(cè)量精度上升了一個(gè)層級(jí)。同時(shí)通過建立應(yīng)力-聲時(shí)曲線，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)螺栓應(yīng)力的狀態(tài)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力的實(shí)現(xiàn)可支撐開發(fā)螺栓應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

 

 

圖3 測(cè)試系統(tǒng)示意圖

 

潘勤學(xué)等針對(duì)螺栓應(yīng)力分布不均勻以及現(xiàn)有測(cè)量模型精度的問題，革命性地將溫度、材料因子和形狀因子有機(jī)結(jié)合起來，提出一種有限元法；并通過有限元仿真標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確測(cè)量出45號(hào)鋼的材料因子和M16、M20螺栓的形狀因子；該方法將影響螺栓測(cè)量系數(shù)的材料屬性和形狀因子獨(dú)立開來，克服了無法精準(zhǔn)測(cè)量材料因子和形狀因子的問題，為螺栓緊固力測(cè)量提供了一個(gè)新思路。

 

劉家斌等基于聲彈性效應(yīng)研制了一套自動(dòng)化螺栓軸向應(yīng)力超聲波渡越時(shí)間標(biāo)定系統(tǒng)，解決了測(cè)試系統(tǒng)效率不高、自動(dòng)化不足的問題。圖4為該標(biāo)定系統(tǒng)物理原理圖，該測(cè)量系統(tǒng)通過對(duì)不同螺栓的加載，利用FPGA和RS485，系統(tǒng)便可自動(dòng)測(cè)量出對(duì)應(yīng)的渡越時(shí)間，直接輸出最終結(jié)果。測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化特點(diǎn)在風(fēng)電機(jī)組螺栓的在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值，自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)可大大減少現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作量，實(shí)現(xiàn)螺栓緊固力快速、準(zhǔn)確的測(cè)量，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用具有極高的價(jià)值。

 

 

圖4 系統(tǒng)原理圖

 

為進(jìn)一步研究風(fēng)電變槳軸承螺栓預(yù)緊力的檢測(cè)方法，同時(shí)為預(yù)防風(fēng)電機(jī)組螺栓失效及預(yù)緊力監(jiān)測(cè)提供依據(jù)，孫越等在螺栓緊固力測(cè)量的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)電機(jī)組螺栓緊固力進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。采用COMSOL分析法和最小二乘法擬合渡越時(shí)間、聲時(shí)差、應(yīng)力之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)誤差小于3%，能夠滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。

 

Nikravesh等通過對(duì)各種螺栓應(yīng)力方法進(jìn)行對(duì)比，肯定了縱波法在測(cè)量精度方面的優(yōu)越性，并指出縱波法測(cè)量技術(shù)需要同時(shí)測(cè)量螺栓服役和未服役時(shí)的超聲波渡越時(shí)間，測(cè)量精度高，適用于螺栓安裝過程中的緊固力測(cè)量；同時(shí)高精度自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為縱波法的工業(yè)化應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。但由于無法測(cè)量在役螺栓無應(yīng)力狀態(tài)下的渡越時(shí)間，縱波法的應(yīng)用范圍受到限制，此時(shí)就要利用縱橫雙波法實(shí)現(xiàn)在役螺栓的緊固力測(cè)量。

 

2、縱橫雙波法研究現(xiàn)狀 

 

縱橫雙波法只須測(cè)量在役螺栓縱橫波的渡越時(shí)間便可得到螺栓緊固力，應(yīng)用范圍廣。由于橫波測(cè)量技術(shù)的換能器、精度等限制，渡越時(shí)間難以準(zhǔn)確測(cè)量。同時(shí)受其他因素的影響，縱橫雙波法也尚未得到大規(guī)模應(yīng)用。

 

吳克成等針對(duì)縱波法局限性首先提出縱橫雙波法應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，同時(shí)對(duì)螺栓形狀、溫度等影響因素進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明雙波法緊固力的測(cè)量精度滿足工程要求，這為解決在役螺栓技術(shù)監(jiān)督問題提供了數(shù)據(jù)支撐，也為后來學(xué)者指引了新的研究方向。

何存富等利用縱橫雙波法開展了群栓實(shí)驗(yàn)，也證明了縱橫雙波法測(cè)量螺栓緊固力的可行性。

江澤濤等系統(tǒng)性研究了螺栓應(yīng)力與材料特性、夾持長(zhǎng)度、溫度和聲時(shí)之間的關(guān)系，并提出一種新的數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)化了計(jì)算過程，同時(shí)保證了測(cè)量精度。

徐春廣等在聲彈性原理的基礎(chǔ)上提出一種快速準(zhǔn)確測(cè)量螺栓緊固力的方法，該方法不僅消除了溫度和彈性變形的影響，而且適用于螺栓長(zhǎng)度未知的情況；同時(shí)分類討論了螺栓在低載荷與高載荷不同情況下螺栓軸向應(yīng)力測(cè)量系數(shù)的狀況，得到不同載荷條件下應(yīng)力測(cè)量系數(shù)的計(jì)算方法，大大提高了縱橫雙波法的測(cè)量精度，使得工業(yè)應(yīng)用成為可能。

Herdovics等提出一種溫度迭代補(bǔ)償方法，利用超聲波入射波進(jìn)行相位估計(jì)，然后進(jìn)行超聲波傳播速度變化估計(jì)，每一步后對(duì)激勵(lì)相位差和傳播速度差進(jìn)行補(bǔ)償，從而進(jìn)行更加精確的估計(jì)。

縱橫雙波法應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中，嚴(yán)勇等對(duì)10.9級(jí)42CrMoA風(fēng)電螺栓的緊固力進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量，通過分析測(cè)試系統(tǒng)延時(shí)誤差和溫度誤差對(duì)不同測(cè)試方法測(cè)量精度的影響，開發(fā)出一套聲速標(biāo)定系統(tǒng)。圖5為該標(biāo)定系統(tǒng)的工作原理圖，在系統(tǒng)軸向應(yīng)力采集模式下，先由計(jì)算機(jī)的主機(jī)發(fā)出信號(hào)指令并輸出特定脈沖信號(hào)，通過換能器激發(fā)縱橫雙波的入射波信號(hào)，回波信號(hào)經(jīng)過帶通濾波、增益，由系統(tǒng)數(shù)字電路精密計(jì)算出雙波相應(yīng)渡越時(shí)間，從而計(jì)算螺栓緊固力。該方法克服了橫波難以測(cè)量的難題，測(cè)量誤差小于5%，完全滿足工程應(yīng)用的要求，具有較高的工業(yè)化應(yīng)用潛力。

圖5 系統(tǒng)原理圖

 

劉廣興等從聲彈性原理從發(fā)，提出一種基于螺栓縱橫雙波渡越時(shí)間的聲時(shí)比值法，解決了在役螺栓緊固力測(cè)量的問題。與其他方法相比，比值法大大簡(jiǎn)化了數(shù)學(xué)模型，可操作性更強(qiáng)，具有很好的應(yīng)用前景。

 

材料表面缺陷將對(duì)超聲信號(hào)的傳導(dǎo)產(chǎn)生非線性影響，在此基礎(chǔ)上，李相亨等將實(shí)際工程應(yīng)用中螺栓預(yù)拉力的檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比分析，研究了螺栓有效應(yīng)力長(zhǎng)度對(duì)螺栓緊固力超聲測(cè)量的影響，并修正了有效應(yīng)力長(zhǎng)度的計(jì)算公式，確定螺栓有效應(yīng)力長(zhǎng)度精確范圍；同時(shí)研究了超聲波耦合劑對(duì)螺栓緊固力測(cè)量的影響，并找到一種性價(jià)比高的耦合劑，提高了雙波測(cè)量螺栓緊固力的精度和經(jīng)濟(jì)性。

 

針對(duì)目前縱橫雙波測(cè)量精度不高的問題，通過對(duì)溫度補(bǔ)償、夾持長(zhǎng)度、材料系數(shù)等方面的系統(tǒng)性分析，整體誤差已經(jīng)可以控制在5%以內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)室層面實(shí)現(xiàn)了螺栓緊固力的高精測(cè)量。

 

在役的風(fēng)電機(jī)組螺栓由于受到交變載荷和環(huán)境溫濕度的影響，隨著時(shí)間的變化會(huì)發(fā)生應(yīng)力松弛，增加倒塌的風(fēng)險(xiǎn)。而風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)監(jiān)督工作無法擰下螺栓，只能利用雙波法進(jìn)行螺栓緊固力的精確加固。此時(shí)若采用扭矩法進(jìn)行螺栓加固，無法實(shí)現(xiàn)螺栓的精準(zhǔn)加固。螺栓過松會(huì)導(dǎo)致部件松動(dòng)，過緊則可能導(dǎo)致螺栓斷裂、機(jī)組倒塌，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

 

3、電磁超聲法研究現(xiàn)狀 

 

相對(duì)于傳統(tǒng)的壓電超聲技術(shù)，電磁超聲是一種非接觸性測(cè)量技術(shù)，不需耦合劑便可直接利用電磁耦合方法激勵(lì)和接收超聲波，避免了因耦合劑誤差導(dǎo)致的緊固力測(cè)量誤差，同時(shí)擁有更高的測(cè)量精度。

Kogia等研究了電磁超聲換能器在高溫情況下激發(fā)縱波檢測(cè)大型設(shè)備，并利用仿真模擬電磁超聲換能器的材料、尺寸參數(shù)和工作條件進(jìn)行驗(yàn)證，拓寬了電磁超聲換能器在高溫條件下的適用范圍。電磁超聲在工業(yè)領(lǐng)域常用于測(cè)厚和探傷等方面，近些年開始應(yīng)用于螺栓的緊固力測(cè)量。

 

Liu等針對(duì)電磁超聲換能器效率問題，通過數(shù)值分析對(duì)永磁鐵、線圈參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)7075鋁合金螺栓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的有效性。

 

丁旭等基于波型轉(zhuǎn)換的單傳感器螺栓軸力超聲測(cè)量原理，研制出一套在役螺栓軸力電磁超聲測(cè)量系統(tǒng)，圖6為該測(cè)量系統(tǒng)的原理圖。利用該系統(tǒng)完成了對(duì)M24、M26、M28和M30螺栓的緊固力測(cè)量，克服了耦合劑對(duì)測(cè)量過程的干擾作用，展現(xiàn)出壓電超聲所缺少的穩(wěn)定性，誤差小于10%，能夠滿足工程需要。

 

圖6 系統(tǒng)原理圖

 

王文軍等提出了一種基于模式轉(zhuǎn)換的電磁超聲螺栓緊固力測(cè)量方法，通過分析超聲波反射線路建立了雙波聲時(shí)與螺栓緊固力之間的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高強(qiáng)度螺栓應(yīng)力的工程化測(cè)量。

 

岑鑫系統(tǒng)性研究了電磁超聲測(cè)量技術(shù)的原理和方法，并針對(duì)電磁超聲換能器效率低、信號(hào)弱的問題，通過COMSOL仿真分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種新型換能器，圖7為換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。該換能器實(shí)現(xiàn)所測(cè)誤差小于5%，為進(jìn)一步提高電磁超聲測(cè)量技術(shù)的精度提供了新思路。

圖7 換能器結(jié)構(gòu)圖

高珊用控制變量法研究了永磁鐵高度、寬度和線圈提離距離三個(gè)參數(shù)對(duì)洛倫茲力和磁通密度峰值的影響，結(jié)合電路板（PCB）總結(jié)出洛倫茲力和磁通密度峰值的影響規(guī)律；利用優(yōu)化后的換能器參數(shù)在COMSOL軟件中研究電磁超聲換能器工作狀態(tài)，并根據(jù)最大峰值過零點(diǎn)法對(duì)回波信號(hào)求得超聲波渡越時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)螺栓緊固力的測(cè)量。

 

Cheng等通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)力渦輪機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，建立了電磁超聲換能器激發(fā)衍射縱波的模型，并詳細(xì)分析了材料、距離等對(duì)傳感器阻抗的影響，證明了換能器能夠很好實(shí)現(xiàn)對(duì)衍射縱波接收，展現(xiàn)了電磁超聲在風(fēng)電機(jī)組檢測(cè)中的潛力。

 

目前電磁超聲測(cè)量螺栓軸向應(yīng)力作為一個(gè)比較新穎的方向，主要圍繞建立換能器和螺栓仿真模型應(yīng)力測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向開展研究。而仿真模型大都停留在二維模型方面，因此在今后的研究中對(duì)于螺紋的影響需要重點(diǎn)考慮。尤其在鐵塔地腳螺栓的應(yīng)力測(cè)量中，螺紋對(duì)于小尺寸螺栓的影響是不可忽視的。如何建立更優(yōu)的螺紋仿真模型也是一個(gè)重要的研究方向。 

 

3、結(jié)束語

 

隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者的不斷努力，超聲測(cè)量理論和設(shè)備日趨成熟，測(cè)量精度也不斷提高。縱波法和縱橫雙波法在風(fēng)電機(jī)組技術(shù)監(jiān)督方面發(fā)揮著越來越重要的作用，但目前仍存在一些問題限制了超聲波測(cè)量技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，主要有以下幾點(diǎn)：

(1) 縱波法和縱橫雙波法的測(cè)量原理都是假設(shè)螺栓應(yīng)力均勻分布，但螺栓實(shí)際應(yīng)力并不均勻，難以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的定量分析，限制了緊固力測(cè)量精度。

(2) 風(fēng)電螺栓中的渡越時(shí)間及應(yīng)力區(qū)與零應(yīng)力區(qū)的時(shí)間分配是影響螺栓緊固力測(cè)量的主要問題，如何標(biāo)定超聲波應(yīng)力區(qū)真實(shí)渡越時(shí)間是解決螺栓緊固力標(biāo)定的關(guān)鍵。

(3) 螺栓上下端面粗糙度也會(huì)對(duì)超聲波聲時(shí)標(biāo)定造成誤差，聲時(shí)標(biāo)定通常要求納秒級(jí)別。粗糙度的標(biāo)定誤差越大，對(duì)螺栓渡越時(shí)間和緊固力的標(biāo)定精度影響越大。

(4) 電磁換能器普遍存在效率低、信號(hào)弱和信噪比低的問題，大大限制了電磁超聲測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。提高換能器的效率是電磁超聲技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵。未來仍需要繼續(xù)優(yōu)化換能器的結(jié)構(gòu)和零部件，對(duì)換能器開展更深入的研究。

(5) 目前測(cè)量系統(tǒng)重量、體積均太大，只適用實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。未來測(cè)量系統(tǒng)要朝著小型化、智能化、便攜化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)螺栓緊固力的實(shí)地實(shí)時(shí)測(cè)量。

 

作者：魏祥賽1,2，劉廣興1,2，張丙法1,2，崔偉壇1,2，蒲英俊2

 

工作單位：1. 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院

 

2. 山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司

 

來源：山東電力技術(shù)

 

轉(zhuǎn)自：智能緊固件及緊固工具