Page 107 - 无损检测2021年第五期

张 磊, 等:

风机叶片连接螺栓损伤的在线监测

低作为该结构连接螺栓松动的诊断特征是可行的, 尺寸相对于波长较小时, 声波将绕过障碍物继续向
可以近似模拟被试产品的工作振动环境。屈文忠 前传播 [ 6 ] 。螺栓齿根存在裂纹将会增强齿根部位对
等 [ 4 ] 利用亚谐波共振分析法来识别螺栓松动信号, 声波的阻挡作用, 增大反射波能量, 从而在屏幕上产
采用多尺度方法分析了亚谐波共振现象, 定性地模 生一个远远高于正常波高的缺陷波, 由此便可以判
拟了螺栓松动损伤亚谐波激励条件。 断是否存在裂纹。
赵建钧等 [ 5 ] 提出了一种基于振动相位差的螺栓 螺栓的声弹响应随轴向应力而变化。与声弹响
连接状态监测系统, 其结构如图 1 所示。在螺栓松 应相关的以下 3 个属性可用于计算轴向应力水平:

动及拧紧状态下, 分别给振动电机通电, 螺栓连接松 ① 超声沿螺栓的传播时间; ② 纵向波与剪切波的

动及拧紧时的监测信号如图 2 所示。由图 2 的监测 传播时间之比; ③ 螺栓中的机械共振。分别基于这
结果可知, 该系统能够准确判定螺栓的连接状态。以 3 个属性的分析方法如下所述。
相位差作为判断螺栓连接状态的切入点, 与其他方法 2.1 飞行时间法
相比, 其适用性更广, 实时性更好。 超声波对材料中的残余应力和外加应力均非常
敏感, 其传播取决于波的方向和施加应力的方向。
在均匀同性材料中存在各向平面波的情况下, 纵波
和横波的传播方向与施加应力的方向相同。为确定
某种钢螺栓的声弹性系数而进行的测量表明, 声弹
性系数与热处理对螺栓的影响无关 [ 7 ] 。
承受轴向载荷的螺栓的某些部位受力不均, 假
和无应力
设初始螺栓长度L i 是受应力有效长度L e
的总和( 见图 3 )。
长度 L 0

图 1 基于振动相位差的螺栓连接状态监测系统结构示意
图 3 轴向加载螺栓受力模型
超声脉冲回波飞行时间t 为

L e

t≅t 0 ( E - 1 +A ) σ 0 +1 ( 1 )

L i
( - 1 ) ( 2 )
L σ =L e 1+E σ 0
/ ( 3 )
t 0 = 2L i v 0
为无
式中: L σ 为应力作用长度; σ 0 为弹性系数; v 0
应力状态下的波速; E 为螺 栓 材 料 的 弹 性 模 量; t 0
中纵波和横波的脉冲回波时
为对应于初始长度 L i
间; A 为材料的声弹性系数。
式( 1 ) 表明, 应力作用下的飞行时间是施加应力
的线性函数。
图 2 螺栓连接松动及拧紧时的监测信号 HIRAO 等 [ 8 ] 使用非接触式横波电磁声换能器
激发沿螺栓轴向传播的横波进行试验, 结果表明, 负
2 螺栓损伤的声发射检测方法
载与飞行时间或信号相位之间具有良好的线性关
超声检测是当前应用最广泛的无损检测方法之 系。 HANG 等 [ 9 ] 采用相位检测方法对飞行时间进
一, 其根据反射回波的位置和波幅来判断缺陷的大 行精确测量, 结果表明, 声速随应力的增加呈线性下
小和位置。由超声波的基本特性可知, 当声波遇到 降。 ZHANG 等 [ 10 ] 通过混合使用高次谐波和频谱
障碍时将发生反射, 障碍的几何尺寸相对于波长很 边带, 提出了基于接触声非线性的监测方法, 可以检
大时, 声波将不会向前传播而全部反射; 障碍的几何 测螺栓松动并评估螺栓松动时的残余扭矩。
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2021 年 第 43 卷 第 5 期

无损检测