Page 108 - 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

由于声波在螺栓中的飞行时间仅为几十纳秒, 式( 7 ) 表明, 共振频率偏移率是施加应力的线性
所以数据采集过程对数据采集系统的采样率要求很 函数, 因此, 可以通过测量 Δ f n 来测定样品中产生
高。大多数专家学者使用示波器捕捉信号, 但这种 的应力。
装置不适合风电场螺栓的健康监测。 WANG 等 [ 12 ] 提出了一种基于振动声调制的方
2.2 速比法 法来监测螺栓的早期松动。为考虑界面粗糙度的影
速比法利用声弹性系数的差异来区分螺栓连接 响, WANG 建立了冲击螺栓连接产生的声学信号模
型, 提出了一种新的基于敲击的分析建模和数值模
质量的好坏。横波飞行时间t T 与纵波飞行时间t L
的比率为 拟方法。如图 5 所示, 当振动模态与机械共振频率
相匹配时, 峰值声压级的频率接近于固有频率。与
t T v L0 L e F
A T -A L
≅ 1- ( 4 )

t L v T0 L i S e 目前的螺栓松动识别方法相比, 冲击声测试法速度
快且价格低, 但声波在螺栓中的飞行时间仅为几十
式中: v L0 为纵波波速; v T0 为 横 波 波 速; A T 与 A L
分别为传播波型为横波与纵波时材料的声 弹性系 纳秒, 测量结果容易受到风电场环境干扰, 限制了其
为螺栓的有效直径。
数; F 为螺栓所受应力; S e 在风电场监测中的应用。
速比法更实用, 因为轴向载荷的计算仅仅是根
据应力状态下的飞行时间比计算的, 而不需要在无
应力状态下测量飞行时间。
KIM 等 [ 11 ] 利用纵 波 的 波 型 转 换, 同 时 产 生 纵

波和横波, 并将其用于获得高压 螺栓的轴向应力。
还有的研究建立了一种基于纵波和横波组合的螺栓
预紧量超声测量模型, 依据提取节点在螺栓中心轴 图 5 螺栓 0 预载下的固有频率响应与辐射声信号
线上的轴向位置及轴向应力, 绘制轴向应力云图( 见
综上所述, 利用超声波对高强度螺栓进行监测,
图4 )。该方法可有效地消除螺栓轴向应力分布不均 虽然方法方便、 反应迅速和趋向智能化, 但人为因素
匀对测量的影响, 进一步提高了预负荷的检测精度。 导致对缺陷的判断准确率不高, 所以超声波监测技

术未来还有很大的进步空间。
3 基于螺栓预紧力的压电效应检测方法

图 4 螺栓轴向应力云图 叶片螺栓压电阻抗技术的原理为, 当叶片螺栓
2.3 机械共振频移法 连接结构时, 螺栓预紧力转化为压力, 螺栓预紧力越
简单的一维隔离谐振器模型适用于超声波沿螺 大, 螺栓连接界面的实际接触面积越大, 透过的超声
栓传播的情况。假设声波在螺栓的平端发生完全反
波越多, 接收到的响应信号也就越强, 通过分析聚焦
为
信号的幅值就可确定螺栓预紧力的大小, 判断螺栓
射, 在此基础上, 可以合理地假定共振频率 f n
( 5 )
的连接状态。
f n = nv / L i
式中: n 为谐波数; v 为共振频率的声速。
LIANG 等 [ 13 ] 提出了将阻抗测量法应用于结构
当应力作用于样品时, L 和v 都会发生变化, 引
健康监测的方法, 其将压电陶瓷贴片法贴合到被监
起谐振频率的变化。共振频率的变化量 Δ f n 与 f n
测的结构表面, 由贴片将结构振动传递到主体结构。
的比值为
该方法通过电导率 - 频率曲线反映结构的独特振动
/
Δ f n f n =Δv / v-ΔL / L i 特征, 通过调整感应频率的范围来覆盖不同的感应
ΔL / L = ε= σ / E ( 6 )
区域。 RITDUMRONGKUL 等 [ 14 ] 基于光谱元素方
式中: ε 为螺栓的应变; Δv 为声速变化量; ΔL 为样
法对压电陶瓷贴片结合处的结构阻抗进行建模, 通
品长度的变化量; σ 为螺栓所受应力。
过测量贴片的电阻抗检测结构性能的变化, 将螺栓
对于各向同性弹性介质, 声速与应力呈线性关
的松动定量地确定为螺栓连接处的刚度和阻尼的变
系。式( 6 ) 可以表示为式( 7 )。
化。该方法解决了螺栓连接状态定量检测的问题,
Δ f n 1

=- A L + E σ ( 7 ) 但由于要使用电镜, 所以难以在风电场监测中得到
f n
6
6
2021 年 第 43 卷 第 5 期

无损检测