Page 83 - 无损检测2023年第十一期

静丰羽, 等:

基于超声双波法的螺栓紧固力在线测量

是为了确定横纵波渡越时间比和螺栓紧固力的关
系, 确定紧固力计算公式中的 B 值和C 值, 并分析
夹紧长度对标定试验的影响。螺栓夹紧长度设置为
143.5mm 。在实验室环境下, 利用拉伸试验机对螺

栓施加拉力, 以此拉力值作为螺栓紧固力。试验时,

每次增量为3kN , 并保持载荷 1min后, 进行超声
信号的激励与接收。示波器记录各载荷状态下的纵
波和横波时域信号, 并将横纵波渡越时间比与加载
图4 横纵波渡越时间比与螺栓紧固力关系曲线
大小拟合成曲线, 如图4所示。
从图4可以看出, 随着紧固力的增大, 横纵波渡 栓, 分别标号为1 , 2 , 3 , 夹紧长度设置与标定时
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越时间比呈下降趋势, 由线性关系拟合出标定公式, 的长度一致, 以拉伸试验机施加的拉力载荷作为螺

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得出B 值为-7.996×10 , C 值为1.83398 。 栓紧固力进行对比, 示波器记录横波和纵波的时域
标定工作完成后, 利用标定曲线对螺栓紧固力 信号, 将横纵波渡越时间比代入标定公式, 计算得出
进行检测, 选取 3 根与标定螺栓相同规格批次的螺 螺栓的紧固力大小, 检测结果如表1所示。
表1 螺栓紧固力测量结果与相对误差
拉伸试验机施 1 螺栓 2 螺栓 3 螺栓
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加载荷 / kN 测量结果 / kN 绝对误差 / % 相对误差 / kN 测量结果 / kN 绝对误差 / % 相对误差 / kN 测量结果 / kN 绝对误差 / % 相对误差 / kN
5.0 4.67 6.6 -0.33 4.07 18.6 -0.93 4.92 1.6 -0.08
10.0 10.15 1.5 0.15 10.09 0.9 0.09 9.12 8.8 -0.88
14.0 14.15 1.1 0.15 14.32 2.3 0.32 13.30 5.0 -0.70
18.5 18.95 2.4 0.45 19.37 4.7 0.87 18.04 2.5 -0.46
22.0 22.69 3.1 0.69 23.08 4.9 1.08 21.94 0.3 -0.06
24.5 24.52 0.1 0.02 25.35 3.5 0.85 24.66 0.7 0.16
29.0 29.77 2.7 0.77 29.58 2.0 0.58 29.46 1.6 0.46
从表1可以看出, 螺栓紧固力实测结果与预加

载力之间的差值较小, 螺栓紧固力为22kN 时的最

大测量误差为 1.08kN , 根据螺栓应力截面积转换

成应力为 6.88 MPa , 满足工程测量精度要求。可
见, 双波法消除了螺栓长度对测量结果的影响, 能够
用于测量在役螺栓的紧固力大小, 适用于已安装无
法拆卸的螺栓检测场合, 具有广阔的应用前景。

3 夹紧长度和温度对双波法测量的影响
图5 螺栓不同夹紧长度下横纵波渡越时间比与紧固力的
3.1 夹紧长度对紧固力检测的影响 关系曲线
由式( 10 ) 可知, 夹紧长度会影响紧固力计算公 为了探究螺栓夹紧长度与紧固力计算公式中B
式中 B 值的确定, 因此, 有必要分析夹紧长度对标 值的关系, 通过最小二乘法线性拟合得到了螺栓夹
定试验的影响。 紧长度和B 值的关系, 结果如图6所示。
分别设置不同的夹紧长度值, 重复标定试验过 从图6可以看出, 随着螺栓夹紧长度的增大, B
程, 得到不同夹紧长度下螺栓横纵波渡越时间比和 值呈线性减小趋势。因此, 在复杂的螺栓服役环境
螺栓紧固力的关系曲线, 如图5所示。 中, 无法对不同夹紧长度的螺栓进行标定时, 可通过
从图5可以看出, 不同的夹紧长度下, 螺栓紧固 测量服役螺栓的夹紧长度来快速估计标定公式中B
力计算公式中的B 值不同, 且存在较大的差异。因 值的大小。
此, 在标定螺栓紧固力时, 需要确定被测螺栓服役时 3.2 温度对紧固力检测的影响
的夹紧长度, 在试验中设置合适的夹紧长度值。 对式( 18 ) 分析可知, 温度变化对横纵波渡越时
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2023年 第45卷 第11期
无损检测