CN103076124B - 一种采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法，基于声弹理论，利用线性回归方法，找出螺栓受力后声速变化与应力之间的规律，达到测量螺栓应力的目的。声速比率回归法实现了风机塔架高强度在役螺栓应力无损检测，声速比率回归法测量螺栓应力的数据经与拉力机数据相比较误差在±2%之内，数据精度完全满足工程需要。方法简单可靠，有利于螺栓的定期监测，监控螺栓在使用中的变化规律，便于判断螺栓使用寿命。

Description

一种采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法

技术领域

本发明涉及螺栓应力检测技术领域，特别涉及一种采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法。

背景技术

现在我国已经并网运行和在建风力发电机组有近四万台。目前安装风机塔架连接高强螺栓紧固方法采用的是力矩法，由于安装扭矩和扭矩系数平均值吻合不好，使得螺栓轴力（预载荷）分散度很大。安装后部分高强螺栓预载荷超出设计值，给风电场风机塔筒的稳定运行带来隐患。当前普遍利用的声时法测量技术，无法检测已经运行的在役螺栓预紧力和实际载荷。

目前，国外流行的螺栓应力检测基本原理是采用声时差法，即利用螺栓受力前后声时的变化达到检测应力目的。国内尚无工程应用。而且，声时差法测量应力有一个必要条件，就是每一颗螺栓的初始声时必须在安装前测量。即对于安装完成的螺栓是无法测量应力的。

因此，针对上述情况，如何提供一种能够测量服役螺栓轴力的方法，成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法，可以高精度测量在役螺栓的预载荷和运行即时载荷，进而提高风机连接螺栓运行的安全性，降低和杜绝由螺栓超轴力引起的事故发生。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法，包括步骤：

A、测量服役螺栓的长度L和超声波声时T；

B、根据Cσ=L/T，计算得到应力状态的声速Cσ；

C、根据下面的公式计算得到轴力σ：

σ=K₀ΔCσ/C₀=K₀(C₀-Cσ)/C₀，

其中，K₀为应力因子，C₀为无应力声速。

优选的，对上述轴力σ的计算公式进行线性回归分析，包括步骤：

1）通过材料试验机对待测螺栓施加轴力；

2）测量不同轴力下所述待测螺栓的长度和超声波声时；

3）用计算机对数据进行数理统计，对上述公式进行线性回归分析；

4）建立数据库。

优选的，对上述轴力σ的计算公式根据有效长度进行修正：

Cσ=Lσ/(T－Lo/Co)；

其中，Lσ为有应力长度，Lo为无应力长度，Cσ为有应力声速，Co为无应力声速。

优选的，针对风机塔架法兰连接螺栓，有应力长度=夹紧长度+5/6螺栓直径。

优选的，对上述轴力σ的计算公式根据应力漂移进行修正；

应力漂移：螺栓测试载荷和回归曲线。

优选的，对上述轴力σ的计算公式根据温度进行修正：

修正后的声时T=T_M*[1+C_P(θ-X)]；其中，T_M为测量声时，C_P为声时温度系数，θ为测量温度，X为参照温度；

声时温度系数C_P=C_PV=(C_M/C_B-1)/(θ-X)；其中，C_PV为声速温度系数，C_M为测量温度θ下的声速，C_B为参照温度X下的声速。

优选的，对上述轴力σ的计算公式根据热膨胀进行修正；

伸缩量ΔLr=L*α*（θ－X），其中，α为线膨胀系数，θ为测量温度，X为参照温度。

优选的，参照温度X具体为22°。

优选的，螺栓的长度测量采用千分尺。

优选的，螺栓的超声波声时测量采用澳大利亚产的BoltMikeⅢ螺栓应力仪。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法，与现有的声时法相比，无需采集安装前单个螺栓的数据，只要测量安装完成后每颗应力状态下的声速就可以计算出螺栓轴力，既可以在安装过程中测量螺栓应力，也可以测量安装完成后的螺栓应力。另一方面，声时法用到的是声时差，而声速比率回归法用的是应力状态下的声速，前者测量误差大于后者。因此，本方法可以高精度测量在役螺栓的预载荷和运行即时载荷，进而提高风机连接螺栓运行的安全性，降低和杜绝由螺栓超轴力引起的事故发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为螺栓有效长度的结构示意图；

图2为低轴力螺栓断面应力分布示意图；

图3为本发明实施例提供的螺栓测试载荷和回归曲线；

图4为13颗不同制造厂家，不同规格螺栓的温度—声时曲线；

图5为螺栓声时与温度变化关系示意图；

图6为M39*285螺栓试验机显示应力和声速法计算应力对比示意图；

图7为M42*305螺栓用声时法、声速法和应变法三种方法应力检测，根据前22颗螺栓测试数据绘制的比较示意图；

图8为声时法和声速法相比于应变法的偏差率示意图；

图9为节选图8中前20颗数据的示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法，可以高精度测量在役螺栓的预载荷和运行即时载荷，进而提高风机连接螺栓运行的安全性，降低和杜绝由螺栓超轴力引起的事故发生。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

根据声弹理论，固体中的应力将引起声速的变化，声速变化比率与应力呈线性关系。Kino等人推导出纵波声速变化率和应力间关系：

ΔC/C₀=(C-C₀)/C₀=σ(μJ－λ(m＋λ＋2μ))/μ(3λ＋2μ)(λ＋2μ)

其中C为纵波沿应力方向的纵波波速，C₀为介质无应力时的纵波波速，σ为应力，λ.μ为拉曼常数，J.m为三阶弹性常数。

拉曼常数和三阶弹性常数由金属材料原子间结合力、结合键本性、晶体结构、化学成分、金相组织、织构（晶粒的择优取向--塑变加工中形成）等因素决定。如果材料的化学成分及塑变工艺稳定，那么这些常数则是不变的。超声波特性和探头结构影响三阶弹性常数。

因此，上述公式可写为ΔC/C₀=(C-C₀)/C0=K₀σ；

其中K₀为应力因子。通过实验验证，其线性关系很好。

正是基于上面的理论基础，本发明提供了一种采用声速测量应力的方法。具体的，本发明实施例提供的采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法，其核发明点在于，包括步骤：

A、测量服役螺栓的长度L和超声波声时T；

B、根据Cσ=L/T，计算得到应力状态的声速Cσ；

C、根据下面的公式计算得到轴力σ：

σ=K₀ΔCσ/C₀=K₀(C₀-Cσ)/C₀，

其中，K₀为应力因子，决定于螺栓的材料、规格和批次，C₀为无应力声速，在不同的介质中声速不同。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法，与现有的声时法相比，无需采集安装前单个螺栓的数据，只要测量安装完成后每颗应力状态下的声速就可以计算出螺栓轴力，既可以在安装过程中测量螺栓应力，也可以测量安装完成后的螺栓应力。另一方面，声时法用到的是声时差，而声速比率回归法用的是应力状态下的声速，前者测量误差大于后者。因此，本方法可以高精度测量在役螺栓的预载荷和运行即时载荷，进而提高风机连接螺栓运行的安全性，降低和杜绝由螺栓超轴力引起的事故发生。

为了使理论公式更加贴近于声速与应力的实际变化规律，进一步对上述轴力σ的计算公式进行线性回归分析，得到不同螺栓对应的应力因子K₀和无应力声速C₀，包括步骤：

1）通过材料试验机对待测螺栓施加轴力；

具体可以采用2000KN万能试验机，测量精度2%；或者10000Nm扭矩实验机，测量精度2%，能够更好的模拟螺栓的服役状态；不过经实验表明通过这两种方式测量得到的最终结果是一致的。

2）测量不同轴力下所述待测螺栓的长度和超声波声时；

螺栓的长度测量采用千分尺，测量精度0.01mm；螺栓的超声波声时测量采用澳大利亚产的BoltMikeⅢ螺栓应力仪（目前市场上唯一合适的品牌），测量时间的显示精度为1ns。

3）用计算机对数据进行数理统计，对上述公式进行线性回归分析；

通过计算机应用数理统计方法对数据进行分析比较和计算。

4）建立数据库。

我们对12种规格，97颗高强度螺栓的5000多个数据进行分析。

螺栓在安装完成后，螺杆有一部分被处于拉伸状态，另外一部分没有变形。螺杆可能被拉长的部分称为有效长度（即有应力长度）。如图1所示，Lσ为有应力长度，Lo为无应力长度。测量声时T由两部分组成：T=Lσ/Cσ+Lo/Co，Cσ为有应力声速，Co为无应力声速。

因此需要确定参与变形的螺栓长度，对上述轴力σ的计算公式根据有效长度进行修正：

修正应力状态的声速Cσ=Lσ/(T－Lo/Co)。

对有效长度的分析过程中，在实验时要保证螺母位置与安装时一样。有效长度的确定方法与螺栓副的安装形式有关，针对风机塔架法兰连接螺栓，有应力长度=夹紧长度+5/6螺栓直径。至于其他类型的螺栓，本领域技术人员能够根据实际情况得到有效长度，在此不再赘述。

螺栓因其结构特点，在低轴力时其断面上的应力不是均匀分布。请参阅图2，由区域Ⅰ到区域Ⅱ再到区域Ⅲ，应力自外向中心线逐步降低。当轴力增加时断面上的应力差逐渐减少。这种特点称为应力漂移。图3为螺栓测试载荷和回归曲线，其中1为截距，2为应力漂移区，3为测试曲线，4为回归曲线。可见，在较大应力的情况下，测试曲线3符合回归曲线4。鉴于本方法针对于风机塔架上的高强螺栓，应力漂移引起的影响可以忽略不计。

应力和温度两者对超声波声速都有影响，但它们是相互独立的（有关文献已验证）。只要找出无应力状态下，温度—声时的关系，并对温度影响加以修正即可。图4是13颗不同制造厂家，不同规格螺栓的温度—声时曲线。

实验结果验证了热弹性理论：

Δt=[L(h/C+f)/C]*Δθ；

h=0.5(b+λ‘+2μ’/C)；

b=(3λ+2μ)/α；

其中:Δt为声时差，L为声程，C为声速，λ、μ为二阶弹性系数，λ‘、μ’为三阶温度系数，α为常数，f为膨胀系数，θ为温度。

对于同一种材料，上述关系可写成：

修正后的声时T=T_M*[1+C_P(θ-X)]；

（T_M为测量声时，C_P为声时温度系数，θ为测量温度，X为参照温度）

通过改变螺栓温度，测量出声时与温度关系，结果见图5：

声时温度系数C_P=C_PV=(C_M/C_B-1)/(θ-X)；

其中，C_PV为声速温度系数，在这里C_P和C_PV分别代表声时和声速的温度系数，但是数值上相等；C_M为测量温度θ下的声速，C_B为参照温度X下的声速。

在本方案的实施例中，参照温度X具体取22°，为实验室温度；

即修正后的声时T=T_M*[1+C_P(θ-22)]；

声时温度系数C_P=C_PV=(C_M/C_B-1)/(θ-22)。

由常识可知，螺栓会发生热胀冷缩的现象。因此，还需要对上述轴力σ的计算公式根据热膨胀进行修正：

伸缩量ΔLr=L*α*（θ－X），

其中，α为线膨胀系数，θ为测量温度，X为参照温度。

在具体的实施例中，我们把22°作为参照点，离开参照点就会产生由于温度差引起的伸缩，即伸缩量为ΔLr=L*α*（C－22）。

鉴于α=12.3E﹣6mm/mm℃，ΔLr小于10的负4次方。外力作用下应变的数量级为10的负3次方，工程中热膨胀引起的影响可以忽略不计。

我们对推导出来的公式全部在实验室进行了验证，误差都小于±2.5%。下表是3颗M39*245的螺栓的验证结果：

表1M39*245验证结果

螺栓编号	测量点数	试验机KN	实验机Mpa	计算值MPa	误差±
						1	1	300	307	321	2.5%
	2	400	410	415	0.5%
							3	500	512	509	0.5%
	4	600	615	605	1.0%
						2	1	300	307	308	0.0%
	2	400	410	399	1.5%
							3	500	512	493	2.0%
	4	600	615	587	2.0%
						3	1	300	307	312	1.0%
	2	400	410	408	0.5%
							3	500	512	502	1.0%
	4	600	615	600	1.0%
						平均值					0.5%

图6为M39*285螺栓试验机显示应力和声速法计算应力对比。

我们对某风场基础环M42*305螺栓用三种方法做了应力检测。应变法、声速比率回归法、声时法。声时法用澳大利亚产的BoltMikeⅢ螺栓应力仪（目前市场上唯一合适的品牌）。三种方法测试结果的对比见下表：（部分螺栓，其余省略）

表2M42*305采用三种方法应力测试结果

图7是根据前22颗螺栓测试数据绘制声时法、声速法和应变法数据比较。

把应变法作为基准，两种方法相对应变法数据的偏差率见图8。

为了看得清楚，节选前20颗数据，制图9。

可见声速法数据更加接近应变法数据。

本案提供的方法具有以下特点：

1.声速比率回归法是测量螺栓长度与超声波测量声时相结合的一种方法，目前在国内国外尚无先例。测量螺栓应力的数据经与拉力机数据相比较误差在±2。5%之内，和拉力机误差指标相同，数据精度完全满足工程需要。

2.声速比率回归法操作简便，费用低，受环境影响小，对被测产品无损伤，有利于大面积应用。

3.声速比率回归法，针对螺栓结构特点，对数据进行筛选，应用数理统计方法，总结并建立了计算公式。同时考虑了温度的影响，过程科学、合理；测量方法简单、可靠；公式准确、适用。

4.声速比率回归法克服了声时法的不足，除了在安装过程中使用外，也可以对安装完成后的螺栓进行应力检测。有利于螺栓的定期监测，监控螺栓在使用中的变化规律，便于判断螺栓使用寿命。

综上所述，本发明实施例提供的采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法，基于声弹理论，利用线性回归方法，找出螺栓受力后声速变化与应力之间的规律，达到测量螺栓应力的目的。声速比率回归法实现了风机塔架高强度在役螺栓应力无损检测，声速比率回归法测量螺栓应力的数据经与拉力机数据相比较误差在±2%之内，数据精度完全满足工程需要。方法简单可靠，有利于螺栓的定期监测，监控螺栓在使用中的变化规律，便于判断螺栓使用寿命。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法，其特征在于，包括步骤：

A、测量服役螺栓的长度L和超声波声时T；

B、根据Cσ＝L/T，计算得到应力状态的声速Cσ；

C、根据下面的公式计算得到轴力σ：

σ＝K₀ΔCσ/C₀＝K₀(C₀-Cσ)/C₀，

其中，K₀为应力因子，C₀为无应力声速，

对上述轴力σ的计算公式进行线性回归分析，得到不同螺栓对应的应力因子K₀和无应力声速C₀，包括步骤：

1)通过材料试验机对待测螺栓施加轴力；

2)测量不同轴力下所述待测螺栓的长度和超声波声时；

3)用计算机对数据进行数理统计，对上述公式进行线性回归分析；

4)建立数据库。

2.根据权利要求1所述的采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法，其特征在于，对上述轴力σ的计算公式根据有效长度进行修正：

Cσ＝Lσ/(T－Lo/Co)；

其中，Lσ为有应力长度，Lo为无应力长度，Cσ为有应力声速，Co为无应力声速。

3.根据权利要求2所述的采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法，其特征在于，针对风机塔架法兰连接螺栓，有应力长度＝夹紧长度+5/6螺栓直径。

4.根据权利要求3所述的采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法，其特征在于，对上述轴力σ的计算公式根据应力漂移进行修正；

应力漂移：螺栓测试载荷和回归曲线。

5.根据权利要求4所述的采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法，其特征在于，对上述轴力σ的计算公式根据温度进行修正：

修正后的声时T＝T_M*[1+C_P(θ-X)]；其中，T_M为测量声时，C_P为声时温度系数，θ为测量温度，X为参照温度；

声时温度系数C_P＝C_PV＝(C_M/C_B-1)/(θ-X)；其中，C_PV为声速温度系数，C_M为测量温度θ下的声速，C_B为参照温度X下的声速。

6.根据权利要求5所述的采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法，其特征在于，对上述轴力σ的计算公式根据热膨胀进行修正；

伸缩量ΔL_r＝L*α*(θ－X)，其中，α为线膨胀系数，θ为测量温度，X为参照温度。

7.根据权利要求6所述的采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法，其特征在于，参照温度X具体为22°。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法，其特征在于，螺栓的长度测量采用千分尺。

9.根据权利要求8所述的采用声速比率回归法测量服役螺栓轴力的方法，其特征在于，螺栓的超声波声时测量采用澳大利亚产的BoltMikeⅢ螺栓应力仪。