螺栓应力的超声测量

赵春华1，2,张志远2,肖嘉伟2,肖智生

(1.三峡大学 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室, 宜昌 443002;2.三峡大学 机械与动力学院, 宜昌 443002; 3.六一二中船重工海声科技有限公司, 宜昌 443002)

风力发电是较为成熟的可再生能源技术，越来越受到世界各国的重视。偏航制动器作为风力发电机组的重要组成部分，作用是使风轮始终处于迎风状态并且提供必要的锁紧力矩，该制动器的螺栓作为紧固件，对整个系统的稳定性都有很大的作用，若出现松动或断裂将影响整个机组的安全。因此，对其螺栓的故障诊断及在线监测的研究十分有必要。

目前对螺栓应力的故障诊断研究有很多。同济大学刘镇清推导出螺栓应力与超声波声时差的公式[1]，并研制了一种可直接测量螺栓轴向应力的超声测量设备。浙江大学张俊研究了超声发射接收原理、高精度声时测量原理、声耦合原理等关键技术[2]，通过测试仪对螺栓应力试验曲线进行了拟合。

笔者通过对偏航制动器螺栓进行声时差-应力关系的标定试验，得出声时差与应力之间的线性关系，由此得出型号螺栓的材料系数；则对于已紧固的螺栓，只需测量出时间差就可得出螺栓的实时应力值。由于偏航制动器工作环境较为恶劣，难以进行人工测量，故将压电传感器永久固定在风电机组上，通过LABVIEW用户界面实时观察螺栓轴向应力的工作状态。

1 基于声弹性理论的测量原理

在同一温度下，螺栓应力与超声波在螺栓中的声时差成正比[3]，故对于偏航制动器的同批次螺栓，只要事先标定一个螺栓的声时与应力的关系系数A，则对其余螺栓，只需测量声时差就可以得出其应力值。根据声弹性理论，固体中的声速与应力σ有关，用Cσ表示超声波在有应力时的声速，C0表示超声波在无应力时的声速，则有

(1)

式中：K为与螺栓材料弹性常数有关的常数。

设L0为无应力时的螺栓长度，Lσ为加载应力后的螺栓长度，则有

(2)

式中：E为杨氏模量。

设t0为螺栓无应力时，声波信号在螺栓内部的飞行时间，tσ为螺栓有应力时，声波信号在螺栓内部的飞行时间，则有

(3)

所以由式(1)(3),得到声时差Δt为

(4)

Δt=2×AL0σ

(5)

以上分析表明，螺栓的轴向应力与超声波飞行的声时差是直线关系，故只要事先计算出螺栓系数A，即对偏航制动器螺栓做标定试验，则实际应用中，只需测量声波的飞行时间就可得到此时螺栓所受的应力。

2 换能器的设计

收发一体式换能器具有优势且精度较高，为了使超声波束集中在螺栓底部，根据实际螺栓尺寸设计了换能器参数，并采用窄脉冲锆钛酸铅换能器。

超声波换能器结构设计主要需考虑探头中心频率f、直径Ds和半扩散角θ0。选择换能器中心频率f为5 MHz时，声波在钢中的传播速度CL=5 900 m·s-1，设波束在界面的平均声压相同，未扩散区(即螺栓总长度)b=363 mm，则由公式b=1.64N(N为近场区长度)可得N=220.73 mm。

而N与超声波换能器的直径Ds的关系可用式(6)表示

(6)

则由式(6)可计算出Ds≈32.28 mm。

由式(7)可得到θ0半扩散角(即探头开角)为

(7)

实际工况下，超声波波束在螺栓的有效直径之内(即波束全部打在底面反射)时，接收到的回波信号才不会产生干扰信号，开角满足设计要求。综合考虑偏航制动器以及螺栓的工作环境、尺寸和技术要求，确定换能器选用5 MHz的中心频率。

3 超声波声时差计算

现场偏航制动器的螺栓尺寸如图1所示。试验时对该螺栓进行了超声波测试，即在螺栓头部涂抹机油，使用所设计的换能器压在螺栓头部，通过探头发射超声波脉冲，脉冲入射到螺栓底部时发生反射，超声波从发射到接收所经历的时间即为声时差[4]。

图1 偏航制动器螺栓尺寸

图2 示波器采集的超声波回波

为了保证超声波声时测量的准确度，采用分辨率为1 GS·s-1的示波器，图2为示波器采集的超声波回波，首先测量无应力状态下的超声波飞行时间，然后在试验机上进行拉伸，模拟螺栓的轴向应力，测量有应力时的飞行时间，图中超声波飞行时间的起点为第一个波的过零点，终点是回波信号中的最大幅值点，二者的差值为超声波在螺栓内部的飞行时间，根据式(5)求出声时差即可得到螺栓的轴向应力。

超声波应力测量系统主要是通过测量声波发射接收前后的声时差，得到螺栓轴向应力的，测试时应首先对螺栓做标定试验以求出材料系数。用试验机对螺栓进行拉伸以模拟轴向应力，在软件MATLAB中处理数据完成螺栓标定直线的拟合，经过多次重复试验可看出螺栓的系数A近似为一个定值，如图3所示，与理论推导出的式(5)的结果一致，说明超声波声时差与轴向应力存在良好的线性关系。得到标定系数后将其输入到人机监测程序中，则可实时测量偏航制动器螺栓所受的轴向应力。

图3 偏航螺栓的应力-声时差关系

然后，在LABVIEW平台上使用函数节点功能对数据采集卡进行控制，采集卡将模拟信号转换成数字信号输入到计算机内存中，工作人员将试验得到的应力与声时差关系函数输入到程序里，由程序计算出螺栓应力大小，最终结果再在人机界面上实时显示出来(见图4)，若螺栓出现松动或断裂，则报警给远程工作人员。

图4 远程监控人机界面显示

4 结语

螺栓作为偏航制动器的紧固件，其受力状态直接影响到整个风机的运行安全性。文章使用脉冲反射法测量螺栓应力，配合上位机数据采集分析系统，实时检测螺栓受力状态。对于同型号的偏航螺栓，建立了反映应力和声时差关系系数的标定试验曲线，将系数添加到分析系统中便可计算出应力。为了提高应力测量精度，笔者设计了换能器的直径和开角，可使波束全部打在螺栓底部，减少了螺栓侧面对声波的反射，保证了声时测量精度；通过LABVIEW和MATLAB软件同时对回波数据进行处理，能准确求出声时差和螺栓轴向应力。