肖嘉伟
摘要:为了建立快速简单的高强度螺栓应力检测技术,本文从超声波传播理论出发,建立无应力下螺栓声速关系,研究了压电换能器设计理论,设计选择出了适合检测螺栓声速的压电换能器,并对整个系统进行了试验设计和检测。实验结果表明:从改进压电换能器出发能够直接检测螺栓声速,并且保证了检测精度要求,为超声检测螺栓应力提供了新思路和方法。
关键词:超声检测;声弹性;声速检测;压电换能器
0 引言
螺栓,作为工业工程中最普遍连接件,广泛应用于航空航天、核能化工、水利发电、仪器仪表、新能源等工业领域[1],起连接零件、密封机械、强化结构等作用。可以说,螺栓连接了制造业的基础环节,在实际工程应用中,螺栓上施加的应力是否在有效承受范围内,直接影响了整个设备或者结构性能、寿命和安全可靠性。
目前,国内外的螺栓应力超声检测方法主要有两种:单波法和横纵波联合检测法[2]。两种方法都属于间接检测方法,即测量渡越时间来检测螺栓应力,渡越时间法的由于精度达到纳秒级别,因此对设备精度要求非常高。声速法测应力有学者已经提出[3],但是由于无法直接检测螺栓声速,还是从检测螺栓声时出发得到理论结果。近年来,随着超声技术和理论的完善,检测材料声速的仪器在无损检测领域日渐成熟,这使得直接检测螺栓声速有了现实的可能。本文将从固体声学理论和声弹性理论出发,建立无应力下的螺栓声速关系,然后考虑温度的影响对其进行修正。在理论上对压电换能器设计进行研究和分析,然后结合被测高强度螺栓的尺寸参数,设计出适合检测高强度螺栓声速的压电换能器,并且通过实验进行验证。
1 螺栓应力压电换能器设计理论研究
根据固体中的声波方程,考虑标量势和矢量势的分离,可以得到简化的两类平面波的声波传播速度公式[4]:
式中:CL代表固体中的纵波传播速度,CT代表横波传播速度,λ和μ为各项同性的Lame常数,ρ为材料密度。从式(1)和式(2)可以看出,纵波声速约为横波的两倍。
在无应力情况下,声弹性理论与固体声传播理论相一致,且与之相关的是固体材料的Lame常数,对于各项同性固体来说,完全可以用杨氏模量E和泊松比ν表征其弹性性质:
根据温度对声速的影响,我们可以根据公式进行修正,推导应力与超声波速的关系,最终完成对螺栓应力的超声检测。可以发现,超声波的传播速度是螺栓应力的检测的核心因素,若能直接检测声速对应力检测是一种非常方便快捷的方法,而压电换能器是检测声速的最基本最重要的器件。
压电换能器是将电、声波信号相互转换的器件,其种类繁多且性能各异,其本质上是一个超声频电子振荡器,其原理是利用压电晶片的压电效应完成高频电能向机械能的转化,一般由压电晶片、阻尼块、接头、电缆线、保护膜和外壳组成[5],对压电换能器的设计核心问题就是对压电晶片的进行声学特性分析。基于压电效应,压电晶片产生声波,声波源附近轴线上最后一个声压极大值致波源的距离为近场区长度N:
2 实验研究
2.1 实验硬件设计
实验螺栓为M36X200的偏航制动器高强度螺栓,根据超声检测要求,需要对螺栓检测面进行加工处理,考虑到螺帽作为入射面,在机床或者车床上不方便加工,因此采用抛光机打磨,保证入射面粗糙度小于Ra3.2,最终螺栓长度为225.56mm。弹性模量为210MPa,屈服强度大于800MPa。
根据螺栓尺寸参数及理论分析结果,设计选择了三种不同规格尺寸的压电换能器,换能器具体参数如表1。
双晶探头有两块压电晶片,发射和接受压电晶片是独立的,而单晶探头只有一块压电晶片,同时充当发射和接受功能,匹配层材料均选用环氧树脂,保证检测精度和耐磨性所有换能器阻尼50ohm,激励信号源选用高斯连续脉冲信号。
超声发射接收显示仪采用Doppler Anyscan36,该设备显示的是超声波的全波,并且进行了基本的降噪滤波处理,保证了实验器材精度。设备仪器能够通过对两个已知声程(S1和S2)和回波(B1和B2)的时间进行声速和探头零点计算。整个检测环境位于恒温实验室中,保证检测温度在25C°。
2.2 实验结果分析
通过数据采集卡将采集的信号保存,并在PC端分析,三个探头的回波信号图如图1所示。
在图1(a)中,采用的是双晶探头DA2.5P20,由于晶片发射和接受信号都是独立的,相当于晶片面积缩小一半,此时增加了近场区的长度,同时由于半扩散角大于螺栓检测角度,出现了侧壁干涉现象,这无疑会增大检测难度和降低精度。在图1(b)中,采用单晶探头N2.5P20,由于超声信号的接受和发射都是统一的,因此晶片尺寸为实际尺寸,从回波信号图可以发现,侧壁干涉现象大大减小,但是由于频率不高还是存在一些抗信号干扰不强的问题,因此在保证衰减系数满足检测条件的情况下,提高频率的同时提高晶片尺寸,采用了单晶探头N5P20,回波信号如图1(c),可以发现此时信号在信号强度和抗干扰能力上都有所增加。
由于螺栓的声速是一个常数,在已知声程的情况下,检测出声时就能得到声速。如果检测声速符合材料理论声速范围说明检测的声时在理论范围内。对于声速的检测采用过零检测法,检测原理如图2所示。
声速波形选择并不是从起始发射波0#到第一次回波1#,而采用第一次回波1#和第二次回波2#的声时间隔,采用这种声时间隔选择不仅可以消除诸如电路带来的系统误差,同时也能大大减少超声衰减带来的检测精度影响[72]。在选择回波過零检测逻辑门时,一般设置在1#和2#的中间位置,能够有效避免回波前沿和后沿畸变造成的测量误差,因此分别在1#和2#设置了逻辑门A和B,检测仪器设备内设置了闸门线,只需把闸门线移动至逻辑门的位置,通过计算就能直接得到声速值。为了保证可信度,检测十次求平均值,实验测得M36X200螺栓在N5P20单晶探头检测下声速值为5919.6m/s,根据超声无损检测手册[73],钢结构的纵波在5900~5950m/s之间,检测结果符合理论范围。
3 结论
本文通过超声理论研究和压电换能器结构优化,结合试验数据观察,设计研究出适合检测螺栓声速压电换能器,同时发现了实际检测中适合测量螺栓声速的压电换能器设计结构设计规律,且能够保证精度要求。试验结果表明,从硬件优化检测螺栓声速而结合理论去检测螺栓应力这一方法是可行的。
参考文献:
[1]姜招喜.紧固件检验手册[M].北京:中国计量出版社,2010.
[2]徐春广,李骁,潘勤学,等.螺栓拉应力超声无损检测方法[J].应用声学,2014,33(2):102-106.
[3]刘镇清,华剑南,梁穗,王路.螺栓材料应力与声速、温度关系的测定[J].应用声学,1997(05):26-31.
[4]杜功焕,等.声学基础[M].南京大学出版社,2001.
[5]林书玉.超声换能器的原理及其设计[M].北京:科学出版社,2004.