基于声弹性原理环槽铆钉夹紧力超声波检测方法的研究

左世斌 贾云龙 张钦 董帅 邓涛 赵祥云

摘要：为解决环槽铆钉夹紧力在役检测的难题，本文基于声弹性原理，提出了利用环槽铆钉轴向应力与铆接前后超聲波纵波传播的时间差的线性关系，间接检测环槽铆钉夹紧力的方法。结合环槽铆钉结构及安装方法的特殊性，选择合的超声波反射界面，消除了套环径向挤压和铆钉尾牙塑性带了的检测误差和检测不确定性，大幅度提高了夹紧力的检测精度。

关键词：超声波;声弹性原理;夹紧力;环槽铆钉

中图分类号：TH823                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）02-0129-02

0  引言

环槽铆钉起源于20世纪60年代的美国，最早是为解决轰炸机在航母上频繁降落产生巨大振动，导致夹板上螺栓松动、连接失效的问题。经过几十年的发展环槽铆钉已经成功应用在航空航天、铁路车辆、铁路轨道、重型汽车和钢结构等领域。但环槽铆钉在受冲击、材料蠕变或连接结构变形等的影响下，其夹紧力（等效与螺栓的预紧力）可能发生衰减，从而影响结构的使用性或安全性，因此环槽铆钉夹紧力的精确测量和在役监控具有重要的实际意义和工程应用价值。

超声波检测螺栓预紧力技术是近年来发展并在实际工作中得到应用较为广泛的方法，其利用超声波的声弹性原理，通过超声纵波在螺栓本体中传播时间变化间接检测其预紧力的大小，具有以下优势：

①超声波检测不破坏被检测件样品，可以做到不降低螺栓的性能。

②超声波检测技术可以实现一个通道多颗螺栓的预紧力检测和监控。

③超声波穿透力好，可以满足一般的螺栓预紧力的检测需要。

④超声波预紧力检测速度快，适合大批量同类型产品的检测。但针环槽铆钉特殊的尾部结构和套环径向锁紧方式，如何利用超声波技术精准的测量其夹紧力，本文将着重讨论。

1  环槽铆钉夹紧力超声波检测原理

超声波检测螺栓预紧力技术是基于超声纵波声速与螺栓应力线性相关的声弹性原理[1-3]。当超声波沿螺栓轴向传播时，其声速随着作用于螺栓上应力的增加而减小，两者呈线性关系。当应力施加到螺栓上时，超声波声速发生变化的同时螺栓发生弹性变形被拉长，造成超声波从螺栓的头部进入，在尾部反射并返回的渡越时间增加。通过超声波螺栓测量仪检测超声纵波在有无声时情况下的渡越螺栓的声时差即可间接计算得到螺栓的预紧力。

由于环槽铆钉特殊的尾部结构和套环径向锁紧安装方式，传统的螺栓底面反射法无法排除铆钉尾牙安装中塑性变形和套环径向锁紧带来环槽铆钉杆部应力状态变化导致的检测误差和测量不确定性。为了排除上述因素的影响，在铆钉钉杆上设置用于超声波反射的反射孔，其中反射孔位于锁紧槽和光杆的交界处，提取反射孔到冒头段作为反射体，用于环槽铆钉夹紧力的测量，可以有效排除环槽铆钉安装过程中尾牙变形和套环径向挤压引起的误差，其结构图1所示。

测量原理为：根据声弹性原理，铆钉铆接后受预紧力的作用，其声速为：

式（1）中：C0——超声波在铆接前无预紧力时（σ=0）的声速;

Cσ——超声波在铆接后应力为σ时（σ>0）的声速;

k——与材料有关的声弹性系数;

σ——铆钉铆接后的应力。

铆接后，由于应力的作用反射体将被拉长，其中铆钉冒头到反射孔的长度变化：

式（2）中：L——铆钉冒头到反射孔之间的距离;

H——铆钉冒头厚度;

E——铆钉材料的弹性模量。

其中是与环槽铆钉单位夹紧力引起的超声波相对变化量，由标定可得到，通过测量环槽铆钉铆接前后的超声纵波传播时间s0和sσ，由式（8）即可求得环槽铆钉的夹紧力。

另外，针对同一直径和长度规格的环槽铆钉，超声波反射体相同，排除了标定和检测时连接厚度差异带来的测量误差，进一步提高了工程应用的可操作性。

2  实验室验证试验

为验证以上测量方法的可行性，选择公称直径24mm、性能等级10.9级、标记铆接厚度75mm的短尾环槽铆钉进行实验室验证试验。试验前在铆钉光杆和锁紧槽交界处预制直径Φ1mm的圆孔作为反射孔，反射孔距离铆钉冒头距离为75mm，冒头上粘贴超声波压电陶瓷晶片，采用TCH-800C型螺栓超声波轴力测试系统进行标定和测量，并与轮辐式压力传感器测量结果进行对比，其测量结果如表1所示，结果表明超声波检测环槽铆钉夹紧力的相对误差在3%以内。

3  钉群效应试验

为验证环槽铆钉夹紧力超声波检测方法在实际连接构件中测量的准确性，在眉山中车紧固件科技有限公司实验室进行了环槽铆钉钉群效应试验。测量对象为某钢混组合桥纵向腹板拼接节点的1：1实物模型，板束厚度为（18+12+12）mm，材质为Q345E，表面采用涂层处理。实物模型上安装公称直径24mm、性能等级10.9级，标记铆接厚度40mm的短尾环槽铆钉108套，其中板束中部增加6套压力环测量环槽铆钉的真实夹紧力，现场试验布置及模型尺寸如图2所示。使用超声波方法检测108套环槽铆钉按一定顺序铆接时夹紧力的变化。其中将安装压力环的6套环槽铆钉最终检测结果与压力环测量数据进行对比，见表2[4]，结果表明：在实际连接构件中，环槽铆钉夹紧力超声波检测方法的相对误差不大于5%。

4  结束语

通过对环槽铆钉超声波检测方法及原理的分析，然后用实验室验证和实际连接构件的钉群效应试验进行了验证，结果表明：环槽铆钉夹紧力超声波检测方法可行，其测量相对误差不大于5%，采用反射体作为测量段避免了环槽铆钉安装中尾牙变形、套环挤压钉杆对夹紧力测量的影响，提高了测量结果的稳定性，利于工程实际应用。

参考文献：

[1]施泽华，周海鸣.声弹性法及其应用[J].河海大学学报，1990，18（2）：69-75.

[2]杜刚民，李东风，曹树林，等.螺栓轴向应力超声测量技术[J].无损检测，2006，28（1）：20-25.

[3]朱士明，江泽涛，卢杰，等.声时差法测定螺栓的预紧力[J].声学技术，1995，14（4）：181-186.

[4]西安建筑科技大学.连接顺序对环槽铆钉预紧力损失的影响试验研究报告[R].2019.