便捷高精度螺栓轴力检测新技术

      螺栓失效（断裂）的主要因素包括：不合适的预紧力和疲劳。其中，未达到规定的预紧力往往会加速螺栓疲劳失效。而“合适的预紧力”主要由紧固施工工艺和定期巡检保证的。尽管传统的扭矩扳手自身扭矩计量准确，但作用在螺栓连接上的有效力矩因关联影响因素较多往往不能真实反映螺栓的轴向预紧力。

基于超声波声弹性理论的便携式螺栓预紧力测量仪是利用了被测对象中超声波速与应力之间存在的固有关系并将这种特性转为数字信号表征的力学定量检测产品，该方法本质上测量的是螺栓紧固后的“轴向伸长量”，巧妙避开了影响预紧力测量但又无益于紧固的非关联性因素，保证了优良的测量精度。

表1.1 常用螺栓预紧力测量方法比较

                                                                                   

螺栓预紧力测量方法	测量误差
扭矩扳手	±（25%~35%）
应力环（应力感知垫片）	±10%
伸长量测量法	±5%
超声法	±（1%~5%）

1）压力环（应力环）

该方法的基本原理是通过螺母压接压力环致使变形产生电信号改变，从而反求轴向力的改变。金风科技和哈电曾使用过压力环试图解决预紧力高精度测量，但是，这种压力环在高度方向尺寸较大，使用时需要增加螺杆的长度从而改变连接海上风电塔筒和叶片螺栓，并且由于螺栓规格大了后，压界面受力不均测量误差就显著增大，由于受力后会引起变形，无法进行重复使用，因此使用的成本也比较高，没有得到大面积推广应用。

2）光纤法

光纤法测量精度出色，工作原理在于光纤随同螺栓轴向受力改变折射率。这种方法需要在螺栓上钻取深孔埋入光纤，显然这种破坏性的方法有违预紧力的初衷，本身试图解决精确测量预紧力从而使得螺栓强度正常发挥，钻取深孔这种有损方式一方面降低螺栓原有强度的同时，还会引入应力集中的风险点，工艺极为讲究，现场施工无法开展，因此该方法注定不能在工程上进行规模应用。

3）超声波

   超声波可以无损的透进材料内部，根据材料的应力状态与波速的关系，通过检测入射波与反射波的时间差来确定螺栓内部的应力，从而计算出螺栓的张紧力。超声波来测量螺栓应力具有以下优点：①超声波检测螺栓应力的媒介是超声波，是一种能在固体中传播的机械波，所以利用超声波检测螺栓应力，不像光纤技术，它不需要在螺栓上打孔，不会影响螺栓的相关物理参数，可以快速实现原位轴力测量；②超声换能器能方便的激发出不同频率的超声波，可以检测不同应力状态的螺栓；③超声换能器小巧，功率密度大，与螺栓连接简单，可以方便的与螺栓集成设计为智能螺栓；④超声波检测可以消除摩擦力对扭矩测量的影响；因此利用超声波的无损检测性质来设计智能螺栓是非常合适的。