超声波螺栓测量技术概述

1 背景

螺栓连接是一种常用的零件间紧固和安装的方式，广泛 应用于机械设备、汽车、火车、航空航天、能源等各个领域。 例如： 车架与发动机、变速箱的箱体外壳、大型钢混结构的 建筑物等大部分都是可拆卸螺栓连接。螺栓连接的质量好坏 会直接影响结构的可靠性，一旦遭到破坏，轻则设备发生故 障， 重则会造成安全事故，如车架、 制动盘的螺栓松动导致 交通事故(图 1)，风力发电机组结构连接螺栓松动导致叶片

脱落、倒塔事故 (图 2)。

图 1 车辆车架、制动盘螺栓连接失效事故

图 2 风力发电机组螺栓连接失效事故

螺栓连接失效的有两个重要的原因：一是螺栓预紧力不足， 连接松动， 导致螺栓被剪切断裂，或者反复大应变引起断裂； 二是振动疲劳导致螺栓疲劳裂纹， 引起连接松动，松动会加 剧裂纹， 引发最终断裂。为此有效的控制螺栓预紧力、对螺 栓预紧力进行监测是保证连接可靠性的有效方法。也即是施 工时进行预紧力准确测量，施工后进行预紧力实时监测。

1.1 预紧力控制

在螺栓连接领域，由于被连接材料不同、螺栓材料、尺寸 不同， 没有通用的预紧力控制工艺， 通常需要进行针对性的 拧紧工艺设计。 目前，主要的螺栓预紧力控制方案有：

1) 直接扭矩法，通过扭矩扳手直接进行扭矩拧紧，但是扭矩 与轴力差距较大，最大误差在 50%。

2) 扭矩+转角控制法首先施加一个贴合扭矩， 使螺纹面及被 联接件支撑面贴合， 然后再拧紧固定角度，该方法能有效减 小预紧力散差， 提升联接可靠性。但此方法对螺栓性能有所 要求，其使用系数需要达到安全级别。

3) 屈服点控制法通过研究扭矩与转角之间的关系，当它们之 间的斜率发生变化说明螺栓达到了屈服点， 由此停止拧紧。 该方法对操作要求比较高。

4) 超声波控制法是通过计算螺栓的变形量来计算轴力， 通过 在螺栓上贴超声波应变片进行测量， 此方法精确度高， 但是 价格昂贵，目前在国外开始在工程上得到推广应用。

目前， 国内实际应用中，大部分装配上主要采用扭矩扳手 进行预紧力控制，也就是直接扭矩法，该方法最大会导致 50% 的预紧力偏差。这种不确定性， 不仅会导致装配预紧力分布 不均衡， 而且可能会导致预紧力不合格， 产生螺栓松动、导 致螺栓断裂等后果。 对比 4 种方法， 可得，超声波螺栓预紧 力控制法直接测量螺栓预紧力，可以实现高精度的螺栓预紧 力控制，从而保证设备装配质量，提高装备可靠性。

1.2 预紧力监测

在高铁、风力发电机组、水轮机等领域，由于载荷的持续 变化， 会导致螺栓连接松动。目前， 复杂载荷的螺栓连接松 动不能从拧紧工艺上得到有效解决， 为此，对螺栓预紧力状 态进行监测成了保证运行中连接可靠性的有效方法。在预紧 力监测领域主要的方法有螺母转角法、应变垫片法、 应变螺 栓法、超声波法。

1)   螺母转角法

通过测量螺母与螺杆的相对转角实现对连接状态的监 测，该方法结构简单、成本低， 但是转角与连接状态并非 绝对的线性关系，测量精度不高。通常用于脚手架、塔架 等精度要求不高的场合。

图 3 螺母转角法

2)   应变垫片法

通过在螺母和结构间安装金属应变垫片或者光纤应变 垫片的方式进行预紧力监测。该方法能测量预紧力，但是尺 寸大， 会改变连接结构， 并且由于应变片的点测特征，测量

精度受偏心载荷影响较大。

图 4 应变垫片法

3)   应变螺栓法

在螺栓内部集成金属应变片或者光纤光栅应变片实现 预紧力测量。 该方法精度高、不受偏载影响， 但是钻孔安装 会损害螺栓强度，另外安装难度大、可移植性不好。

图 5 应变螺栓法

4)   超声波法

在螺栓端面安装超声波传感器，通过测量超声波在螺栓 内的飞行时间来进行轴力测量， 该方法属于无损测量，精度 高、适应性好，但是技术难度高、测量结果受温度影响大， 需要额外的温度测量传感器辅助。目前国内可以做到 ps 级 分辨率， 实现预紧力 3%以内的测量精度，由于应用逐渐增大，

价格逐渐下降，呈现出较好的应用推广前景。

图 6 超声波法

综上所述，超声波预紧力测量技术精度高、适应性好， 随着价格的下降，必然在在预紧力控制、预紧力监测及相关 的连接载荷分析领域发挥越来越重要的作用。

2 超声波螺栓预紧力测量、监控技术

超声波螺栓预紧力测量技术的主要原理是通过测量超声 波在螺栓内的飞行时间来获得螺栓的实际长度，通过胡克定 律，可计算出螺栓的实际预紧力。其原理如图 7 所示。

图 7 超声波螺栓预紧力测量原理示意图

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。超声波在螺栓内部的传播路径如图 8 所 示。在超声波检测螺栓时，将探头放置在待测螺栓的头部， 超声波探头通过耦合剂紧密贴合在螺栓上，探头产生的一部 分超声波在螺栓头表面完成一次反射， 形成反射波 P0，其他

超声波 P1一直传播到工件的底面，在底面完成反射后形成

超声波 P2再返回到探头，该回波 P2的飞行时间就是待测的、

与螺栓应力相关的特征参数。

图 8 超声波在螺栓内的传播路径

3 超声波预紧力测量技术的国内外现状

目前， 国外已有很多普通级别的超声波螺栓应力测试设 备， 比如美国的达高特 DAKOTA   MAX 手持超声波螺栓应力测 试仪、 MINI-MAX 螺栓应力测试仪、英国的 NORBAR 的 USM 系列超声波测长仪、 STRESSTEL Bolt MIKE III 超声波螺栓 紧固应力测试仪(如图 4 所示)，但是普遍价格昂贵。国内目 前也有部分自主研发的、功能完善的设备，80 年代开始就陆 续有高校进行相关研究， 但是商用产品较少， 国内有部分厂 家如苏州博申等甚至退出了电磁超声产品，但是普遍价格昂 贵。如何有效降低产品成本， 是推广应用超声波预紧力控制 监测技术的关键。国内，北斗乘峰科技有限公司联合清华大 学， 经过多年研发， 推出的新一代低成本解决方案，在保证 精度的同时，可以将单测点价格做到 1000 元以内，使得大范 围推广超声波预紧力控制技术成为可能。

图 9 STRESSTEL Bolt MIKE Ⅲ 螺栓紧固应力测试仪

5 北斗乘峰超声轴力产品介绍

目前，超声轴力产品系列分为预紧力在线监测设备、预紧 力同步监测设备两种。

BT-100 在线监测设备采用多路复用的方法，实现一台主 机可实时监测 12 个测点（BT-480为48路测点），软同步时间戳方案可以实现交变 载荷的同步测量，为风力发电机组、水轮机、高铁等领域的 螺栓预紧在线监测提供低成本解决方案。产品如图 10、11 所 示。

图 10 BT100 12 路超声波轴力在线监测设备 (后面)

图 11 BT-100 12 路超声波轴力在线监测设备 (正面)

表 1 BT-100 12 路超声波轴力在线监测设备主要参数

BT-200 预紧力同步监测设备采用多路并行方法， 实现 12 测点预紧力高精度同步测量，主要为法兰等连接结构的连接 螺栓载荷高精度同步分析提供解决方案。产品如图 12，13 所 示。主要参数如表 2 所示。

图 12 BT-200 预紧力同步监测设备 (后面)

图 13 BT-200 预紧力同步监测设备 (正面)

表 2 BT-200 12 路超声波轴力在线监测设备主要参数