專利名稱：一種采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及螺栓應(yīng)力檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在我國已經(jīng)并網(wǎng)運(yùn)行和在建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有近四萬臺(tái)。目前安裝風(fēng)機(jī)塔架連接高強(qiáng)螺栓緊固方法采用的是力矩法，由于安裝扭矩和扭矩系數(shù)平均值吻合不好，使得螺栓軸力(預(yù)載荷)分散度很大。安裝后部分高強(qiáng)螺栓預(yù)載荷超出設(shè)計(jì)值，給風(fēng)電場風(fēng)機(jī)塔筒的穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患。當(dāng)前普遍利用的聲時(shí)法測量技術(shù)，無法檢測已經(jīng)運(yùn)行的在役螺栓預(yù)緊力和實(shí)際載荷。目前，國外流行的螺栓應(yīng)力檢測基本原理是采用聲時(shí)差法，即利用螺栓受力前后聲時(shí)的變化達(dá)到檢測應(yīng)力目的。國內(nèi)尚無工程應(yīng)用。而且，聲時(shí)差法測量應(yīng)力有一個(gè)必要條件，就是每一顆螺栓的初始聲時(shí)必須在安裝前測量。即對于安裝完成的螺栓是無法測量應(yīng)力的。因此，針對上述情況，如何提供一種能夠測量服役螺栓軸力的方法，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的重要技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法，可以高精度測量在役螺栓的預(yù)載荷和運(yùn)行即時(shí)載荷，進(jìn)而提高風(fēng)機(jī)連接螺栓運(yùn)行的安全性，降低和杜絕由螺栓超軸力引起的事故發(fā)生。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:—種采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法，包括步驟:A、測量服役螺栓的長度L和超聲波聲時(shí)T ；B、根據(jù)Co =L/T，計(jì)算得到應(yīng)力狀態(tài)的聲速C σ ；C、根據(jù)下面的公式計(jì)算得到軸力σ:σ =K0 Δ C σ /C0=K0 (C0-C σ ) /C0,其中，K。為應(yīng)力因子，C。為無應(yīng)力聲速。優(yōu)選的，對上述軸力σ的計(jì)算公式進(jìn)行線性回歸分析，包括步驟:I)通過材料試驗(yàn)機(jī)對待測螺栓施加軸力；2)測量不同軸力下所述待測螺栓的長度和超聲波聲時(shí)；3)用計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，對上述公式進(jìn)行線性回歸分析；4)建立數(shù)據(jù)庫。優(yōu)選的，對上述軸力σ的計(jì)算公式根據(jù)有效長度進(jìn)行修正:Co =Lo/(T — Lo/Co);其中，Lo為有應(yīng)力長度，Lo為無應(yīng)力長度，Co為有應(yīng)力聲速，Co為無應(yīng)力聲速。
優(yōu)選的，針對風(fēng)機(jī)塔架法蘭連接螺栓，有應(yīng)力長度=夾緊長度+5/6螺栓直徑。優(yōu)選的，對上述軸力σ的計(jì)算公式根據(jù)應(yīng)力漂移進(jìn)行修正；應(yīng)力漂移:螺栓測試載荷和回歸曲線。優(yōu)選的，對上述軸力σ的計(jì)算公式根據(jù)溫度進(jìn)行修正:修正后的聲時(shí)T=TM*[1+CP(0-X)];其中，Tm為測量聲時(shí)，Cp為聲時(shí)溫度系數(shù)，Θ為測量溫度，X為參照溫度；聲時(shí)溫度系數(shù)Cp=Cpv= (CM/CB-1) / ( θ -X);其中，Cpv為聲速溫度系數(shù)，Cm為測量溫度Θ下的聲速，Cb為參照溫度X下的聲速。優(yōu)選的，對上述軸力σ的計(jì)算公式根據(jù)熱膨脹進(jìn)行修正；伸縮量ALr=L*a* ( Θ — X),其中，a為線膨脹系數(shù)，Θ為測量溫度，X為參照溫度。優(yōu)選的，參照溫度X具體為22°。優(yōu)選的，螺栓的長度測量采用千分尺。優(yōu)選的，螺栓的超聲波聲時(shí)測量采用澳大利亞產(chǎn)的BoltMike III螺栓應(yīng)力儀。從上述的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法，與現(xiàn)有的聲時(shí)法相比，無需采集安裝前單個(gè)螺栓的數(shù)據(jù)，只要測量安裝完成后每顆應(yīng)力狀態(tài)下的聲速就可以計(jì)算出螺栓軸力，既可以在安裝過程中測量螺栓應(yīng)力，也可以測量安裝完成后的螺栓應(yīng)力。另一方面，聲時(shí)法用到的是聲時(shí)差，而聲速比率回歸法用的是應(yīng)力狀態(tài)下的聲速，前者測量誤差大于后者。因此，本方法可以高精度測量在役螺栓的預(yù)載荷和運(yùn)行即時(shí)載荷，進(jìn)而提高風(fēng)機(jī)連接螺栓運(yùn)行的安全性，降低和杜絕由螺栓超軸力引起的事故發(fā)生。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。圖1為螺栓有效長度的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為低軸力螺栓斷面應(yīng)力分布示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的螺栓測試載荷和回歸曲線；圖4為13顆不同制造廠家，不同規(guī)格螺栓的溫度一聲時(shí)曲線；圖5為螺栓聲時(shí)與溫度變化關(guān)系示意圖；圖6為M39*285螺栓試驗(yàn)機(jī)顯示應(yīng)力和聲速法計(jì)算應(yīng)力對比示意圖；圖7為M42*305螺栓用聲時(shí)法、聲速法和應(yīng)變法三種方法應(yīng)力檢測，根據(jù)前22顆螺栓測試數(shù)據(jù)繪制的比較示意圖；圖8為聲時(shí)法和聲速法相比于應(yīng)變法的偏差率不意圖；圖9為節(jié)選圖8中前20顆數(shù)據(jù)的示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明公開了一種采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法，可以高精度測量在役螺栓的預(yù)載荷和運(yùn)行即時(shí)載荷，進(jìn)而提高風(fēng)機(jī)連接螺栓運(yùn)行的安全性，降低和杜絕由螺栓超軸力引起的事故發(fā)生。下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。根據(jù)聲彈理論，固體中的應(yīng)力將引起聲速的變化，聲速變化比率與應(yīng)力呈線性關(guān)系。Kino等人推導(dǎo)出縱波聲速變化率和應(yīng)力間關(guān)系:Δ C/C0= (C-C0) / C0= σ ( μ J — λ(ηι+ λ + 2μ))/μ(3λ + 2μ)(λ + 2μ)其中C為縱波沿應(yīng)力方向的縱波波速，C。為介質(zhì)無應(yīng)力時(shí)的縱波波速，σ為應(yīng)力，λ.μ為拉曼常數(shù)，J.m為三階彈性常數(shù)。拉曼常數(shù)和三階彈性常數(shù)由金屬材料原子間結(jié)合力、結(jié)合鍵本性、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、金相組織、織構(gòu)(晶粒的擇優(yōu)取向一塑變加工中形成)等因素決定。如果材料的化學(xué)成分及塑變工藝穩(wěn)定，那么這些常數(shù)則是不變的。超聲波特性和探頭結(jié)構(gòu)影響三階彈性常數(shù)。因此，上述公式可寫為ACzOi=(C-CqVO)=KciO ；其中Ktl為應(yīng)力因子。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其線性關(guān)系很好。正是基于上面的理論基礎(chǔ)，本發(fā)明提供了一種采用聲速測量應(yīng)力的方法。具體的，本發(fā)明實(shí)施例提供的采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法，其核發(fā)明點(diǎn)在于，包括步驟:A、測量服役螺栓的長度L和超聲波聲時(shí)T ；B、根據(jù)Co =L/T，計(jì)算得到應(yīng)力狀態(tài)的聲速C σ ；C、根據(jù)下面的公式計(jì)算得到軸力σ:σ =K0 Δ C σ /C0=K0 (C0-C o )/C0,其中，K。為應(yīng)力因子，決定于螺栓的材料、規(guī)格和批次，C。為無應(yīng)力聲速，在不同的介質(zhì)中聲速不同。從上述的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法，與現(xiàn)有的聲時(shí)法相比，無需采集安裝前單個(gè)螺栓的數(shù)據(jù)，只要測量安裝完成后每顆應(yīng)力狀態(tài)下的聲速就可以計(jì)算出螺栓軸力，既可以在安裝過程中測量螺栓應(yīng)力，也可以測量安裝完成后的螺栓應(yīng)力。另一方面，聲時(shí)法用到的是聲時(shí)差，而聲速比率回歸法用的是應(yīng)力狀態(tài)下的聲速，前者測量誤差大于后者。因此，本方法可以高精度測量在役螺栓的預(yù)載荷和運(yùn)行即時(shí)載荷，進(jìn)而提高風(fēng)機(jī)連接螺栓運(yùn)行的安全性，降低和杜絕由螺栓超軸力引起的事故發(fā)生。為了使理論公式更加貼近于聲速與應(yīng)力的實(shí)際變化規(guī)律，進(jìn)一步對上述軸力σ的計(jì)算公式進(jìn)行線性回歸分析，得到不同螺栓對應(yīng)的應(yīng)力因子Ktl和無應(yīng)力聲速Ctl，包括步驟:I)通過材料試驗(yàn)機(jī)對待測螺栓施加軸力；具體可以采用2000ΚΝ萬能試驗(yàn)機(jī)，測量精度2% ;或者IOOOONm扭矩實(shí)驗(yàn)機(jī)，測量精度2%，能夠更好的模擬螺栓的服役狀態(tài)；不過經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明通過這兩種方式測量得到的最終結(jié)果是一致的。2)測量不同軸力下所述待測螺栓的長度和超聲波聲時(shí)；螺栓的長度測量采用千分尺，測量精度0.0lmm ;螺栓的超聲波聲時(shí)測量采用澳大利亞產(chǎn)的BoltMike III螺栓應(yīng)力儀(目前市場上唯一合適的品牌)，測量時(shí)間的顯示精度為Ins03)用計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，對上述公式進(jìn)行線性回歸分析；通過計(jì)算機(jī)應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較和計(jì)算。4)建立數(shù)據(jù)庫。我們對12種規(guī)格，97顆高強(qiáng)度螺栓的5000多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。螺栓在安裝完成后，螺桿有一部分被處于拉伸狀態(tài)，另外一部分沒有變形。螺桿可能被拉長的部分稱為有效長度(即有應(yīng)力長度)。如圖1所示，Lo為有應(yīng)力長度，Lo為無應(yīng)力長度。測量聲時(shí)T由兩部分組成:T=L σ /C σ +Lo/Co, C σ為有應(yīng)力聲速，Co為無應(yīng)力聲速。因此需要確定參與變形的螺栓長度，對上述軸力σ的計(jì)算公式根據(jù)有效長度進(jìn)行修正:修正應(yīng)力狀態(tài)的聲速C σ =L σ / (Τ — Lo/Co)。對有效長度的分析過程中，在實(shí)驗(yàn)時(shí)要保證螺母位置與安裝時(shí)一樣。有效長度的確定方法與螺栓副的安裝形式有關(guān)，針對風(fēng)機(jī)塔架法蘭連接螺栓，有應(yīng)力長度=夾緊長度+5/6螺栓直徑。至于其他類型的螺栓，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)實(shí)際情況得到有效長度，在此不再贅述。螺栓因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在低軸力時(shí)其斷面上的應(yīng)力不是均勻分布。請參閱圖2，由區(qū)域I到區(qū)域II再到區(qū)域III，應(yīng)力自外向中心線逐步降低。當(dāng)軸力增加時(shí)斷面上的應(yīng)力差逐漸減少。這種特點(diǎn)稱為應(yīng)力漂移。圖3為螺栓測試載荷和回歸曲線，其中I為截距，2為應(yīng)力漂移區(qū)，3為測試曲線，4為回歸曲線?？梢?，在較大應(yīng)力的情況下，測試曲線3符合回歸曲線4。鑒于本方法針對于風(fēng)機(jī)塔架上的高強(qiáng)螺栓，應(yīng)力漂移引起的影響可以忽略不計(jì)。應(yīng)力和溫度兩者對超聲波聲速都有影響，但它們是相互獨(dú)立的(有關(guān)文獻(xiàn)已驗(yàn)證)。只要找出無應(yīng)力狀態(tài)下，溫度一聲時(shí)的關(guān)系，并對溫度影響加以修正即可。圖4是13顆不同制造廠家，不同規(guī)格螺栓的溫度一聲時(shí)曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了熱彈性理論:Λ t= [L (h/C+f)/C] * Λ θ ；h=0.5 (b+ λ ‘+2μ’/0;b=(3A+2y)/a ；其中:At為聲時(shí)差，L為聲程，C為聲速，λ、μ為二階彈性系數(shù)，λ ‘、μ’為三階溫度系數(shù)，a為常數(shù)，f為膨脹系數(shù)，Θ為溫度。對于同一種材料，上述關(guān)系可寫成:修正后的聲時(shí)T=TM*[1+CP( θ -X)]；(TM為測量聲時(shí)，Cp為聲時(shí)溫度系數(shù)，Θ為測量溫度，X為參照溫度)通過改變螺栓溫度，測量出聲時(shí)與溫度關(guān)系，結(jié)果見圖5:
聲時(shí)溫度系數(shù)Cp=Cpv= (CM/CB-1) / ( θ -X)；其中，Cpv為聲速溫度系數(shù)，在這里Cp和Cpv分別代表聲時(shí)和聲速的溫度系數(shù)，但是數(shù)值上相等；Cm為測量溫度Θ下的聲速，Cb為參照溫度X下的聲速。在本方案的實(shí)施例中，參照溫度X具體取22°，為實(shí)驗(yàn)室溫度；即修正后的聲時(shí)T=TM*[1+CP( Θ -22)]；聲時(shí)溫度系數(shù)Cp=Cpv= (CM/CB-1) / ( Θ -22)。由常識(shí)可知，螺栓會(huì)發(fā)生熱脹冷縮的現(xiàn)象。因此，還需要對上述軸力σ的計(jì)算公式根據(jù)熱膨脹進(jìn)行修正:伸縮量Λ Lr=L* α* ( θ — V), 其中，α為線膨脹系數(shù)，Θ為測量溫度，X為參照溫度。在具體的實(shí)施例中，我們把22°作為參照點(diǎn)，離開參照點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生由于溫度差引起的伸縮，即伸縮量為Λ Lr=L* a* (C — 22)。鑒于α =12.3E - 6mm/mm°C, Δ Lr小于10的負(fù)4次方。外力作用下應(yīng)變的數(shù)量級為10的負(fù)3次方，工程中熱膨脹引起的影響可以忽略不計(jì)。我們對推導(dǎo)出來的公式全部在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了驗(yàn)證，誤差都小于±2.5%。下表是3顆M39*245的螺栓的驗(yàn)證結(jié)果:表1M39*245驗(yàn)證結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法，其特征在于，包括步驟: A、測量服役螺栓的長度L和超聲波聲時(shí)T； B、根據(jù)Cσ =L/T,計(jì)算得到應(yīng)力狀態(tài)的聲速C σ ； C、根據(jù)下面的公式計(jì)算得到軸力σ: σ =K0ACo/C0=K0 (C0-C σ)/C0, 其中，K。為應(yīng)力因子，C0為無應(yīng)力聲速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法，其特征在于，對上述軸力σ的計(jì)算公式進(jìn)行線性回歸分析，包括步驟: 1)通過材料試驗(yàn)機(jī)對待測螺栓施加軸力； 2)測量不同軸力下所述待測螺栓的長度和超聲波聲時(shí)； 3)用計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，對上述公式進(jìn)行線性回歸分析； 4)建立數(shù)據(jù)庫。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法，其特征在于，對上述軸力σ的計(jì)算公式根據(jù)有效長度進(jìn)行修正:C σ =L σ / (Τ - Lo/Co)； 其中，Lo為有應(yīng)力長度，Lo為無應(yīng)力長度，Co為有應(yīng)力聲速，Co為無應(yīng)力聲速。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法，其特征在于，針對風(fēng)機(jī)塔架法蘭連接螺栓，有應(yīng)力長度=夾緊長度+5/6螺栓直徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法，其特征在于，對上述軸力σ的計(jì)算公式根據(jù)應(yīng)力漂移進(jìn)行修正； 應(yīng)力漂移:螺栓測試載荷和回歸曲線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法，其特征在于，對上述軸力σ的計(jì)算公式根據(jù)溫度進(jìn)行修正: 修正后的聲時(shí)T=TM*[1+CP(0-X)];其中，Tm為測量聲時(shí)，Cp為聲時(shí)溫度系數(shù)，Θ為測量溫度，X為參照溫度； 聲時(shí)溫度系數(shù)Cp=Cpv= (CM/CB-l)/(0-X);其中，Cpv為聲速溫度系數(shù)，Cm為測量溫度Θ下的聲速，Cb為參照溫度X下的聲速。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法，其特征在于，對上述軸力σ的計(jì)算公式根據(jù)熱膨脹進(jìn)行修正； 伸縮量AI^ = L* α* ( Θ 一 X)，其中，α為線膨脹系數(shù)，Θ為測量溫度，X為參照溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法，其特征在于，參照溫度X具體為22°。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任意一項(xiàng)所述的采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法，其特征在于，螺栓的長度測量采用千分尺。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法，其特征在于，螺栓的超聲波聲時(shí)測量采用澳大利亞產(chǎn)的BoltMike III螺栓應(yīng)力儀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用聲速比率回歸法測量服役螺栓軸力的方法，基于聲彈理論，利用線性回歸方法，找出螺栓受力后聲速變化與應(yīng)力之間的規(guī)律，達(dá)到測量螺栓應(yīng)力的目的。聲速比率回歸法實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)塔架高強(qiáng)度在役螺栓應(yīng)力無損檢測，聲速比率回歸法測量螺栓應(yīng)力的數(shù)據(jù)經(jīng)與拉力機(jī)數(shù)據(jù)相比較誤差在±2%之內(nèi)，數(shù)據(jù)精度完全滿足工程需要。方法簡單可靠，有利于螺栓的定期監(jiān)測，監(jiān)控螺栓在使用中的變化規(guī)律，便于判斷螺栓使用壽命。
文檔編號(hào)G01L1/25GK103076124SQ201210585128
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月30日
發(fā)明者鈕永田, 史文超 申請人:吉林省天合風(fēng)電設(shè)備有限公司