基于聲彈性原理環(huán)槽鉚釘夾緊力超聲波檢測(cè)方法的研究

左世斌 賈云龍 張欽 董帥 鄧濤 趙祥云

摘要：為解決環(huán)槽鉚釘夾緊力在役檢測(cè)的難題，本文基于聲彈性原理，提出了利用環(huán)槽鉚釘軸向應(yīng)力與鉚接前后超聲波縱波傳播的時(shí)間差的線性關(guān)系，間接檢測(cè)環(huán)槽鉚釘夾緊力的方法。結(jié)合環(huán)槽鉚釘結(jié)構(gòu)及安裝方法的特殊性，選擇合的超聲波反射界面，消除了套環(huán)徑向擠壓和鉚釘尾牙塑性帶了的檢測(cè)誤差和檢測(cè)不確定性，大幅度提高了夾緊力的檢測(cè)精度。

關(guān)鍵詞：超聲波;聲彈性原理;夾緊力;環(huán)槽鉚釘

中圖分類號(hào)：TH823? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）02-0129-02

0? 引言

環(huán)槽鉚釘起源于20世紀(jì)60年代的美國(guó)，最早是為解決轟炸機(jī)在航母上頻繁降落產(chǎn)生巨大振動(dòng)，導(dǎo)致夾板上螺栓松動(dòng)、連接失效的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展環(huán)槽鉚釘已經(jīng)成功應(yīng)用在航空航天、鐵路車輛、鐵路軌道、重型汽車和鋼結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。但環(huán)槽鉚釘在受沖擊、材料蠕變或連接結(jié)構(gòu)變形等的影響下，其夾緊力（等效與螺栓的預(yù)緊力）可能發(fā)生衰減，從而影響結(jié)構(gòu)的使用性或安全性，因此環(huán)槽鉚釘夾緊力的精確測(cè)量和在役監(jiān)控具有重要的實(shí)際意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

超聲波檢測(cè)螺栓預(yù)緊力技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展并在實(shí)際工作中得到應(yīng)用較為廣泛的方法，其利用超聲波的聲彈性原理，通過(guò)超聲縱波在螺栓本體中傳播時(shí)間變化間接檢測(cè)其預(yù)緊力的大小，具有以下優(yōu)勢(shì)：

①超聲波檢測(cè)不破壞被檢測(cè)件樣品，可以做到不降低螺栓的性能。

②超聲波檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)通道多顆螺栓的預(yù)緊力檢測(cè)和監(jiān)控。

③超聲波穿透力好，可以滿足一般的螺栓預(yù)緊力的檢測(cè)需要。

④超聲波預(yù)緊力檢測(cè)速度快，適合大批量同類型產(chǎn)品的檢測(cè)。但針環(huán)槽鉚釘特殊的尾部結(jié)構(gòu)和套環(huán)徑向鎖緊方式，如何利用超聲波技術(shù)精準(zhǔn)的測(cè)量其夾緊力，本文將著重討論。

1? 環(huán)槽鉚釘夾緊力超聲波檢測(cè)原理

超聲波檢測(cè)螺栓預(yù)緊力技術(shù)是基于超聲縱波聲速與螺栓應(yīng)力線性相關(guān)的聲彈性原理[1-3]。當(dāng)超聲波沿螺栓軸向傳播時(shí)，其聲速隨著作用于螺栓上應(yīng)力的增加而減小，兩者呈線性關(guān)系。當(dāng)應(yīng)力施加到螺栓上時(shí)，超聲波聲速發(fā)生變化的同時(shí)螺栓發(fā)生彈性變形被拉長(zhǎng)，造成超聲波從螺栓的頭部進(jìn)入，在尾部反射并返回的渡越時(shí)間增加。通過(guò)超聲波螺栓測(cè)量?jī)x檢測(cè)超聲縱波在有無(wú)聲時(shí)情況下的渡越螺栓的聲時(shí)差即可間接計(jì)算得到螺栓的預(yù)緊力。

由于環(huán)槽鉚釘特殊的尾部結(jié)構(gòu)和套環(huán)徑向鎖緊安裝方式，傳統(tǒng)的螺栓底面反射法無(wú)法排除鉚釘尾牙安裝中塑性變形和套環(huán)徑向鎖緊帶來(lái)環(huán)槽鉚釘桿部應(yīng)力狀態(tài)變化導(dǎo)致的檢測(cè)誤差和測(cè)量不確定性。為了排除上述因素的影響，在鉚釘釘桿上設(shè)置用于超聲波反射的反射孔，其中反射孔位于鎖緊槽和光桿的交界處，提取反射孔到冒頭段作為反射體，用于環(huán)槽鉚釘夾緊力的測(cè)量，可以有效排除環(huán)槽鉚釘安裝過(guò)程中尾牙變形和套環(huán)徑向擠壓引起的誤差，其結(jié)構(gòu)圖1所示。

測(cè)量原理為：根據(jù)聲彈性原理，鉚釘鉚接后受預(yù)緊力的作用，其聲速為：

式（1）中：C0——超聲波在鉚接前無(wú)預(yù)緊力時(shí)（σ=0）的聲速;

Cσ——超聲波在鉚接后應(yīng)力為σ時(shí)（σ>0）的聲速;

k——與材料有關(guān)的聲彈性系數(shù);

σ——鉚釘鉚接后的應(yīng)力。

鉚接后，由于應(yīng)力的作用反射體將被拉長(zhǎng)，其中鉚釘冒頭到反射孔的長(zhǎng)度變化：

式（2）中：L——鉚釘冒頭到反射孔之間的距離;

H——鉚釘冒頭厚度;

E——鉚釘材料的彈性模量。

其中是與環(huán)槽鉚釘單位夾緊力引起的超聲波相對(duì)變化量，由標(biāo)定可得到，通過(guò)測(cè)量環(huán)槽鉚釘鉚接前后的超聲縱波傳播時(shí)間s0和sσ，由式（8）即可求得環(huán)槽鉚釘?shù)膴A緊力。

另外，針對(duì)同一直徑和長(zhǎng)度規(guī)格的環(huán)槽鉚釘，超聲波反射體相同，排除了標(biāo)定和檢測(cè)時(shí)連接厚度差異帶來(lái)的測(cè)量誤差，進(jìn)一步提高了工程應(yīng)用的可操作性。

2? 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證以上測(cè)量方法的可行性，選擇公稱直徑24mm、性能等級(jí)10.9級(jí)、標(biāo)記鉚接厚度75mm的短尾環(huán)槽鉚釘進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)前在鉚釘光桿和鎖緊槽交界處預(yù)制直徑Φ1mm的圓孔作為反射孔，反射孔距離鉚釘冒頭距離為75mm，冒頭上粘貼超聲波壓電陶瓷晶片，采用TCH-800C型螺栓超聲波軸力測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定和測(cè)量，并與輪輻式壓力傳感器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其測(cè)量結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明超聲波檢測(cè)環(huán)槽鉚釘夾緊力的相對(duì)誤差在3%以內(nèi)。

3? 釘群效應(yīng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證環(huán)槽鉚釘夾緊力超聲波檢測(cè)方法在實(shí)際連接構(gòu)件中測(cè)量的準(zhǔn)確性，在眉山中車緊固件科技有限公司實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了環(huán)槽鉚釘釘群效應(yīng)試驗(yàn)。測(cè)量對(duì)象為某鋼混組合橋縱向腹板拼接節(jié)點(diǎn)的1：1實(shí)物模型，板束厚度為（18+12+12）mm，材質(zhì)為Q345E，表面采用涂層處理。實(shí)物模型上安裝公稱直徑24mm、性能等級(jí)10.9級(jí)，標(biāo)記鉚接厚度40mm的短尾環(huán)槽鉚釘108套，其中板束中部增加6套壓力環(huán)測(cè)量環(huán)槽鉚釘?shù)恼鎸?shí)夾緊力，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置及模型尺寸如圖2所示。使用超聲波方法檢測(cè)108套環(huán)槽鉚釘按一定順序鉚接時(shí)夾緊力的變化。其中將安裝壓力環(huán)的6套環(huán)槽鉚釘最終檢測(cè)結(jié)果與壓力環(huán)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2[4]，結(jié)果表明：在實(shí)際連接構(gòu)件中，環(huán)槽鉚釘夾緊力超聲波檢測(cè)方法的相對(duì)誤差不大于5%。

4? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)環(huán)槽鉚釘超聲波檢測(cè)方法及原理的分析，然后用實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和實(shí)際連接構(gòu)件的釘群效應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：環(huán)槽鉚釘夾緊力超聲波檢測(cè)方法可行，其測(cè)量相對(duì)誤差不大于5%，采用反射體作為測(cè)量段避免了環(huán)槽鉚釘安裝中尾牙變形、套環(huán)擠壓釘桿對(duì)夾緊力測(cè)量的影響，提高了測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，利于工程實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]施澤華，周海鳴.聲彈性法及其應(yīng)用[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1990，18（2）：69-75.

[2]杜剛民，李東風(fēng)，曹樹(shù)林，等.螺栓軸向應(yīng)力超聲測(cè)量技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè)，2006，28（1）：20-25.

[3]朱士明，江澤濤，盧杰，等.聲時(shí)差法測(cè)定螺栓的預(yù)緊力[J].聲學(xué)技術(shù)，1995，14（4）：181-186.

[4]西安建筑科技大學(xué).連接順序?qū)Νh(huán)槽鉚釘預(yù)緊力損失的影響試驗(yàn)研究報(bào)告[R].2019.