螺栓松動檢測的若干關鍵技術問題

王慶領， 程慶陽, 謝雋然

(1.東南大學自動化學院， 南京 210096； 2.陜西中科啟航科技有限公司， 咸陽 712000)

螺栓結構，以其易于安裝，便于拆卸的優點目前被廣泛應用于工業應用的各個領域，螺栓結構最主要的問題是螺栓在振動或者外力的作用下會產生松動，造成螺栓連接結構的軸向力下降，導致螺栓連接件失效，這對系統(如地鐵車輛的運行系統[1]、輸電鐵塔的工作系統[2]、風電塔筒的運維系統[3]等)的可靠性和安全性都有很大的影響。因此，針對螺栓結構及松動檢測的研究具有重要的實際意義。

由于螺栓串擾現象的存在，在螺栓裝配的過程中，一個螺栓緊固件被擰緊，另一個相連的螺栓緊固件會產生一定的松動，造成各個螺栓安裝初始預緊力大小不同[4]，因此需要對螺栓的連接受力情況進行建模分析。Wang等[5]對無窮大板平面的螺栓連接剛度模型進行了建模和實驗分析，得到了與有限元模擬一致的模型分析結果，但是僅針對理想無窮大平面的螺栓連接情況進行仿真設計，缺乏實際場景中螺栓連接情況的預緊力分析，無法將模型應用到實際工程環境。近些年，針對實際場景的環形結構螺栓連接剛度模型的研究也取得了一些進展。Wegener等[6]以風電塔筒的環形結構螺栓為背景，研究螺栓的預緊力水平對法蘭連接結構的螺栓疲勞性能的影響，并測試了不同載荷情況下，螺栓的預緊力損失情況; Seidel[7]對管狀塔的環形法蘭連接進行了疲勞分析，并設計一類可計算局部彎矩的解析模型，用于管狀塔的法蘭結構疲勞分析。

螺栓在長期使用狀態下容易發生預緊力松弛甚至螺栓松脫斷裂[8-11]，這種情況會使得系統運行的整體性能下降，因此為了保證系統的長期穩定健康運行，對于螺栓預緊力的檢測十分必要的。螺栓在實際使用中發生松動的原因，與螺栓緊固件的材料，墊片，密封劑，涂料，使用時間，工況等都有一定的相關性[12-13]。目前的螺栓預緊力檢測方法主要有以下幾種：基于聲彈性法的螺栓預緊力檢測方法[14]，基于壓電阻抗的螺栓預緊力檢測方法[15]，基于振動頻率法的螺栓預緊力檢測方法[16]。近年來，隨著風電技術的大規模發展，螺栓預緊力檢測技術開始應用于風電機組的維護中，并取得了一定的研究和應用成果[3, 17]。

基于此，現主要綜述螺栓預緊力測量和螺栓松動檢測方法，將螺栓預緊力測量和螺栓松動檢測方法分為在線檢測方法和離線檢測方法兩類。離線檢測方法主要討論扭矩法和基于聲彈性法的螺栓松動檢測方法，在線檢測方法主要討論了基于壓電主動傳感的螺栓松動檢測方法；基于阻抗的螺栓松動檢測方法；基于圖像處理的螺栓松動檢測方法；基于法蘭位移的螺栓松動檢測方法，并給出每種方法的基本原理和研究進展。最后總結討論了每種方法的優缺點和其在風力發電機螺栓連接檢測中的適用性和可行性。

1 離線檢測方法

離線檢測是指通過系統外的儀器儀表，對系統的運行狀況進行必要的人工抽檢。本節主要綜述兩種離線檢測方法：一種是扭矩法，另一種是基于聲彈性效應的螺栓松動檢測方法。

1.1 扭矩法

扭矩扳手法是目前應用最為廣泛的螺栓松動檢測技術。董達善等[18]研究表明螺栓的預緊力和螺栓的扭矩近似于線性關系，因此可以通過測量螺栓扭矩的大小計算得到螺栓預緊力的大小，螺栓預緊力和螺栓扭矩之間的關系可以簡化為

T=KFVd

(1)

式(1)中：T為作用在螺栓上的扭矩，N·mm;K為力矩系數；FV為預緊力大小，N；d為螺栓的直徑，mm。

由于式(1)的公式簡化較為粗糙，為了得到更為準確的螺栓扭矩的大小，Croccolo等[19]將螺栓扭矩分成了Tp、Tt、Tu三個不同的部分，給出計算螺栓扭矩更為精確的計算公式：

T=Tp(FV,p)+Tt(FV,μt,d2)+Tu(FV,μu,du)

(2)

式(2)中：Tp為螺栓滑動偏斜所產生的扭矩，N·mm;p為螺栓的螺距，mm;Tt為螺桿摩擦所產生的扭矩，N·mm;μt為螺桿摩擦系數；d2為螺紋的節距直徑(d2=d-0.649 5p)，mm;Tu為螺母摩擦所產生的扭矩，N·mm;μu為螺母摩擦系數；du為螺母平均直徑，mm。

從目前的研究情況看，螺栓的扭矩有85%～90%浪費在了抵抗現有的摩擦上，只有10%～15%的扭矩用于旋轉螺栓[20]。因此，使用扭矩法測量扭矩誤差較大，精度較低，雖然通過潤滑劑等可以減少摩擦力，但是這種方法會使螺栓產生過多的軸向力，影響扭矩法測量的準確度[21]。

扭矩扳手法測量螺栓松動以其理論簡單，易于實現，成本較低的優勢在工業上被廣泛應用，目前扭矩的測量設備也達到了一定的精度和測量范圍：侯向盼[22]設計的電動扭矩扳手檢定儀的校準的不確定度達到了三級校準要求，夏政誠等[23]設計了一種基于轉速差法的數顯扭矩扳手，扭矩輸出范圍為1 200～1 400 N·m，精度達到3%左右，能夠實現螺栓扭矩較為精確的測量。不過由于扭矩扳手法需要人工對每一個螺栓進行扭矩測量和扭矩分析，所以扭矩法常用于對螺栓松動情況的抽查測試，難以實現螺栓松動情況的實時檢測。對于風力發電機組的螺栓松動檢測來說，由于風力發電機塔筒高度高，螺栓多，通過扭矩法測量每一個螺栓的扭矩比較困難，只能采取抽測的方式進行，因此扭矩法多用于線下人工抽檢。

1.2 基于聲彈性法的螺栓松動檢測方法

聲彈性法是利用固體中聲速隨應力變化而變化的原理來檢測螺栓中應力的變化，通過檢測固體中聲波傳遞速度或者材料共振頻率的變化，檢測結構中的應力變化。目前基于聲彈性法的螺栓松動檢測方法主要使用超聲波作為檢測波，在螺栓一端安裝超聲波探頭，通過超聲波探頭向螺栓另一端發送超聲波信號，在探頭端可以檢測到從另一端反射回來的回波信號，根據發射信號和接收信號的時間差(飛行時間)和超聲波速可以確定螺栓的超聲波長度。在均勻的同質材料中，沿施加應力方向傳播的縱波和橫波速度與螺栓的聲彈性常數近似為一階線性關系[24-25]如式(3)所示：

(3)

Suda等[26]證明了系統的比例常數(又稱為材料常數)由聲彈性常數和楊氏模量決定，與熱處理無關，因此，式(3)中彈簧的軸向應力大小只與超聲波速度有關，所以可以通過測量超聲波的速度改變來測量螺栓的應力變化。

依據檢測所用超聲波數量的不同，基于聲彈性法的螺栓松動檢測方法主要分為兩種：第一種是單波法，即僅使用單獨的橫波或者縱波；第二種是多波法，即使用橫波和縱波混合或多波調制的方式。

1.2.1 單波法

單波法是指用單個橫波或者單個縱波來測量螺栓的軸向預緊力，依據式(3)，單波法需要測量超聲波在螺栓受預緊力和不受預緊力兩種情況下的飛行時間，就可以確定螺栓所受預緊力的大小。由于縱波對于預緊力的變化更為敏感，因此目前工業界更多地采用縱波進行渡越時間的測量[27]。

1.2.2 多波法

多波法使用橫波和縱波相結合或多波調制的方式來檢測螺栓中的預緊力變化。多波法主要分為兩種：第一種是速度比率法，主要利用橫波和縱波在螺栓中飛行時間不同的特點通過橫波和縱波的速度比值來確定螺栓的預緊力變化情況；第二種是模式轉換法，利用模式轉換的原理來進行螺栓預緊力變化的檢測。

(1)速度比率法。通過測量橫波和縱波在受到預緊力時候的飛行時間，求解橫縱波方程消解螺栓長度和溫度變化等其他變量的影響可以達到比單波法更準確的測量精度，這種檢測方式稱為速度比率法。速度比率法可以消除單波法測量的變量影響因素，但是如何找到合適的方程來消解變量影響是速度比率法需要解決的主要問題，Pan等[35]提出了一個關于橫波、縱波飛越時間的螺栓軸向力的計算函數，函數中預緊力測量的系數由預緊力數據的最小二乘擬合確定，能夠提供更準確的預緊力測量數據。Carlson[36]表明橫波和縱波飛行時間的比值與螺桿的預緊力呈線性變化，并評估了兩種不同的飛行時間(TOF)比率估計方法，采用了包絡的互相關技術，提高了第一回波和第二回波之間的飛行時間測量精度。

速度比率法相比于單波法最大的優點是它不需要測量螺栓未受力情況下的超聲波飛行時間，只需要測量螺栓受力狀態下的超聲波飛行時間比值，在實際應用上具有較好的實用性，在工程中得到了廣泛的應用，Feng等[37]提出了一種新的理論分析方法，將螺栓的受力區和非受力區分開，通過實驗證明該方法適用于橋梁螺栓的超聲波應力檢測，并取得了較好的精度。Pan等[38]建立了基于橫波和縱波組合的螺栓預緊力超聲波測量模型，通過實驗驗證了該模型能夠有效消除螺栓應力分布不均勻的情況，得到的螺栓預緊力大小在5%以內，滿足工程使用的需要。但是速度比率法其沒有改變單波法測量飛行時間的方式，實際測量時候與單波法一樣同樣需要高精度的采樣和檢測設備，成本比較高，檢測也比較復雜。

(2)模態轉換法。模態轉換現象是指兩個正交極化橫波碰到固體或者液體表面時，會轉化成縱向極化波；或兩個正交偏振的橫波和縱波碰到液體表面，會轉化為縱波，在模態轉化的過程中固體介質的應力狀態會影響折射后波的極化和速度。模態轉換法的基本原理是利用模態轉換現象，同時產生橫波和縱波，分別測量橫波和縱波的飛行時間，再計算得到螺栓預緊力大小的方法，這種方法相比于速度比率法能夠解決分別輸入橫波和縱波帶來的誤差影響。

模態轉換法目前已經在螺栓松動檢測領域得到了應用。Kim等[39]提出了一種應用于檢測高壓螺栓軸向應力的基于模態轉換方法的超聲技術，利用了縱波的模態變換，同時在螺栓中產生橫波和縱波，通過橫波和縱波兩種回波的飛行時間不同，給出了錨桿應力的理論表達式，并且驗證了兩種回波的飛行時間之比與理論上預期的錨桿應力呈線性關系。Ding等[40]提出了一種使用電磁聲傳感器(EMAT)的方法，EMAT產生橫波，利用模態轉換得到縱波，通過分析橫波和縱波的射線路徑得到螺栓軸向應力和飛行之間比的關系，并通過實驗證明了橫縱波的飛行次數和螺栓軸向應力大小為線性關系。Chen等[41]針對模態轉換波的失真和混疊問題，提出了一種基于Gabor變換的時頻參數識別方法，用于識別轉換模態波的飛行時間，由此建立了一個螺栓軸向應力的非線性評估模型，通過實驗表明該模型比傳統的L-S方法能夠更為有效地檢測螺栓的連接狀態。

聲彈性法是一種傳統的測量螺栓松動狀態方法，無論使用多波法或單波法進行螺栓松動檢測，都需要使用高精度的檢測設備測量微小量的變化，并且這兩種方法都無法對系統的螺栓連接狀態進行實時的檢測和監控，需要人工到現場進行實地測量，同時基于聲彈性法的螺栓松動檢測技術多是針對單一螺栓進行檢測，無法同時檢測多個螺栓，在工業應用的現場螺栓數量多，檢測人員無法對全部螺栓進行檢測，只能對系統螺栓的狀態進行抽樣測量，無法準確得知系統中每一個螺栓的運行狀況。

2 在線檢測方法

在線檢測是指通過裝在生產線上的各類檢測設備，對設備或系統運行狀態進行連續的自動實時檢測。本節主要闡述4種螺栓松動在線檢測方法：第一種是基于壓電主動傳感的螺栓松動檢測技術，第二種是基于阻抗的螺栓松動檢測技術，第三種是基于圖像識別的螺栓松動檢測技術，第四種是基于法蘭位移的螺栓松動檢測技術。

2.1 基于壓電主動傳感的螺栓松動檢測技術

如圖1所示，基于壓電主動傳感的螺栓松動檢測技術的基本原理：兩個壓電片粘貼在兩個螺栓連接面上，一個壓電片發射超聲波信號，另一個壓電片接收超聲波信號。由于在兩個結構中間連接面是非光滑平面，能量在兩個接觸面之間傳輸會有能量的損耗，如果螺栓連接結構保持穩定，該能量的損耗是固定的，當能量的損耗發生變化時，說明接觸面的結構發生了變化，即發生了螺栓松動。

圖1 壓電主動傳感的螺栓松動檢測示意圖

近些年，基于壓電主動傳感的螺栓松動檢測方法在理論和實際應用上出現了一些新的理論和改進應用，Wang等[42]基于分形接觸理論對不同預緊力下的螺栓節點切向阻尼產生的能量耗散進行了建模，建立了螺栓軸向預緊力和能耗之間的關系，為螺栓松動檢測和計算提供和有效的方法。Yin等[43]發現使用壓電主動傳感技術檢測螺栓預緊力時，傳輸能量有時在達到最大預緊力之前達到飽和，因此設計了一種由兩個接觸面分別加工成凹面和凸面的環形圓環組成的智能墊圈，將壓電片貼在每個墊圈的非接觸面上，通過這種方法來減少飽和效應，并通過實驗確定該方法可以有效降低壓電主動傳感技術的飽和效應。Wang等[44]將基于壓電主動傳感的螺栓松動檢測技術應用于水下環境的螺栓健康檢測，提出了兩個新的熵指標：多尺度范圍熵(MRangeEn)和多尺度氣泡熵(MbEn),來增強現有的熵增強的主動感知方法，并通過實驗室級的實驗證明新的熵增強的感知方法優于電流熵增強的感知方法。Li等[45]利用分形接觸理論提出了錨桿松動檢測的三維耦合機電有限元分析方法，通過實驗驗證了該分析方法的有效性，提供了螺栓連接的固有接觸機理。杜飛等[46]將激勵壓電片和接受壓電片分別安裝在法蘭螺栓的兩側，通過實驗證明當法蘭螺栓的1～2個螺栓松動時，距離螺栓越近的壓電片響應信號越敏感，并且能夠通過均方根差值的大小和分布來大概判斷松動螺栓的方位。

基于壓電主動傳感的螺栓松動檢測技術是從固體固有缺陷檢測技術發展而來的，因具有壓電片小巧容易安裝，能夠進行在線系統缺陷檢測等優點目前在螺栓松動檢測領域得到了廣泛的應用。與基于聲彈性法的螺栓松動檢測方法相比，基于壓電主動傳感的螺栓松動檢測方法使用的超聲波頻率相對更低，因此在檢驗設備方面的花費相對較低，與聲彈性法使用的高頻超聲波不同，使用壓電片進行信號的發送和接受具有更好的抗噪聲性能,信號分析也較為容易，因此更適用于工業界的螺栓松動檢測系統，通過在系統安裝時預留壓電片安裝也可以方便日后在線檢測系統的建立。

2.2 基于阻抗的螺栓松動檢測技術

基于阻抗的螺栓松動檢測技術利用了壓電材料的正負壓電效應。壓電材料的正壓電效應是指對壓電材料表面施加壓力，壓電材料兩端會產生電位差，反之逆壓電效應是指對壓電材料施加電壓，壓電材料上會產生機械應力。將壓電材料粘貼在被測系統上后，利用壓電材料的壓電效應，輸入交流電壓掃描信號(通常為數百或數千赫茲)，記錄其電阻抗變化就可以進行系統結構分析。當系統結構發生變化(如腐蝕、松動、斷裂等)，會導致系統阻抗的變化，通過檢測電阻抗的變化就能檢測系統應力的變化情況[47-48]。由于壓電陶瓷的壓電常數，機電耦合常數和介電常數較高，并且其同時可以用作傳感元件和驅動元件，所以目前對于機械損傷的檢測更多的采用壓電陶瓷作為傳感器和驅動器[49]。

基于阻抗的螺栓松動檢測基礎已經在實際中得到了應用。Nguyen等[50]將基于振動和基于阻抗的螺栓松動檢測方法結合后應用于風力發電機塔架的結構健康檢測中，并通過實驗證明了這種混合損傷檢測方法在實際應用中的可行性和有效性。Zhang等[51]將基于阻抗的螺栓松動檢測方法應用于航天器熱防護結構中螺栓的松動檢測，提出了一種兩步健康檢測策略，并通過實驗證明了該檢測策略的有效性。Xu等[52]利用機電阻抗技術和反向傳播神經網絡對球形連接結構的螺栓進行松動檢測，通過實驗表明，該方法能夠有效地檢測空間網格結構中螺栓球形連接的松動情況。

近些年，基于阻抗的螺栓松動檢測方式在檢測設備和手段上取得了一定的進展。Wang等[53]發明了一種可穿戴技術的傳感裝置，可以無損的安裝在法蘭閥門上并進行實時測量，并且通過實驗驗證了該裝置測量的準確性。Ezzat等[54]使用統計校準公式來代替故障診斷方式，將該公式與預篩選過程相結合，減少了定標搜索空間和緩解參數可識別性的問題，通過實驗證明了該方法能夠提高檢測能力和減少計算需求。Cao等[55]將損傷識別的問題轉化為目標優化問題，并使用多目標直接算法來解決該目標優化問題，通過實驗證明了該方法能夠獲得高質量的小解集。

因為壓電陶瓷傳感器結構小巧安裝方便，甚至可以在系統安裝時候預裝入螺栓系統結構中，大大方便了日后建立螺栓松動的在線檢測系統。阻抗法由于其驅動理論的原因，比較適合應用于局部動態特性的檢測，目前是比較結構健康檢測一個熱門的研究領域。但是目前的研究主要通過對阻抗信號的分析來確定螺栓的連接情況，對于螺栓的結構特性特別是高頻情況下的結構特性研究比較少。

2.3 基于圖像識別的螺栓松動檢測技術

基于圖像識別的螺栓松動檢測技術是一種非接觸的螺栓松動檢測方法，其主要檢測方式是通過計算機對螺栓圖像進行分析處理，在圖像中定位螺栓位置，在通過深度學習等手段來檢測螺栓在結構或者角度上是否出現了變化，從而判斷螺栓是否產生了松動。

目前，圖像識別的結構健康檢測方法已經應用到了路面裂紋缺陷檢測[56]，大樓和高層橋梁的穩定性檢測[57]等領域，在螺栓松動檢測領域也已經獲得了大量的應用，Park等[58]提出了一種基于圖像分割的螺栓松動檢測方法，主要通過霍夫變換對拼接板和螺母的旋轉角度進行識別，并且能在2°的誤差范圍內檢測到螺栓系統的松動。經過誤差估計，螺栓松動的檢出率為93.3%。Huang等[59]利用表面有白光散斑圖案的墊圈作為光傳感器，根據數字圖像來測量墊圈的應變，從而得到螺栓墊圈所受應力的情況，并且通過實驗確定了該檢測方法的有效性，沈浩等[60]使用無人機航拍視頻圖像，利用傳統圖像識別技術和遷移學習方法提出了基于深度學習的螺栓病害智能識別方法，并成功應用于工程使用中，葉宏鵬[61]設計了一套基于圖像處理技術的動車軸端螺栓自動檢測流程，開發了一套螺栓自動檢測系統。

基于圖像識別的檢測方法具有成本低，能實現對于系統的無損檢測，檢測設備少等優點，但是由于螺栓松動產生的形變比較小，基于圖像識別的檢測方法目前多應用于檢測螺栓缺失或螺栓已經產生了肉眼可見的松動的情景，對于螺栓肉眼不可見的松動情況需要借助輔助手段如光柵，智能墊圈等將細小的形變進行放大后再利用圖像進行識別，目前對于檢測微小螺栓松動形變的圖像識別方法還有待于進一步發展。

2.4 基于法蘭位移的螺栓松動檢測技術

基于法蘭位移的螺栓松動檢測方法主要檢測法蘭連接方式的螺栓松動情況，法蘭位移螺栓松動檢測技術的基本檢測原理如圖2所示。當法蘭連接處的螺栓發生松動、斷裂等異常情況時，法蘭軸向相對位移會發生變化，通過高精度位移傳感器檢測法蘭軸向相對位移變化可以間接得到螺栓松動情況。

圖2 基于法蘭位移的螺栓松動檢測方法

陜西中科啟航科技有限公司等[62]提出了一種在螺栓法蘭連接處部署傳感器，通過測量法蘭軸向相對位移來判斷螺栓的松動情況的方法。該方法只需要在一個法蘭連接面安裝少量傳感器,經過計算螺栓連接處所受到的外部載荷，可以得到整個法蘭的工作載荷，從而實現多對法蘭螺栓松動情況的實時檢測。相比于其他螺栓在線檢測技術，該方法實現整個法蘭面螺栓的狀態檢測所需的傳感器數量遠遠低于其他在線檢測方法，實現一對多的螺栓松動檢測，這種檢測方式大大減少了系統運行的成本，具有良好的經濟性和良好的應用前景。

3 總結與展望

主要敘述了6種螺栓松動檢測方法，這6種檢測方法的對比討論如表1所示。

表1 螺栓松動檢測方法總結

螺栓松動的離線檢測方法經過長時間的發展，理論比較成熟，目前在工業上得到廣泛的應用，但是離線檢測方法有其自身的不足和局限性：

(1)離線檢測方法無法實現智能檢測，需要人工對設備螺栓松動情況進行檢測，容易存在漏檢，復檢的情況。目前工業設備使用螺栓數量多，難以實現全面覆蓋檢測，多使用人工抽檢的形式進行測試。

(2)多是針對單一螺栓進行松動檢測，無法實現對多個螺栓松動情況的同時檢測。

(3)聲彈性法使用的超聲波頻率高，測量設備復雜，實現螺栓松動的成本較高。

螺栓松動的在線檢測方法由于其可以實現對系統設備的智能檢測，近些年得到了快速的發展，在理論和實際應用上都取得了可觀的成果，但是在線檢測方法的仍有一些不足：

(1) 對于除法蘭結構的螺栓安裝方式，沒有很好的一對多的檢測方法，對所有螺栓實現在線檢測需要安裝大量的傳感器，檢測成本高，實現難度大。

(2)壓電傳感法和阻抗法對螺栓松動的靈敏度較高，若要實現一對多的螺栓松動檢測需要對實際螺栓的分布進行建模設計和實驗標定測試，魯棒性較差。

(3) 基于圖像處理的螺栓松動檢測方法目前大多只能實現對于肉眼可辨的螺栓松動或螺栓缺失進行識別，并且對圖片或視頻的質量要求較高，目前無法實現螺栓松動的預警。

綜上所述，針對螺栓松動檢測領域還應在以下方面開展研究：

(1)優化聲彈性法測試所用的檢測設備，降低聲彈性法的檢測難度，目前聲彈性法使用的超聲波頻率高，超聲波發射到接受所用的時間短，缺少能夠應用于工業現場的精確測量設備。

(2)利用人工智能等新興技術，針對定位螺栓松動位置，螺栓松動發生的提前預警展開研究。

(3)開展一個傳感器同時檢測多個螺栓松動的研究，實現在工業上螺栓運行狀態的全智能檢測。