張健奎，王 寧，盧 萍，簡克彬

(西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010)

螺栓連接是一種常見的連接結(jié)構(gòu)形式。由于外界環(huán)境的不確定性，螺栓接件連接部位近似配合的接觸表面由于彈性變形的差異，往往會發(fā)生極小幅度的往復(fù)運動，易產(chǎn)生微動磨損，加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，造成螺栓連接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生咬合、松動、功率損失和滑移等失效形式［1-4］。而振動環(huán)境導(dǎo)致的連接部位應(yīng)力松弛和局部變形是連接松動和滑移的主要原因。尤其在復(fù)雜武器及航空航天系統(tǒng)中，振動環(huán)境中螺栓的松動等連接狀態(tài)改變會引起整體結(jié)構(gòu)失效，引發(fā)災(zāi)難性事故。因此對振動環(huán)境中螺栓松動等失效形式的研究，長期以來都是國際上工程界研究的熱點。

經(jīng)過大量的室內(nèi)試驗和分析的基礎(chǔ)，探索性的提出了辨識兩點板條螺栓連接結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射(AE)相對當(dāng)量能量指標(biāo)(REE)，該指標(biāo)綜合考慮了螺栓連接結(jié)構(gòu)振動過程中的聲發(fā)射參數(shù)，可以消除螺栓結(jié)構(gòu)振動隨時間的變化等環(huán)境因素的影響，能夠有效地用于振動環(huán)境中板條螺栓連接結(jié)構(gòu)連接狀態(tài)的辨識。

1 聲發(fā)射(AE)試驗及常規(guī)指標(biāo)分析

1.1 試驗方法

振動環(huán)境中兩點板條螺栓連接結(jié)構(gòu)的 AE研究試驗試件是由上、下件兩部分組成。試件材料Q235A，外層鍍鋅鈍化，由10個M8螺栓與振動臺的底盤緊固連接。上件為設(shè)計的兩點板條典型螺栓結(jié)構(gòu)，上下件的材料及制作工藝相同，并用8.8級M6×25螺栓以一定扭矩進(jìn)行連接(螺栓 GB70-85，螺母 GB6175-86)［5］，得知該螺栓的額定扭矩為10 Nm。

試件在D-300-2電動式振動臺上進(jìn)行振動試驗，試驗條件為軸向簡諧波載荷。1#、2#傳感器分別布置于兩個螺栓的近端(見圖1)。本試驗采用的激勵環(huán)境為振動臺振動加速度為1 g、振動頻率為20 Hz。分別同步施加螺栓扭矩至1 Nm、3 Nm、5 Nm、7 Nm 、9 Nm、11 Nm、13 Nm。測定參數(shù)主要有各次聲發(fā)射事件能量隨時間及預(yù)緊扭矩的變化，并且進(jìn)行波形特征分析。

經(jīng)過多次重復(fù)試驗，發(fā)現(xiàn)各指標(biāo)的變化規(guī)律基本一致，最后繪制出聲發(fā)射累計能量與時間及預(yù)緊扭矩的關(guān)系曲線。

1.2 聲發(fā)射指標(biāo)累計能量的數(shù)據(jù)規(guī)律分析

通過空采(振動臺不振動)與試件安裝后的聲發(fā)射波形進(jìn)行對比，得出:在空采狀態(tài)時，采集到的聲發(fā)射信號為連續(xù)性信號，幅度也較小，而安裝試件后的聲發(fā)射的時域波形中出現(xiàn)明顯的脈沖信號，并且幅度相當(dāng)大，遠(yuǎn)大于試件安裝前聲發(fā)射信號的幅度，說明試驗中獲得的聲發(fā)射信號主要是由螺栓連接結(jié)構(gòu)連接處相互作用產(chǎn)生的。說明振動設(shè)備噪音及環(huán)境噪音對試驗結(jié)果的影響不大［6］。

能量是信號檢波包絡(luò)線下的面積，反映聲發(fā)射儀器一次采集到的所有聲發(fā)射事件的瞬態(tài)相對能量或強(qiáng)度之和;累計能量是信號采集歷程中對瞬態(tài)能量的累加，反映的是某時刻前采集歷程中過門檻的所有聲發(fā)射事件的總能量。

從圖2中可以看出累計能量數(shù)值隨時間的增長而增大，但任意時刻不同預(yù)緊扭矩下累計能量的相對數(shù)值關(guān)系基本保持穩(wěn)定。為了尋求各預(yù)緊扭矩與累計能量的對應(yīng)關(guān)系，在此取20 s時聲發(fā)射累計能量數(shù)值進(jìn)行分析。由于1#、2#傳感器采集到的信號基本相同，為表達(dá)簡潔，以下主要以螺栓近端1#傳感器的聲發(fā)射信號進(jìn)行分析。

圖2 累計能量隨采集時間變化關(guān)系Fig.2 Relationship between Accumulated Energy and Time

圖3給出了聲發(fā)射不同扭矩下累計能量的變化關(guān)系?？梢钥闯鲱A(yù)緊扭矩較小時(1 Nm～7 Nm)累計能量處于相對較高水平，并且隨扭矩的增大而減小，額定扭矩附近(9 Nm)累計能量的數(shù)值最小;當(dāng)預(yù)緊扭矩過大(11 Nm、13 Nm)，聲發(fā)射信號的能量依然很小。此試驗結(jié)果與通過表面微觀分析儀證明了磨損程度與螺栓連接狀態(tài)間存在著的對應(yīng)關(guān)系相吻合［7-8］。通過試驗指出可利用聲發(fā)射特征參量表征螺栓的磨損程度，因此可將磨損程度作為橋梁建立螺栓連接狀態(tài)與聲發(fā)射特征參量間的函數(shù)關(guān)系，以達(dá)到利用聲發(fā)射技術(shù)辨識螺栓連接狀態(tài)的目的。

圖3 累計能量(E)(20s)隨預(yù)緊扭矩(T)的變化關(guān)系Fig.3 Relationship between Accumulated Energy(20s)and Torque

2 板條螺栓連接結(jié)構(gòu)狀態(tài)的聲發(fā)射REE指標(biāo)

2.1 當(dāng)量能量EE

一系列的試驗結(jié)果得知，由于累計能量是一個隨時間變化的參量，將其作為螺栓連接狀態(tài)的特征參量不夠理想，因此，本文提出一個新的聲發(fā)射特征參量——當(dāng)量能量。

當(dāng)量能量EE(Equivalent Energy):將不同預(yù)緊扭矩下某時刻聲發(fā)射信號累計能量與累計振鈴計數(shù)相比得到當(dāng)量能量。

由前述知累計能量反映的是某時刻前采集歷程中過門檻的所有聲發(fā)射事件的總能量，因此其數(shù)值隨著采集時間的增大而增大，是一個依賴時間的聲發(fā)射特征參量。振鈴計數(shù)是指越過門檻信號的振蕩次數(shù)，能粗略反映信號強(qiáng)度和頻度。累計振鈴計數(shù)是指某時刻前采集歷程中過門檻的所有聲發(fā)射事件的總次數(shù)。因此累計能量與累計振鈴計數(shù)的比值可以理解為聲發(fā)射過程中產(chǎn)生一個振鈴事件的平均能量，故定義為當(dāng)量能量。以下是扭矩試驗的當(dāng)量能量在整個采集過程中的數(shù)值變化。

圖4 當(dāng)量能量(EE)隨采集時間(T)變化關(guān)系Fig.4 Relationship between Equivalent Energy(EE)and Time

由圖4可以看出，當(dāng)量能量數(shù)值在初始采集時出現(xiàn)較大波動，當(dāng)采集穩(wěn)定后在整個采集過程中其值基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。從其物理意義上看，雖然材料的磨損釋放能量是一個瞬態(tài)過程，同時每個瞬態(tài)材料磨損程度不同，釋放的能量也不同，然而能量采集過程相對于釋放過程，其時間跨度很大，同時，由于螺栓、法蘭的材質(zhì)及振動環(huán)境相對穩(wěn)定，則在大尺度時間內(nèi)其任意時刻磨損程度基本穩(wěn)定故其釋放的能量均值基本是穩(wěn)定的，因此采集歷程中當(dāng)量能量的數(shù)值相對穩(wěn)定。因此可截取穩(wěn)定之后任意時刻的當(dāng)量能量EE進(jìn)行分析。為了尋找EE與預(yù)緊扭矩的對應(yīng)關(guān)系，在此選取20 s時各種工況下當(dāng)量能量EE進(jìn)行分析。

從EE的變化趨勢可以看出，與累計能量相比，各種工況下當(dāng)量能量EE的變化趨勢更為穩(wěn)定，再結(jié)合物理意義可看出，當(dāng)量能量是螺栓結(jié)構(gòu)工作歷程中的能量均值，是衡量采集歷程中材料的磨損程度，對于材質(zhì)及工作環(huán)境相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)而言，雖然瞬態(tài)磨損差異很大，但在采集歷程這個時間大尺度上其磨損程度相對穩(wěn)定，因此，當(dāng)量能量的數(shù)值基本保持穩(wěn)定，因此相比于其它傳統(tǒng)的聲發(fā)射特征參量而言，采用當(dāng)量能量作為辨識指標(biāo)更加合理。

2.2 相對當(dāng)量能量REE

從上述具體數(shù)值上觀察發(fā)現(xiàn)，不同激勵環(huán)境下的EE值變化相對較大，難以獲得相對統(tǒng)一的辨識數(shù)值，因此，應(yīng)對當(dāng)量能量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，定義為相對當(dāng)量能量REE(Relative Equivalent Energy)，定義如下:

即不同預(yù)緊扭矩時的當(dāng)量能量與額定扭矩(該試驗額定扭矩為9 Nm)的當(dāng)量能量的比值。

經(jīng)上述分析可以看出，EE與REE都是不依賴時間的穩(wěn)定參量，因此可任取某時刻的REE進(jìn)行分析，為了尋找REE與預(yù)緊扭矩的對應(yīng)關(guān)系，選取20 s時各種工況下當(dāng)量能量REE進(jìn)行分析，并將1#近端傳感器聲發(fā)射信號的REE繪制成圖5。

圖5 1#近端傳感器相對當(dāng)量能量REEFig.5 Relative equivalent energy(REE)of 1#sensor

對螺栓近端1#傳感器聲發(fā)射REE參量進(jìn)行分析，得出同步螺栓松動近端REE變化規(guī)律:T＞9時REE＜1;T＜9時 REE＞1。由上述可以看出，REE值是一個不依賴時間但受激勵環(huán)境的影響的參量，可根據(jù)工程背景選擇合理的激勵環(huán)境以建立螺栓預(yù)緊扭矩與辨識參量REE的對應(yīng)關(guān)系。

3 REE指標(biāo)辨識螺栓連接結(jié)構(gòu)的連接狀態(tài)

3.1 試驗工況

兩點板條螺栓結(jié)構(gòu)的同步松動試驗表明，可建立螺栓連接狀態(tài)與聲發(fā)射特征參量REE間的函數(shù)關(guān)系，然而實際工程應(yīng)用中，由于材料、結(jié)構(gòu)及螺栓本身的制作差異等，所有螺栓的工作狀態(tài)同步改變的情況較為理想，為了更加接近螺栓連接結(jié)構(gòu)實際的工作狀態(tài)，本節(jié)主要通過螺栓工作狀態(tài)非同步(局部)改變的環(huán)境中聲發(fā)射信號REE指標(biāo)與連接狀態(tài)的關(guān)系。

本試驗采用的激勵環(huán)境為振動加速度為2 g，振動頻率為20 Hz。試驗方法為給螺栓1分別固定1 Nm、3 Nm、5 Nm、7 Nm 、9 Nm、11 Nm、13 Nm 扭矩的同時分別放松螺栓2的扭矩至1 Nm、3 Nm、5 Nm、7 Nm 、9 Nm、11 Nm、13 Nm;并且進(jìn)行重復(fù)性試驗。

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

前文已經(jīng)說明，當(dāng)量能量是表征螺栓工作歷程中能量的特征參量，表征其磨耗程度，對材質(zhì)及工作環(huán)境相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)量能量值基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此可任取某時刻的EE進(jìn)行分析，在此為表達(dá)簡潔選取20 s時各種工況下相對當(dāng)量能量REE進(jìn)行分析，并將聲發(fā)射信號的REE繪制成圖6。

通過對近端1#、2#傳感器的聲發(fā)射信號的相對當(dāng)量能量隨螺栓扭矩的變化關(guān)系可以看出:

圖6 局部松動試驗REE相對當(dāng)量能量與預(yù)緊扭矩的變化曲線Fig.6 Relationship between REE and Torque

(1)與當(dāng)量能量類似，2#傳感器的相對當(dāng)量能量隨扭矩變化關(guān)系是較理想的試驗結(jié)果，REE值隨扭矩的增加而降低并漸趨穩(wěn)定，同時發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)兩個螺栓扭矩都較大(T≥5 Nm)，即整個結(jié)構(gòu)處于正常的工作狀態(tài)時，相對當(dāng)量能量數(shù)值較小;然而只要有一個螺栓的扭矩較小(T＜5 Nm)，即整個結(jié)構(gòu)處于非正常的工作狀態(tài)時，相對當(dāng)量能量數(shù)值較大;

(2)1#傳感器的聲發(fā)射信號與2#傳感器變化規(guī)律基本一致;并且通過重復(fù)性試驗得出試驗結(jié)果一致。

(3)鑒于近端傳感器的聲發(fā)射信號對螺栓連接狀態(tài)辨識效果較好，并通過近端傳感器1#及2#的相對當(dāng)量能量具體數(shù)值進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，兩個螺栓都處于較緊工作狀態(tài)(T≥5 Nm)時，兩個近端傳感器相對當(dāng)量的數(shù)值基本都穩(wěn)定在1.0附近。

4 結(jié)論

AE試驗首先從較簡單的兩個螺栓同步松動預(yù)緊扭矩著手，進(jìn)行聲發(fā)射試驗，提出REE可以作為表征螺栓連接狀態(tài)的聲發(fā)射特征參量，進(jìn)而通過局部松動兩個螺栓預(yù)緊扭矩試驗進(jìn)行論證，并且通過重復(fù)性試驗，最終結(jié)果表明:

(1)當(dāng)量能量是衡量螺栓結(jié)構(gòu)工作歷程中的能量均值，對于材質(zhì)及工作環(huán)境相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)而言，在大時間尺度上其磨損程度相對穩(wěn)定，因此其磨損產(chǎn)生的當(dāng)量能量相對穩(wěn)定，是一個不依賴時間的參量;EE總體的變化趨勢相對穩(wěn)定為隨扭矩T的增大而減小，因此，無論從其物理含義還是變化趨勢上，當(dāng)量能量是一個較理想的螺栓連接狀態(tài)辨識指標(biāo);

(2)同步及局部松動試驗數(shù)據(jù)表明，REE相對當(dāng)量能量與螺栓的預(yù)緊扭矩存在較理想的辨識關(guān)系，可分別建立螺栓連接狀態(tài)與聲發(fā)射特征參量REE函數(shù)對應(yīng)關(guān)系;

(3)相對當(dāng)量能量REE值是一個不依賴時間但受激勵環(huán)境影響的參量，況且，不同的識別扭矩范圍其準(zhǔn)確率亦不同，可根據(jù)工程背景選擇合理的激勵環(huán)境，對非松動預(yù)緊扭矩要求較高的工程而言，可用稍低的辨識度換取較高的松動辨識扭矩，因此，實際工程中應(yīng)根據(jù)工程背景、結(jié)構(gòu)特征及辨識度要求選擇合理的激勵環(huán)境。

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