超声纵横波螺栓轴力原位测量仪之验证...
1、背景...
螺栓预紧力测量是工业中普遍存在又亟需解决的一个共性问题；在航空航天、风力发电、核电阀门、发电厂、化工、锅炉、水泵等工业领域的一些关键设备，都有螺栓预紧力测量的需要。近十几年，国内外都在积极探索使用超声波直接测量螺栓预紧力的方法和手段，如：美国的Microcontrol、LoadCT公司、德国的Intellifast、日本的东日公司、中国的北京艾法斯特科技有限公司都相继推出超声波测量螺栓预紧力的设备。但是，目前的超声波螺栓预紧力测量仪都要测得螺栓未受应力状态下的螺栓长度参量，这对安装过程是适用的，然而对已紧固的螺栓则是不具有操作性的。
2、设备介绍及试验目的...
由北京艾法斯特科技发展有限公司开发的iBolt dual USM-2型（下称iBolt USM-2）纵横波螺栓预紧力原位测量仪，如图2.1所示，利用在应力条件下，超声纵波、横波具有不同声弹因子的特点，规避了iBolt USM-1型纵波螺栓预紧力测量仪须对每个被测螺栓进行零应力状态下初始长度标定，对于已经安装的螺栓可以在不拆卸的情况下，直接测量螺栓预紧力。本试验于 2018 年 4 月 12 日在位于北京丰台的航天标准化研究所进行，须验证iBolt USM-2型纵横波螺栓预紧力测量仪的测量精度。
图2.1 螺栓轴力原位测量仪
3、纵横波螺栓轴力原位测量原理...
iBolt USM-2使用纵横波一体探头，在螺栓头部发射沿螺杆传播的横波、纵波，如图3.1所示。
图3.1 纵横波螺栓轴力测量原理示意图
关于其原理，有兴趣的童鞋，可以联系我们，索取论文。简言之，螺栓轴力与纵波和横波的声时差的比值成线性关系，即：通过纵波、横波在螺杆中传播时间的比值可以计算螺杆中的轴向应力。
4、试验对象、方法和设备
此试验使用某风电企业提供的10.9级M36*510mm螺栓3支，头部无须磨平，安装在螺栓拉伸机上，如图4.1所示；试验使用iBolt USM-2专用的纵横波一体探头和特殊耦合剂进行测量。
使用3根中的一根螺栓进行标定，获取和螺栓冶金参数、形状的的纵横波应力参数，通过两外两根进行验证；其中：螺栓拉伸机的读数和纵横波螺栓轴力原位测量仪读数的差值，再除以螺栓拉伸机读数的比值为误差。
图4.1 拉力机上的纵横波验证试验：待测试M36*510mm螺栓
5、试验数据（以下数据为验证螺栓的数据）
表1 第二根螺栓验证数据
拉力机（kN） | 超声预紧力（kN） | 误差（%） |
0.000 | 7.408 | |
50.000 | 56.989 | 13.98 |
100.000 | 105.933 | 5.93 |
150.000 | 155.324 | 3.55 |
200.000 | 204.239 | 2.12 |
250.000 | 253.621 | 1.45 |
300.000 | 303.969 | 1.32 |
350.000 | 353.563 | 1.02 |
400.000 | 404.685 | 1.17 |
450.000 | 455.623 | 1.25 |
表2 第三根螺栓验证数据
拉力机（kN） | 超声预紧力（kN） | 误差（%） |
0.000 | 0.264 | |
50.000 | 51.518 | 3.04 |
100.000 | 100.484 | 0.48 |
150.000 | 149.152 | -0.57 |
200.000 | 198.548 | -0.73 |
250.000 | 249.176 | -0.33 |
300.000 | 300.445 | 0.15 |
350.000 | 351.089 | 0.31 |
400.000 | 402.255 | 0.56 |
450.000 | 452.623 | 0.58 |
表1 第一根螺栓重复试验的验证数据
拉力（kN） | 超声预紧力（kN） | 误差（%） |
0.000 | 6.665 | |
50.000 | 55.378 | 10.76 |
100.000 | 102.961 | 2.96 |
150.000 | 151.550 | 1.03 |
200.000 | 200.539 | 0.27 |
250.000 | 250.730 | 0.29 |
300.000 | 300.994 | 0.33 |
350.000 | 351.680 | 0.48 |
400.000 | 402.025 | 0.51 |
450.000 | 452.435 | 0.54 |
6、结论
1、在大于50%额定螺栓预紧力范围内，iBolt USM-2型纵横波螺栓预紧力测量仪具有±5%的误差；
2、由于横纵波测量螺栓预紧力的机理决定了其误差为系统误差，所以在低量程范围内其误差百分比较大。