超声波螺栓预紧力测试的创新应用

超声波螺栓预紧力测试的创新应用

任成渝 1,王燕 1,赵忠 1

1.中车永济电机有限公司 ，山西 永济 044500

摘要 本文通过研究超声波螺栓的测试原理，并结合实际测试，了解了超声波螺栓的实际效果，通过试验对后续风力发电机组螺栓预紧力智能监测提供依据支撑，对其他制造工序的推广应用提供参考经验。

关键词 超声波 螺栓 预紧力 测试

0前言

随着风电行业的竞争压力不断加大，风力发电机组越来越趋向于大型化、智能化，永磁直驱风力发电机组更是如此。以某公司8MW永磁直驱发电机组为例，其发电机重量约为160吨，机舱约140吨，此两大部件全靠螺栓进行连接，因此对螺栓的预紧力要求更为严格。

众所周知，螺栓紧固的主要体现在预紧力上，在机组生产过程中及后期运行时，需要定期对螺栓的预紧力进行监测，以防止螺栓力矩值受温度、拧紧顺序、材料强度、震动、表面粗糙度等方面的影响造成衰减，但预紧力又不像力矩值那样可以直接测得，只能通过间接的方式测得，传统方式有应变片法、垫圈传感器法等，而超声波法具有无损测量、真实测量、信息快速保存、成本低廉等特点。

1超声波测试螺栓原理

超声波螺栓主要由螺栓及压电陶瓷片组成，如图1所示。其测量原理是 螺栓在自由状态下，发射和接收电信号之间的时间差为T0，螺栓在紧固状态下，由于受到预紧力的作用，螺栓将发生形变，此时螺栓发射和接收电信号之间的时间差为T1，由此依据电信号收发时间差与螺栓的变形量的关系，得到螺栓的变形量ΔL，如公式1所示。超声波预紧力测量系统依据ΔL与预紧力F之间的数学关系，计算得到预紧力F，如公式2所示。

图1 超声波螺栓组成图

图2 超声波螺栓测试原理图

（公式1）

（公式2）

 公式1中，V为机械纵波在螺栓传播的速度；公式2中，F为螺栓的预紧力；E为螺栓的弹性模量；S为螺栓横截面积；ΔL为螺栓的变形量；L为螺栓副的装夹长度。

2超声波测试螺栓原理

取2根M30×220-10.9螺栓标定试验，该螺栓做试验时，需要在螺栓头部和垫圈接触处及螺纹部分涂抹道康宁牌二硫化钼。经查得工艺要求，M30螺栓的预紧力为422KN，在0至440KN范围内以40KN为步长进行加载试验，同时使用超声波预紧力测量系统进行测量，2根螺栓测量值取平均值，并计算应力补偿系数，如表1所示。

表1 超声波预紧力测量系统标定数据

使用CMT5605电子万能试验机对4根M30螺栓在0至450KN范围内以50KN为步长进行加载试验，同时使用超声波预紧力测量系统进行测量，并带入上述应力补偿系数，得到万能试验机输出值与超声波螺栓测量系统测量值得对比，如表2所示。

表2 电子试验机和超声波测量系统测量值统计

对表2中数据进行分析，计算出4根M30螺栓预紧力绝对误差如下图3所示：

图3 4根螺栓测量值绝对误差统计

根据绝对误差及相对误差的计算公式，相对误差=（超声波测量值—试验机理论输出值）/试验机理论输出值×100%，可得到

图4 4根螺栓测量值相对误差统计

对图3、图4进行分析，在300KN继续增大时预紧力，测量误差开始增大，主要原因为螺栓开始出现屈服现象。

3风机装配

为验证机组螺栓预紧力随时间推移的衰减情况，将某公司2.0MW永磁风力机组的偏航轴承与机舱底座95颗连接螺栓M30×220-10.9焊接压电陶瓷片，并将螺栓进行编号1#～95#。安装时，靠近底座前端的偏航轴承安装孔作为第1孔，按照顺时针方向依次将1#～95#安装在相应螺纹孔内，并按照工艺要求紧固至相应力矩值。

该机组吊装完成并运行后，对运行500小时后进行预紧力测量，随机抽查8颗螺栓并将预紧力统计如表3所示；对机组运行一年后，随机抽查8颗螺栓进行预紧力测量，统计数据如表4所示。

通过对表3、表4的数据统计分析，500小时抽检时M30螺栓预紧力衰减约为3.88%，一年时抽检螺栓预紧力衰减约为8.12%。说明机组在运行一段时间后，受震动、温度等各方面影响，螺栓预紧力会有一定程度的衰减，属于正常情况。

4使用注意事项

1、使用超声波螺栓前，需对同一厂家的同一规格螺栓进行标定，以获取该种螺栓冶金参数相关的应力补偿系数，以便对超声波螺栓预紧力进行补偿。

2、超声波螺栓安装时要按照工艺要求进行紧固，以降低违规操作带来的预紧力更大程度的衰减。

3、螺栓的防松线能够很好判定螺栓在机组运行时是否出现松动，因此需定期对螺栓防松进行检查，出现异常时及时对螺栓进行检查。

4、M30的超声波螺栓在300KN至450KN之间，超声波预紧力测量系统精度可达到2%，能够满足大部分生产要求。

5、机组刚运行时，500小时会出现较大程度的预紧力衰减，因此在前期需对螺栓预紧力进行检查并进行紧固，后期运维时需定期对螺栓预紧力进行抽查，以防止螺栓出现失效情况。

5结语

超声波螺栓在其他制造行业已逐步开始应用，但在直驱风力发电机的生产制造尚未开展。通过对超声波螺栓预紧力的研究，能够清晰看到机组运行时螺栓的状况，对于判断机组运行时螺栓预紧力衰减情况具有很直观的体现，对于保障机组正常运行能够起到很大重要，具有十分广泛的应用前景。

参考文献

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[5] 王宇晴.实际工况测定螺栓扭矩系数的方法[J]

技术与市场.2019.11