螺栓松動(dòng)檢測(cè)的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

王慶領(lǐng)， 程慶陽(yáng), 謝雋然

(1.東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院， 南京 210096； 2.陜西中科啟航科技有限公司， 咸陽(yáng) 712000)

螺栓結(jié)構(gòu)，以其易于安裝，便于拆卸的優(yōu)點(diǎn)目前被廣泛應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域，螺栓結(jié)構(gòu)最主要的問(wèn)題是螺栓在振動(dòng)或者外力的作用下會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，造成螺栓連接結(jié)構(gòu)的軸向力下降，導(dǎo)致螺栓連接件失效，這對(duì)系統(tǒng)(如地鐵車(chē)輛的運(yùn)行系統(tǒng)[1]、輸電鐵塔的工作系統(tǒng)[2]、風(fēng)電塔筒的運(yùn)維系統(tǒng)[3]等)的可靠性和安全性都有很大的影響。因此，針對(duì)螺栓結(jié)構(gòu)及松動(dòng)檢測(cè)的研究具有重要的實(shí)際意義。

由于螺栓串?dāng)_現(xiàn)象的存在，在螺栓裝配的過(guò)程中，一個(gè)螺栓緊固件被擰緊，另一個(gè)相連的螺栓緊固件會(huì)產(chǎn)生一定的松動(dòng)，造成各個(gè)螺栓安裝初始預(yù)緊力大小不同[4]，因此需要對(duì)螺栓的連接受力情況進(jìn)行建模分析。Wang等[5]對(duì)無(wú)窮大板平面的螺栓連接剛度模型進(jìn)行了建模和實(shí)驗(yàn)分析，得到了與有限元模擬一致的模型分析結(jié)果，但是僅針對(duì)理想無(wú)窮大平面的螺栓連接情況進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，缺乏實(shí)際場(chǎng)景中螺栓連接情況的預(yù)緊力分析，無(wú)法將模型應(yīng)用到實(shí)際工程環(huán)境。近些年，針對(duì)實(shí)際場(chǎng)景的環(huán)形結(jié)構(gòu)螺栓連接剛度模型的研究也取得了一些進(jìn)展。Wegener等[6]以風(fēng)電塔筒的環(huán)形結(jié)構(gòu)螺栓為背景，研究螺栓的預(yù)緊力水平對(duì)法蘭連接結(jié)構(gòu)的螺栓疲勞性能的影響，并測(cè)試了不同載荷情況下，螺栓的預(yù)緊力損失情況; Seidel[7]對(duì)管狀塔的環(huán)形法蘭連接進(jìn)行了疲勞分析，并設(shè)計(jì)一類(lèi)可計(jì)算局部彎矩的解析模型，用于管狀塔的法蘭結(jié)構(gòu)疲勞分析。

螺栓在長(zhǎng)期使用狀態(tài)下容易發(fā)生預(yù)緊力松弛甚至螺栓松脫斷裂[8-11]，這種情況會(huì)使得系統(tǒng)運(yùn)行的整體性能下降，因此為了保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定健康運(yùn)行，對(duì)于螺栓預(yù)緊力的檢測(cè)十分必要的。螺栓在實(shí)際使用中發(fā)生松動(dòng)的原因，與螺栓緊固件的材料，墊片，密封劑，涂料，使用時(shí)間，工況等都有一定的相關(guān)性[12-13]。目前的螺栓預(yù)緊力檢測(cè)方法主要有以下幾種：基于聲彈性法的螺栓預(yù)緊力檢測(cè)方法[14]，基于壓電阻抗的螺栓預(yù)緊力檢測(cè)方法[15]，基于振動(dòng)頻率法的螺栓預(yù)緊力檢測(cè)方法[16]。近年來(lái)，隨著風(fēng)電技術(shù)的大規(guī)模發(fā)展，螺栓預(yù)緊力檢測(cè)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)中，并取得了一定的研究和應(yīng)用成果[3, 17]。

基于此，現(xiàn)主要綜述螺栓預(yù)緊力測(cè)量和螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法，將螺栓預(yù)緊力測(cè)量和螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法分為在線檢測(cè)方法和離線檢測(cè)方法兩類(lèi)。離線檢測(cè)方法主要討論扭矩法和基于聲彈性法的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法，在線檢測(cè)方法主要討論了基于壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法；基于阻抗的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法；基于圖像處理的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法；基于法蘭位移的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法，并給出每種方法的基本原理和研究進(jìn)展。最后總結(jié)討論了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和其在風(fēng)力發(fā)電機(jī)螺栓連接檢測(cè)中的適用性和可行性。

1 離線檢測(cè)方法

離線檢測(cè)是指通過(guò)系統(tǒng)外的儀器儀表，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行必要的人工抽檢。本節(jié)主要綜述兩種離線檢測(cè)方法：一種是扭矩法，另一種是基于聲彈性效應(yīng)的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法。

1.1 扭矩法

扭矩扳手法是目前應(yīng)用最為廣泛的螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。董達(dá)善等[18]研究表明螺栓的預(yù)緊力和螺栓的扭矩近似于線性關(guān)系，因此可以通過(guò)測(cè)量螺栓扭矩的大小計(jì)算得到螺栓預(yù)緊力的大小，螺栓預(yù)緊力和螺栓扭矩之間的關(guān)系可以簡(jiǎn)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(shù)；FV為預(yù)緊力大小，N；d為螺栓的直徑，mm。

由于式(1)的公式簡(jiǎn)化較為粗糙，為了得到更為準(zhǔn)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(gè)不同的部分，給出計(jì)算螺栓扭矩更為精確的計(jì)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(dòng)偏斜所產(chǎn)生的扭矩，N·mm;p為螺栓的螺距，mm;Tt為螺桿摩擦所產(chǎn)生的扭矩，N·mm;μt為螺桿摩擦系數(shù)；d2為螺紋的節(jié)距直徑(d2=d-0.649 5p)，mm;Tu為螺母摩擦所產(chǎn)生的扭矩，N·mm;μu為螺母摩擦系數(shù)；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(fèi)在了抵抗現(xiàn)有的摩擦上，只有10%～15%的扭矩用于旋轉(zhuǎn)螺栓[20]。因此，使用扭矩法測(cè)量扭矩誤差較大，精度較低，雖然通過(guò)潤(rùn)滑劑等可以減少摩擦力，但是這種方法會(huì)使螺栓產(chǎn)生過(guò)多的軸向力，影響扭矩法測(cè)量的準(zhǔn)確度[21]。

扭矩扳手法測(cè)量螺栓松動(dòng)以其理論簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，成本較低的優(yōu)勢(shì)在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用，目前扭矩的測(cè)量設(shè)備也達(dá)到了一定的精度和測(cè)量范圍：侯向盼[22]設(shè)計(jì)的電動(dòng)扭矩扳手檢定儀的校準(zhǔn)的不確定度達(dá)到了三級(jí)校準(zhǔn)要求，夏政誠(chéng)等[23]設(shè)計(jì)了一種基于轉(zhuǎn)速差法的數(shù)顯扭矩扳手，扭矩輸出范圍為1 200～1 400 N·m，精度達(dá)到3%左右，能夠?qū)崿F(xiàn)螺栓扭矩較為精確的測(cè)量。不過(guò)由于扭矩扳手法需要人工對(duì)每一個(gè)螺栓進(jìn)行扭矩測(cè)量和扭矩分析，所以扭矩法常用于對(duì)螺栓松動(dòng)情況的抽查測(cè)試，難以實(shí)現(xiàn)螺栓松動(dòng)情況的實(shí)時(shí)檢測(cè)。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的螺栓松動(dòng)檢測(cè)來(lái)說(shuō)，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒高度高，螺栓多，通過(guò)扭矩法測(cè)量每一個(gè)螺栓的扭矩比較困難，只能采取抽測(cè)的方式進(jìn)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(dòng)檢測(cè)方法

聲彈性法是利用固體中聲速隨應(yīng)力變化而變化的原理來(lái)檢測(cè)螺栓中應(yīng)力的變化，通過(guò)檢測(cè)固體中聲波傳遞速度或者材料共振頻率的變化，檢測(cè)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力變化。目前基于聲彈性法的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法主要使用超聲波作為檢測(cè)波，在螺栓一端安裝超聲波探頭，通過(guò)超聲波探頭向螺栓另一端發(fā)送超聲波信號(hào)，在探頭端可以檢測(cè)到從另一端反射回來(lái)的回波信號(hào)，根據(jù)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的時(shí)間差(飛行時(shí)間)和超聲波速可以確定螺栓的超聲波長(zhǎng)度。在均勻的同質(zhì)材料中，沿施加應(yīng)力方向傳播的縱波和橫波速度與螺栓的聲彈性常數(shù)近似為一階線性關(guān)系[24-25]如式(3)所示：

(3)

Suda等[26]證明了系統(tǒng)的比例常數(shù)(又稱(chēng)為材料常數(shù))由聲彈性常數(shù)和楊氏模量決定，與熱處理無(wú)關(guān)，因此，式(3)中彈簧的軸向應(yīng)力大小只與超聲波速度有關(guān)，所以可以通過(guò)測(cè)量超聲波的速度改變來(lái)測(cè)量螺栓的應(yīng)力變化。

依據(jù)檢測(cè)所用超聲波數(shù)量的不同，基于聲彈性法的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法主要分為兩種：第一種是單波法，即僅使用單獨(dú)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(diào)制的方式。

1.2.1 單波法

單波法是指用單個(gè)橫波或者單個(gè)縱波來(lái)測(cè)量螺栓的軸向預(yù)緊力，依據(jù)式(3)，單波法需要測(cè)量超聲波在螺栓受預(yù)緊力和不受預(yù)緊力兩種情況下的飛行時(shí)間，就可以確定螺栓所受預(yù)緊力的大小。由于縱波對(duì)于預(yù)緊力的變化更為敏感，因此目前工業(yè)界更多地采用縱波進(jìn)行渡越時(shí)間的測(cè)量[27]。

1.2.2 多波法

多波法使用橫波和縱波相結(jié)合或多波調(diào)制的方式來(lái)檢測(cè)螺栓中的預(yù)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(shí)間不同的特點(diǎn)通過(guò)橫波和縱波的速度比值來(lái)確定螺栓的預(yù)緊力變化情況；第二種是模式轉(zhuǎn)換法，利用模式轉(zhuǎn)換的原理來(lái)進(jìn)行螺栓預(yù)緊力變化的檢測(cè)。

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

速度比率法相比于單波法最大的優(yōu)點(diǎn)是它不需要測(cè)量螺栓未受力情況下的超聲波飛行時(shí)間，只需要測(cè)量螺栓受力狀態(tài)下的超聲波飛行時(shí)間比值，在實(shí)際應(yīng)用上具有較好的實(shí)用性，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，F(xiàn)eng等[37]提出了一種新的理論分析方法，將螺栓的受力區(qū)和非受力區(qū)分開(kāi)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該方法適用于橋梁螺栓的超聲波應(yīng)力檢測(cè)，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(yù)緊力超聲波測(cè)量模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型能夠有效消除螺栓應(yīng)力分布不均勻的情況，得到的螺栓預(yù)緊力大小在5%以?xún)?nèi)，滿足工程使用的需要。但是速度比率法其沒(méi)有改變單波法測(cè)量飛行時(shí)間的方式，實(shí)際測(cè)量時(shí)候與單波法一樣同樣需要高精度的采樣和檢測(cè)設(shè)備，成本比較高，檢測(cè)也比較復(fù)雜。

(2)模態(tài)轉(zhuǎn)換法。模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象是指兩個(gè)正交極化橫波碰到固體或者液體表面時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)化成縱向極化波；或兩個(gè)正交偏振的橫波和縱波碰到液體表面，會(huì)轉(zhuǎn)化為縱波，在模態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程中固體介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)影響折射后波的極化和速度。模態(tài)轉(zhuǎn)換法的基本原理是利用模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，同時(shí)產(chǎn)生橫波和縱波，分別測(cè)量橫波和縱波的飛行時(shí)間，再計(jì)算得到螺栓預(yù)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(lái)的誤差影響。

模態(tài)轉(zhuǎn)換法目前已經(jīng)在螺栓松動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。Kim等[39]提出了一種應(yīng)用于檢測(cè)高壓螺栓軸向應(yīng)力的基于模態(tài)轉(zhuǎn)換方法的超聲技術(shù)，利用了縱波的模態(tài)變換，同時(shí)在螺栓中產(chǎn)生橫波和縱波，通過(guò)橫波和縱波兩種回波的飛行時(shí)間不同，給出了錨桿應(yīng)力的理論表達(dá)式，并且驗(yàn)證了兩種回波的飛行時(shí)間之比與理論上預(yù)期的錨桿應(yīng)力呈線性關(guān)系。Ding等[40]提出了一種使用電磁聲傳感器(EMAT)的方法，EMAT產(chǎn)生橫波，利用模態(tài)轉(zhuǎn)換得到縱波，通過(guò)分析橫波和縱波的射線路徑得到螺栓軸向應(yīng)力和飛行之間比的關(guān)系，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了橫縱波的飛行次數(shù)和螺栓軸向應(yīng)力大小為線性關(guān)系。Chen等[41]針對(duì)模態(tài)轉(zhuǎn)換波的失真和混疊問(wèn)題，提出了一種基于Gabor變換的時(shí)頻參數(shù)識(shí)別方法，用于識(shí)別轉(zhuǎn)換模態(tài)波的飛行時(shí)間，由此建立了一個(gè)螺栓軸向應(yīng)力的非線性評(píng)估模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明該模型比傳統(tǒng)的L-S方法能夠更為有效地檢測(cè)螺栓的連接狀態(tài)。

聲彈性法是一種傳統(tǒng)的測(cè)量螺栓松動(dòng)狀態(tài)方法，無(wú)論使用多波法或單波法進(jìn)行螺栓松動(dòng)檢測(cè)，都需要使用高精度的檢測(cè)設(shè)備測(cè)量微小量的變化，并且這兩種方法都無(wú)法對(duì)系統(tǒng)的螺栓連接狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)和監(jiān)控，需要人工到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，同時(shí)基于聲彈性法的螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)多是針對(duì)單一螺栓進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法同時(shí)檢測(cè)多個(gè)螺栓，在工業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)螺栓數(shù)量多，檢測(cè)人員無(wú)法對(duì)全部螺栓進(jìn)行檢測(cè)，只能對(duì)系統(tǒng)螺栓的狀態(tài)進(jìn)行抽樣測(cè)量，無(wú)法準(zhǔn)確得知系統(tǒng)中每一個(gè)螺栓的運(yùn)行狀況。

2 在線檢測(cè)方法

在線檢測(cè)是指通過(guò)裝在生產(chǎn)線上的各類(lèi)檢測(cè)設(shè)備，對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的自動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)。本節(jié)主要闡述4種螺栓松動(dòng)在線檢測(cè)方法：第一種是基于壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，第二種是基于阻抗的螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，第三種是基于圖像識(shí)別的螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，第四種是基于法蘭位移的螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。

2.1 基于壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

如圖1所示，基于壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的基本原理：兩個(gè)壓電片粘貼在兩個(gè)螺栓連接面上，一個(gè)壓電片發(fā)射超聲波信號(hào)，另一個(gè)壓電片接收超聲波信號(hào)。由于在兩個(gè)結(jié)構(gòu)中間連接面是非光滑平面，能量在兩個(gè)接觸面之間傳輸會(huì)有能量的損耗，如果螺栓連接結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，該能量的損耗是固定的，當(dāng)能量的損耗發(fā)生變化時(shí)，說(shuō)明接觸面的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，即發(fā)生了螺栓松動(dòng)。

圖1 壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測(cè)示意圖

近些年，基于壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法在理論和實(shí)際應(yīng)用上出現(xiàn)了一些新的理論和改進(jìn)應(yīng)用，Wang等[42]基于分形接觸理論對(duì)不同預(yù)緊力下的螺栓節(jié)點(diǎn)切向阻尼產(chǎn)生的能量耗散進(jìn)行了建模，建立了螺栓軸向預(yù)緊力和能耗之間的關(guān)系，為螺栓松動(dòng)檢測(cè)和計(jì)算提供和有效的方法。Yin等[43]發(fā)現(xiàn)使用壓電主動(dòng)傳感技術(shù)檢測(cè)螺栓預(yù)緊力時(shí)，傳輸能量有時(shí)在達(dá)到最大預(yù)緊力之前達(dá)到飽和，因此設(shè)計(jì)了一種由兩個(gè)接觸面分別加工成凹面和凸面的環(huán)形圓環(huán)組成的智能墊圈，將壓電片貼在每個(gè)墊圈的非接觸面上，通過(guò)這種方法來(lái)減少飽和效應(yīng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定該方法可以有效降低壓電主動(dòng)傳感技術(shù)的飽和效應(yīng)。Wang等[44]將基于壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于水下環(huán)境的螺栓健康檢測(cè)，提出了兩個(gè)新的熵指標(biāo)：多尺度范圍熵(MRangeEn)和多尺度氣泡熵(MbEn),來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)有的熵增強(qiáng)的主動(dòng)感知方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室級(jí)的實(shí)驗(yàn)證明新的熵增強(qiáng)的感知方法優(yōu)于電流熵增強(qiáng)的感知方法。Li等[45]利用分形接觸理論提出了錨桿松動(dòng)檢測(cè)的三維耦合機(jī)電有限元分析方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該分析方法的有效性，提供了螺栓連接的固有接觸機(jī)理。杜飛等[46]將激勵(lì)壓電片和接受壓電片分別安裝在法蘭螺栓的兩側(cè)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)法蘭螺栓的1～2個(gè)螺栓松動(dòng)時(shí)，距離螺栓越近的壓電片響應(yīng)信號(hào)越敏感，并且能夠通過(guò)均方根差值的大小和分布來(lái)大概判斷松動(dòng)螺栓的方位。

基于壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)是從固體固有缺陷檢測(cè)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，因具有壓電片小巧容易安裝，能夠進(jìn)行在線系統(tǒng)缺陷檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)目前在螺栓松動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與基于聲彈性法的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法相比，基于壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法使用的超聲波頻率相對(duì)更低，因此在檢驗(yàn)設(shè)備方面的花費(fèi)相對(duì)較低，與聲彈性法使用的高頻超聲波不同，使用壓電片進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送和接受具有更好的抗噪聲性能,信號(hào)分析也較為容易，因此更適用于工業(yè)界的螺栓松動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在系統(tǒng)安裝時(shí)預(yù)留壓電片安裝也可以方便日后在線檢測(cè)系統(tǒng)的建立。

2.2 基于阻抗的螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

基于阻抗的螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)利用了壓電材料的正負(fù)壓電效應(yīng)。壓電材料的正壓電效應(yīng)是指對(duì)壓電材料表面施加壓力，壓電材料兩端會(huì)產(chǎn)生電位差，反之逆壓電效應(yīng)是指對(duì)壓電材料施加電壓，壓電材料上會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。將壓電材料粘貼在被測(cè)系統(tǒng)上后，利用壓電材料的壓電效應(yīng)，輸入交流電壓掃描信號(hào)(通常為數(shù)百或數(shù)千赫茲)，記錄其電阻抗變化就可以進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化(如腐蝕、松動(dòng)、斷裂等)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)阻抗的變化，通過(guò)檢測(cè)電阻抗的變化就能檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)力的變化情況[47-48]。由于壓電陶瓷的壓電常數(shù)，機(jī)電耦合常數(shù)和介電常數(shù)較高，并且其同時(shí)可以用作傳感元件和驅(qū)動(dòng)元件，所以目前對(duì)于機(jī)械損傷的檢測(cè)更多的采用壓電陶瓷作為傳感器和驅(qū)動(dòng)器[49]。

基于阻抗的螺栓松動(dòng)檢測(cè)基礎(chǔ)已經(jīng)在實(shí)際中得到了應(yīng)用。Nguyen等[50]將基于振動(dòng)和基于阻抗的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法結(jié)合后應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)中，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了這種混合損傷檢測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和有效性。Zhang等[51]將基于阻抗的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法應(yīng)用于航天器熱防護(hù)結(jié)構(gòu)中螺栓的松動(dòng)檢測(cè)，提出了一種兩步健康檢測(cè)策略，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該檢測(cè)策略的有效性。Xu等[52]利用機(jī)電阻抗技術(shù)和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)球形連接結(jié)構(gòu)的螺栓進(jìn)行松動(dòng)檢測(cè)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠有效地檢測(cè)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中螺栓球形連接的松動(dòng)情況。

近些年，基于阻抗的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方式在檢測(cè)設(shè)備和手段上取得了一定的進(jìn)展。Wang等[53]發(fā)明了一種可穿戴技術(shù)的傳感裝置，可以無(wú)損的安裝在法蘭閥門(mén)上并進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置測(cè)量的準(zhǔn)確性。Ezzat等[54]使用統(tǒng)計(jì)校準(zhǔn)公式來(lái)代替故障診斷方式，將該公式與預(yù)篩選過(guò)程相結(jié)合，減少了定標(biāo)搜索空間和緩解參數(shù)可識(shí)別性的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該方法能夠提高檢測(cè)能力和減少計(jì)算需求。Cao等[55]將損傷識(shí)別的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，并使用多目標(biāo)直接算法來(lái)解決該目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該方法能夠獲得高質(zhì)量的小解集。

因?yàn)閴弘娞沾蓚鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)小巧安裝方便，甚至可以在系統(tǒng)安裝時(shí)候預(yù)裝入螺栓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，大大方便了日后建立螺栓松動(dòng)的在線檢測(cè)系統(tǒng)。阻抗法由于其驅(qū)動(dòng)理論的原因，比較適合應(yīng)用于局部動(dòng)態(tài)特性的檢測(cè)，目前是比較結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)一個(gè)熱門(mén)的研究領(lǐng)域。但是目前的研究主要通過(guò)對(duì)阻抗信號(hào)的分析來(lái)確定螺栓的連接情況，對(duì)于螺栓的結(jié)構(gòu)特性特別是高頻情況下的結(jié)構(gòu)特性研究比較少。

2.3 基于圖像識(shí)別的螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

基于圖像識(shí)別的螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)是一種非接觸的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法，其主要檢測(cè)方式是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)螺栓圖像進(jìn)行分析處理，在圖像中定位螺栓位置，在通過(guò)深度學(xué)習(xí)等手段來(lái)檢測(cè)螺栓在結(jié)構(gòu)或者角度上是否出現(xiàn)了變化，從而判斷螺栓是否產(chǎn)生了松動(dòng)。

目前，圖像識(shí)別的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)方法已經(jīng)應(yīng)用到了路面裂紋缺陷檢測(cè)[56]，大樓和高層橋梁的穩(wěn)定性檢測(cè)[57]等領(lǐng)域，在螺栓松動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域也已經(jīng)獲得了大量的應(yīng)用，Park等[58]提出了一種基于圖像分割的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法，主要通過(guò)霍夫變換對(duì)拼接板和螺母的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行識(shí)別，并且能在2°的誤差范圍內(nèi)檢測(cè)到螺栓系統(tǒng)的松動(dòng)。經(jīng)過(guò)誤差估計(jì)，螺栓松動(dòng)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(jù)數(shù)字圖像來(lái)測(cè)量墊圈的應(yīng)變，從而得到螺栓墊圈所受應(yīng)力的情況，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了該檢測(cè)方法的有效性，沈浩等[60]使用無(wú)人機(jī)航拍視頻圖像，利用傳統(tǒng)圖像識(shí)別技術(shù)和遷移學(xué)習(xí)方法提出了基于深度學(xué)習(xí)的螺栓病害智能識(shí)別方法，并成功應(yīng)用于工程使用中，葉宏鵬[61]設(shè)計(jì)了一套基于圖像處理技術(shù)的動(dòng)車(chē)軸端螺栓自動(dòng)檢測(cè)流程，開(kāi)發(fā)了一套螺栓自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

基于圖像識(shí)別的檢測(cè)方法具有成本低，能實(shí)現(xiàn)對(duì)于系統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)設(shè)備少等優(yōu)點(diǎn)，但是由于螺栓松動(dòng)產(chǎn)生的形變比較小，基于圖像識(shí)別的檢測(cè)方法目前多應(yīng)用于檢測(cè)螺栓缺失或螺栓已經(jīng)產(chǎn)生了肉眼可見(jiàn)的松動(dòng)的情景，對(duì)于螺栓肉眼不可見(jiàn)的松動(dòng)情況需要借助輔助手段如光柵，智能墊圈等將細(xì)小的形變進(jìn)行放大后再利用圖像進(jìn)行識(shí)別，目前對(duì)于檢測(cè)微小螺栓松動(dòng)形變的圖像識(shí)別方法還有待于進(jìn)一步發(fā)展。

2.4 基于法蘭位移的螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

基于法蘭位移的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法主要檢測(cè)法蘭連接方式的螺栓松動(dòng)情況，法蘭位移螺栓松動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的基本檢測(cè)原理如圖2所示。當(dāng)法蘭連接處的螺栓發(fā)生松動(dòng)、斷裂等異常情況時(shí)，法蘭軸向相對(duì)位移會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)高精度位移傳感器檢測(cè)法蘭軸向相對(duì)位移變化可以間接得到螺栓松動(dòng)情況。

圖2 基于法蘭位移的螺栓松動(dòng)檢測(cè)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(guò)測(cè)量法蘭軸向相對(duì)位移來(lái)判斷螺栓的松動(dòng)情況的方法。該方法只需要在一個(gè)法蘭連接面安裝少量傳感器,經(jīng)過(guò)計(jì)算螺栓連接處所受到的外部載荷，可以得到整個(gè)法蘭的工作載荷，從而實(shí)現(xiàn)多對(duì)法蘭螺栓松動(dòng)情況的實(shí)時(shí)檢測(cè)。相比于其他螺栓在線檢測(cè)技術(shù)，該方法實(shí)現(xiàn)整個(gè)法蘭面螺栓的狀態(tài)檢測(cè)所需的傳感器數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他在線檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的螺栓松動(dòng)檢測(cè)，這種檢測(cè)方式大大減少了系統(tǒng)運(yùn)行的成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和良好的應(yīng)用前景。

3 總結(jié)與展望

主要敘述了6種螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法，這6種檢測(cè)方法的對(duì)比討論如表1所示。

表1 螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法總結(jié)

螺栓松動(dòng)的離線檢測(cè)方法經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，理論比較成熟，目前在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，但是離線檢測(cè)方法有其自身的不足和局限性：

(1)離線檢測(cè)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)，需要人工對(duì)設(shè)備螺栓松動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)，容易存在漏檢，復(fù)檢的情況。目前工業(yè)設(shè)備使用螺栓數(shù)量多，難以實(shí)現(xiàn)全面覆蓋檢測(cè)，多使用人工抽檢的形式進(jìn)行測(cè)試。

(2)多是針對(duì)單一螺栓進(jìn)行松動(dòng)檢測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)螺栓松動(dòng)情況的同時(shí)檢測(cè)。

(3)聲彈性法使用的超聲波頻率高，測(cè)量設(shè)備復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)螺栓松動(dòng)的成本較高。

螺栓松動(dòng)的在線檢測(cè)方法由于其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的智能檢測(cè)，近些年得到了快速的發(fā)展，在理論和實(shí)際應(yīng)用上都取得了可觀的成果，但是在線檢測(cè)方法的仍有一些不足：

(1) 對(duì)于除法蘭結(jié)構(gòu)的螺栓安裝方式，沒(méi)有很好的一對(duì)多的檢測(cè)方法，對(duì)所有螺栓實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)需要安裝大量的傳感器，檢測(cè)成本高，實(shí)現(xiàn)難度大。

(2)壓電傳感法和阻抗法對(duì)螺栓松動(dòng)的靈敏度較高，若要實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的螺栓松動(dòng)檢測(cè)需要對(duì)實(shí)際螺栓的分布進(jìn)行建模設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)標(biāo)定測(cè)試，魯棒性較差。

(3) 基于圖像處理的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法目前大多只能實(shí)現(xiàn)對(duì)于肉眼可辨的螺栓松動(dòng)或螺栓缺失進(jìn)行識(shí)別，并且對(duì)圖片或視頻的質(zhì)量要求較高，目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)螺栓松動(dòng)的預(yù)警。

綜上所述，針對(duì)螺栓松動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域還應(yīng)在以下方面開(kāi)展研究：

(1)優(yōu)化聲彈性法測(cè)試所用的檢測(cè)設(shè)備，降低聲彈性法的檢測(cè)難度，目前聲彈性法使用的超聲波頻率高，超聲波發(fā)射到接受所用的時(shí)間短，缺少能夠應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的精確測(cè)量設(shè)備。

(2)利用人工智能等新興技術(shù)，針對(duì)定位螺栓松動(dòng)位置，螺栓松動(dòng)發(fā)生的提前預(yù)警展開(kāi)研究。

(3)開(kāi)展一個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)多個(gè)螺栓松動(dòng)的研究，實(shí)現(xiàn)在工業(yè)上螺栓運(yùn)行狀態(tài)的全智能檢測(cè)。