某板簧销轴力的超声波测量技术探讨

张敬亮 黄锦文 高鹏 卜伟华

摘要：传统螺杆轴力检测方法现场检测偏差大，基于声弹性效应，介绍了依靠单一纵波进行轴力检测的超声纵波法和使用纵、横两种波形的纵横波联合法。试验结果表明，运用理论计算出的轴力结果和实际结果误差≤5%，符合生产实际要求。

关键词：声弹性效应；轴力检测；超声纵波；纵横波联合法；

1.引言

带板簧的非独立悬架广泛应用于皮卡及轻卡车型中,板簧与车架间的板簧销不仅具有连接作用,而且能够减缓由车桥传递给车架的力和振动,是非独立悬架中的重要组成部分,对车辆的操控性及舒适性有着很大的影响。[1]板簧销通常用于车架和前后板簧的紧密连接,传递各种力和力矩的同时也起到一定的缓冲和保护作用，同时也具有一定的防松性。板簧销连接失效会严重影响道路佼通安全,因此板簧销连接紧固连接非常重要。螺栓紧固连接的本质是螺栓在扭转拉伸过程中发生变形从而产生夹紧力,而车架和前后板簧的紧密连接状态将直接影响车辆装配质量与耐久可靠板簧销连接的可靠性取决于板簧销的预紧力，即板簧销的轴向应力，简称轴力[2]。在紧固连接正向设计中，预紧力是最终要的技术参数， 它可以保证工件之间稳定的连接。在拧紧时若预紧力过力大,易导致螺栓应力腐蚀裂纹的产生和疲劳破坏;若预紧力不够则会引起振动松弛、滑移,影响结构整体性或造成密封件泄漏,这两种情况都将导致设备的损坏和严重事故的发生。因此,必须采取有效的手段控制高强螺栓的预紧力并监测螺栓工作应力状态,以确保钢结构建筑的施工和使用安全[3]。

螺栓装配最终要的两个参数就是扭矩和预紧力，控制扭矩是为了实现生产装配可控，得到稳定的预紧力，螺栓的施工设计要求原本就是预拉力,而扭矩只是螺栓施工过程的一个技术指标。当螺栓施拧完成后,扭矩就已消失,而轴力则一直存在。轴力是否合格也是判断此连接是否可靠的主要判断依据，传统螺杆轴力检测多采用拔出法，将千斤顶张拉至螺杆螺母松动，此时千斤顶张拉荷载即螺杆轴力。该检测方法虽简便易行，但与传统张拉工艺相似，现场检测偏差大，最大偏差可达 20%[4]，难以满足技术指标，综合分析后发现该方案检测技术效率低，且成本支出高。随着超声无损检测技术的发展，针对传统螺栓轴力测量方法的困难和不足，近年来一些学者将超声无损检测技术应用到螺栓轴力的测量中，并取得了一些成就，而电磁超声传感器的应用克服了压电超声使用耦合剂的缺点。螺栓在紧固过程中，伸长量和受到的预紧力是一一对应的关系，新的超声波技术通过测量螺栓实际的伸长量间接得到预紧力的实际值。

超声测量法基于声弹性原理，借助螺栓轴力与超声波飞行时间的关系来测量轴力，具有检测精度高[5]、速度快、场地限制小的优点，可以大幅度提高螺栓在生产中的验收效率。

2.超声波轴力测试的原理

超声波波速随应力状态改变而变化的现象,称为声弹性现象。这种现象不论在弹性范围还是在非线性应力--应变范围均存在。实验表明,在同一温度下超声纵、横波声速的变化都与应力的大小呈良好的线性关系。另外,横波声时值大致是纵波声时值的二倍,而同一温度下的横波声时--应力关系曲线的斜率大致是纵波声时--应力关系曲线的2/3[6]。根据超声波的类型与数量将超声测量法分为两类，分别为依靠单一纵波进行轴力检测的超声纵波法和使用纵、横两种波形的纵横波联合法[7]。

超声纵波法使用单一纵波测量螺栓轴力，又被称为单波法。系统发射和接收超声波脉冲电信号、测量并计算发射和回波电信号之间时间差。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，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，得到螺栓的变形量ΔL，最终由智能螺栓系统依据ΔL系统利用计算公式可得到当前状态下的螺栓的预紧力。其公式如下[8]：

(1)

式中

v0为在螺栓无轴力状态下的波速(σ=0);vσ为在螺栓有应力状态(σ>0)下的波速;

A为比例系数。

又由于螺栓在拧紧过程中长度也会发生一定程度的变化,若设L0、,Lσ分别为有无应力时螺栓的长度,则有如式（2）的关系：

(2)

式中E为螺栓的弹性模量

定义t0、tσ分别代表σ=0、σ>0状态下超声波纵波在螺栓往返一次的飞行时间,则有:

(3)

(4)

在式（1）、式（2）、式（3）、式（4）中可以得到：

(5)

因为A·σ在数值上远小于1，所以可以令k1=（1/E+A）,得到如下关系式：

(6)

又由于需考虑螺栓形状、加工方式等因素对测量结果的影响,因此引入修正系数k2,将式(6)改写为:

(7)

由式(7)可以看出,由于k1、k2均为常量,螺栓应力与超声波纵波在螺栓被拧紧伸长前后的飞行时间有关,在试验中测出超声波纵波在螺栓自由状态与拧紧状态下超声波的飞行时间,可以找到应力的变化关系。在实际的应用中,将式(7)改写为螺栓轴力表达式:

(8)

从式(8)中可以看出,螺栓在拧紧过程中长度增加,超声波在螺栓内的飞行时间也随之增加,螺栓拧紧所产生的夹紧力与超声波飞行时间存在着一定的对应关系。超声波轴力测量技术就基于该原理,通过紧固件模拟装配系统与压力传感器联用,记录螺栓在拧紧过程中对工装产生的压力即螺栓夹紧力,通过超声波测量设备记录超声波在螺栓拧紧前的飞行时间Δt,以及拧紧后飞行时间的变化量△t,便可得到螺栓轴力-超声波飞行时间特性曲线。

超声纵横波联合法采用纵波和横波两种波形进行轴力测量，又称为双波法。该方法通过测量横、纵波在受力服役螺栓中的飞行时间之比，即声时比，来检测螺栓轴力。虽然该方法中横波对应力的敏感程度不如纵波，但是却不需要事先测量螺栓零应力状态的基准声时，在螺栓服役状态下就能进行轴力测量工作。

横波、纵波波速与应力关系为[7]：

(10)

(11)

式中：ρ为螺栓材料密度；vL为纵波波速；vS为横波波速；μ、λ为二阶弹性系数；l、m、n为三阶弹性系数；σ为螺栓轴向应力；

(12)

(13)

由式（10）、式（11）、式（12）、式（13）分别做差可以得到：

(14)

考虑到在螺栓受力范围内,横波和纵波的变化值很小,因此可作如下近似:

(15)

经过式（14）、式（15）运算可以得到：

(14)

式中:L为螺栓长度;tS为横波飞行时间;tL为纵波飞行时间;k3为标定斜率;B2为标定截距。

式(14)是应力的计算表达式，tS和tL为直接测量量,通过预先标定同一型号螺栓的k3和B2即可实现对在役螺栓的轴力测量,或者在拧紧过程中对螺栓进

行轴力测量。

由式(14)可知,相比于单波法,双波法的优势在于能够通过方程联立从轴力计算式中消除螺栓长度L,即无需已知螺栓长度,可以对在使用的螺栓上直接进行应力测量。

3.工程应用

利用天乘实业有限公司的螺栓超声波测试系统进行2根M16板簧销螺栓进行螺栓超声波拧紧测试分析研究，验证上文已紧固索夹螺杆轴力测量方法的可行性,并分析其结果可靠性。

2.1 试验试件及测试设备

2根实验板簧销螺栓型号为M16*15，其材质为40Cr GB/T3077，加工后调质,调质硬度HRC28~32，机械性能10.9级,符合GB/T3098.1标准之规定，表面镀三价铬环保锌,锌层厚度≥8um，摩擦系数:0.12-0.18，总长度为132mm，端面直径为29mm，孔径为16.2mm。

试验中所用的天乘实业有限公司的螺栓超声波测试系统，此试验机用于螺栓超声波拧紧测试分析研究，螺栓测试范围：≥M5，产品为纵波测量，换能器频率范围：1-10MHz，换能器类型：磁性/非磁性可选，测量单位：时间-ns、、载荷-KIP/KN、应力-KS/MPa、伸长量mm/mm, 应变%，长度分辨率：0.0001mm，精度： ±3%。以超声测量设备进行螺杆回波声时测量， 取螺杆不同状态下的测量值2次均值作为最终结果。

2.2 试验过程及测试结果

将待测样件部已经打磨平面用酒精清洗干净，在已经酒精清洗干净的螺栓头部平面中心位置滴入适量680螺纹紧固胶，将陶瓷晶片用镊子放于胶水上，轻轻按压，力度不宜过大过大容易使晶片碎裂，晶片粘贴完成后垂直静置螺栓 6小时~24小时使得胶水干固。粘贴样例如图：

两个试样的试验结果为：

试样一：轴力σ：220.78MPa；拉伸量为ΔL=0.062mm;纵波声时为46155.2ns；声速为vσ=5806.49m/s;夹紧距离为97mm。                     

试样二：轴力σ：199.89MPa；拉伸量为ΔL=0.056mm;纵波声时为46213.4ns；声速为vσ=5799.18m/s;夹紧距离为97mm。

带入单波公式（2）（5）可得无应力回波数据,并将计算值与实测值相比较,结果显示本文所提出的检测方法获得的无应力回波声时数据与实测值偏差约5%,其精度满足于生产制造。

4.结论

板簧销螺栓的轴力状态会影响车辆的行驶体验,并决定车辆结构安全,。板簧螺杆轴力检测是了解板簧销螺栓拧紧状况的有效手段,本文提出了超声纵波测量方案,以电动拧紧机拧紧的方式使已紧固螺杆达到设计荷载水平,获得螺杆夹持长度值,根据超声纵波法与螺杆轴力关系获取精准的螺杆轴力值。经超声测试获取无应力回波数据,并将计算值与实测值相比较,结果显示本文所提出的检测方法获得的无应力回波声时数据与计算值偏差约5%,精准度较高。

该板簧销螺栓的轴力实测结果,证实了该方法应用效果好,螺杆长度加工公差小,且需在生产过程中普及板簧销螺栓的轴力检测环节，明确板簧装配工序螺栓拧紧轴力标准，方便企业在车辆制造过程中建立正向开发拧紧工艺，以提升拧紧质量，减少螺栓松动，轴力检测能能力建设。

5.参考文献

[1]陈超,刘豪. 某钢桁梁悬索桥索夹螺杆轴力的超声波测量技术探讨 [J]. 交通世界, 2023, (30): 168-170.

[2]李展鹏,王淑娟,钱孜洋. 基于电磁超声技术的高强度螺栓轴力测量仪 [J]. 仪表技术与传感器, 2022, (01): 30-32+44.

[3]王文军,丁旭,饶刚. 基于模式转换的电磁超声螺栓轴力测量 [J]. 传感器与微系统, 2021, 40 (12): 125-128.

[4]杨光. 超声波轴力测试在整车试验中的应用[C] 2021: 4.

[5]楼云,倪迪,潘晓君. 超声法测量钢桥螺栓轴力技术研究[C] 2021: 4.

[6]陈毛权,黄昌文,朱艺. 汽车板簧橡胶复合衬套性能检测与工艺优化 [J]. 锻压装备与制造技术, 2021, 56 (03): 82-84.

[7]左世斌,贾云龙,张钦等. 基于声弹性原理环槽铆钉夹紧力超声波检测方法的研究 [J]. 内燃机与配件, 2021, (02): 129-130.