浅析几种高强度螺栓安全状态检测方法

吕潇 张雷 陈卓 王印

摘要：标准节高强度连接螺栓的紧固程度参数是施工升降机、塔式起重机等机电类特种设备检验的主要内容。本文总结了目前主要的几种方法，即扭矩扳手法、敲击检测法、压电阻抗分析法、应变片电测法、超声波测量法、标记法的基本原理、适用范围和现状，并比较了各自的优缺点。然后根据高效与实时的要求，在标记法的基础上，提出并分析了基于机器视觉技术的螺栓安全状态检测方法的可行性。

关键词：高强度螺栓；安全状态；检测；机器视觉

前言

高强度螺栓联接广泛应用于机械、化工、交通、电力、航空、土木等行业的各类设备和结构中，一方面用于联接可拆卸部件，另一方面，在施工升降机、塔式起重机等机电类特种设备的标准节中，用于承担标准节之间的载荷，其安全紧固状态直接关系到整个设备工作的可靠性和安全性。有大量事故已表明，标准节连接螺栓的松动会造成整机工作状态的改变，是直接或间接导制发生倒塌事故的主要危险源。

针对高强度螺栓安全状态检测问题，本文介绍了目前主要的几种检测方法，并比较了各自的优缺点，并在高效与实时检验的原则下，提出一种新型的快速检测方法。

1.常用的检测方法

1.1 扭矩扳手法

在工程中广泛采用扭矩扳手测量和控制螺栓的紧固程度[1]，主要原理是将套筒连接在扭矩体上，当套筒连接螺栓或螺母，用手扳动扭矩扳手时，扭矩体连杆产生相反的旋转扭矩，同时带动扇形齿轮这转动，扇形齿轮带动小齿轮转动，小齿轮带动轴端上的指针，指针带动从动指针，当停止施加转动扭矩时，从动指针在字盘上指示对应的扭矩值，从而判断螺栓的松紧程度。但由于螺母和套筒之间以及螺纹间摩擦力的存在，很难精确测量、控制螺栓的轴向作用力。由于摩擦力的不确定性，即使采用精确的扭矩扳手测量紧固力，仍可能达到50%的不确定性。

1.2敲击检测法

在实际工程中，有经验的检验员常用敲击的方法，根据声音的变化来判断螺栓是否松脱。关于敲击损伤识别方法的理论分析，较早见于文献[2-4]，研究表明敲击不同区域会发出不同的声音，是因为敲击过程中，由于结构缺陷的出现使得敲击力的特性发生了变化，因此根据敲击力时域曲线的宽度或者频域曲线下的面积比就可以辨识出结构的损。而文献[5]认为如果考虑到结构原点阻抗和结构局部损伤的联系，并进一步根据原点阻抗对敲击装置加速度频谱的影响，通过施加恰当的敲击力，是可以在之前基础上进一步改进敲击法的损伤检测效果。基于受控敲击检测原理，文献[5]提出了一种改进型的敲击检测方法。它通过对螺栓施加恒定的敲击力，从敲击装置的加速度功率密度谱（PSD）中提取对螺栓拧紧力矩敏感的特征信息，并结合支持向量机方法实现了螺栓松紧程度的识别。实验数据表明，该方法不但可以很准确地识别螺栓完全松脱的情况，也可以比较可靠地对螺栓部分松脱的情况进行定量的检测。

1.3 压电阻抗分析法

文献[6] 基于压电材料的正逆压电效应，将其作为传感器和驱动器。检测原理主要是将压电材料粘贴在主体结构表面，通过给压电材料施加高频激励信号使之产生微小振动，压电材料的振动信号作用在主体结构表面使之产生相应的振动； 主体结构的振动反过来会作用在压电材料上，压电材料受力会使其表面电荷发生改变； 压电材料表面电荷的变化可以通过精密阻抗分析仪以压电阻抗的形式反映出来； 主体结构特性（如刚度和阻尼等）的变化会使其振动发生变化，进而使其作用于压电材料的振动发生改变，从而使得压电材料反馈的电信号不同，因此可以通过比较压电材料反馈的电信号来分析主体结构的变化； 而对于螺栓联接结构，主结构的变化在这里主要来自螺栓的预紧力的变化，故可以通过分析压电材料的阻抗变化情况来确定螺栓的松紧状况。

1.4 应变片电测法

应变片电测法采用标准电阻应变片，将其安装在螺栓螺杆上，通过测量螺栓应变进而获得螺栓的轴向力，具有很高的测量精度，但受到螺栓安装形式的限制，在很多场合难以实现。

1.5 超声波测量法

1940年发现了声弹性现象，超声波的速度会因材料中的应力而产生微小的变化，国内外许多学者展开了基于声弹性效应的螺栓松动检测研究[7-8]。但螺栓中声速的改变量微小，需要专门的精密仪器进行跟踪测量，而且实际应用中螺栓构件尺寸小，而其中波速快，若要达到测量目的，其测量精度要达到纳秒的级别，难以广泛应用到工业现场大量螺栓的状态检测。针对这一问题，文献[9]利用压电材料产生超声波，通过分析超声波在螺栓联接界面处能量损耗与螺栓联接预紧力之间的关系，建立了接收信号能量与螺栓所受扭矩之间的数学模型。通过测试接受信号的能量大小，即可得出螺栓的紧固状态。

1.6 标记法

在螺栓紧固的时候，使用FIXOLID油漆标记笔沿螺栓螺母划条直线，如图1所示，在可见部位标定记号。这样既可对在装配过程中画好的标记起到检查作用，避免在装配过程中遗漏或忘记紧固，还能直观地反映螺栓由于各种原因造成的松动现象。该方法使用简单，成本低廉，唯一不足就是需要人眼进行主观判断。

2.基于机器视觉技术的标记法

基于以上几种目前常用方法的阐述与浅析，可以发现这些方法，都能够较为准确的测量出螺栓的紧固程度，但是均或多或少存在成本高、使用繁琐、人为因素强等问题，尤其是在施工现场这种复杂环境下，这些方法的普适性、可行性普遍都比较低。本文基于标记法的高效便捷的特点，提出一种基于机器视觉技术的螺栓安全状态检测方法，该方法通过高速CCD 相机拍摄到的视频图像作为输入对象，经过系统的处理将视频分解为帧图像，经过DSP处理器分析，自动判定是否存在松动的情况，克服了传统方法由人眼直接观察带来的效率低下的问题。该方法包括ROI提取定位、图像预处理、图像特征提取、分类等模块组成，技术框图如图2所示。

3.结语

本文在简要分析总结常用的螺栓安全状态检测方法的基础上，着重分析了几种实时性强的检测方法，并比较了各自的优缺点。在标记法的基础上，提出基于机器视觉技术的检测方法，阐述了检测原理并论证了其技术框图，该方法简单可靠，通过DSP装置可以实现无人工参与并且在线实时检测，因此在后续的工作中将直接展开标记法的图像目标识别技术的研究，并进一步深入研究和构建高强度螺栓安全状态在线监测系统。

参考文献：

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