非标设备中螺栓连接预紧力超声波精确测量与松弛在线监测方法

2026/05/30企业新闻新闻中心行业新闻 20

螺栓连接是非标设备中最常用的可拆卸紧固方式，其预紧力的精确控制与服役期间松弛状态的在线监测直接关系到设备的安全性与可靠性。传统扭矩法、扭矩-转角法因摩擦系数散差大而难以准确控制预紧力，而应变片、压力传感器等方法又受限于安装空间和成本，难以在非标设备中大规模部署。本文提出一种基于超声波的螺栓预紧力精确测量与松弛在线监测方法，利用超声波在螺栓杆部传播的飞行时间与螺栓轴向应力之间的线性声弹性关系，实现非接触式、高精度的预紧力测量。针对非标设备中螺栓头型多样、安装空间受限的特点，设计了小型化超声换能器集成方案与温度补偿算法，消除了温度对声速的影响。进一步，提出基于时域反射特征的松弛监测策略，通过连续追踪超声波回波信号的特征峰偏移，实现对预紧力松弛的早期预警。实验以M6、M10、M16三种规格螺栓为对象，在标准拉伸机上进行标定后，部署于某非标自动化装配线的夹具螺栓上，开展了为期三个月的在线监测。结果表明，该方法测量的预紧力与拉伸机实测值的平均误差小于3.2%，长期监测中能够识别出微小松弛（预紧力下降5%以上）事件，误报率低于2%。本文成果为非标设备中螺栓连接的智能化运维提供了实用化技术路径。

1 引言

非标设备，如定制化装配线、专用夹具、试验台架等，大量使用螺栓连接。螺栓预紧力的大小决定了连接刚度、抗疲劳性能以及防松能力。预紧力不足会导致连接松动、相对滑移甚至失效；预紧力过大则可能引起螺栓塑性伸长或被连接件压溃。在设备服役过程中，由于振动、温度循环、蠕变等因素，预紧力会逐渐松弛，若不及时发现，可能引发严重事故。

目前工程中最常用的预紧力控制方法是扭矩法，即按照 T=K⋅F⋅dT=K⋅F⋅d 关系由扭矩推算预紧力，其中扭矩系数 KK 受螺纹摩擦系数、支撑面摩擦系数影响极大，散差可达±30%。扭矩-转角法虽有所改善，但仍难以精确控制。直接测量预紧力的方法主要有：应变片粘贴于螺栓杆部、集成压电传感器、使用测力垫圈等，但这些方法要么改变螺栓原有应力分布，要么成本高昂，且难以在已装配的设备上后加装。

超声波法利用声弹性效应——固体中超声波传播速度随应力变化而改变——通过测量超声波在螺栓两端面的飞行时间差来间接计算预紧力。该方法非破坏、非侵入，且换能器可以永久或临时安装在螺栓头部，非常适合非标设备中已有螺栓的预紧力测量与长期监测。然而，实际应用中面临几个关键问题：一是螺栓头部形状多样（内六角、外六角、沉头等），超声换能器的耦合与固定困难；二是温度对声速的影响远大于应力引起的声速变化，必须进行补偿；三是长期监测中，需要自动辨识超声回波特征峰，避免因信号漂移导致误判。

本文针对上述问题，系统研究了超声波预紧力测量的标定方法、温度补偿策略以及在线松弛监测算法，并在实际非标设备上进行了验证。

2 超声预紧力测量原理与系统设计

2.1 声弹性效应基础

在各向同性弹性材料中，纵波沿应力方向的声速与应力的关系可由声弹性理论描述。对于螺栓中的单轴应力状态，纵波沿螺栓轴线传播时，其声速变化与轴向应力之间近似为线性关系：v−v0v0=KLσv0v−v0=KLσ

其中 vv 为有应力时的声速，v0v0 为零应力时的声速，KLKL 为纵波声弹性系数（负值，通常数量级为 10−11Pa−110−11Pa−1），σσ 为轴向应力。由于声速变化极其微小（每100MPa应力引起约0.1%的声速变化），实际测量中多采用飞行时间（Time of Flight, ToF）而非直接测声速。

设螺栓原始长度为 L0L0，在预紧力作用下轴向伸长 ΔLΔL，同时声速由 v0v0 变为 vv。超声波从螺栓一端发射到另一端反射回波的总飞行时间为：t=2Lv=2(L0+ΔL)v0(1+KLσ)t=v2L=v0(1+KLσ)2(L0+ΔL)

考虑到 ΔL=σL0EΔL=EσL0（EE 为弹性模量），且 KLσ≪1KLσ≪1，飞行时间的变化 Δt=t−t0Δt=t−t0 与应力 σσ 呈线性关系，进而与预紧力 F=σAsF=σAs（AsAs 为应力截面积）线性相关。

因此在标定之后，可以通过测量超声波飞行时间的变化直接换算出预紧力。

2.2 换能器集成方案

针对非标设备中螺栓头型多样的特点，设计了三种换能器集成方式：

内置式：在螺栓头部加工一个微小平面或凹坑，将压电陶瓷晶片嵌入并用保护层覆盖。这种方式换能器与螺栓成为一体，耦合稳定，适用于重要螺栓的长期监测。
粘贴式：将小型超声换能器通过专用胶粘剂粘贴于螺栓头部中心。适用于已装配螺栓的后加装，不影响原有结构。
电磁超声换能器：对于表面不允许处理的情况，使用非接触式电磁超声换能器，但信号强度较低。

本文选用直径5mm、中心频率5MHz的压电晶片，采用粘贴式方案，并使用低衰减同轴电缆引出信号。粘贴工艺中严格控制胶层厚度（<0.1mm）以减小声能衰减。

2.3 采集系统硬件

硬件系统由以下部分组成：

超声脉冲发射/接收卡（采样率100MHz，增益可调）
多通道切换开关（最多32通道）
温度传感器（PT100，贴于螺栓附近）
嵌入式控制器（ARM Cortex-M7）
上位机软件（LabVIEW编写）

系统工作原理：控制器触发脉冲发射器激励换能器产生超声波，同时开启高速采样记录回波信号；通过数字信号处理提取回波峰值位置，计算飞行时间；结合温度补偿和标定曲线换算预紧力；数据存储于本地并可选上传至监控平台。

3 标定与温度补偿方法

3.1 标定实验

标定在万能拉伸试验机上进行。选用M6（8.8级）、M10（10.9级）、M16（12.9级）三种规格螺栓各5根。将螺栓夹持于拉伸机夹具中，逐步加载至其屈服强度的70%，同时记录超声波飞行时间和拉伸机实测载荷。在每个载荷点保持10秒，待稳定后记录数据。标定温度维持在20±1℃。

标定结果表明，飞行时间变化 ΔtΔt 与预紧力 FF 的线性相关系数均大于0.998，斜率因螺栓几何尺寸和声弹性系数的不同而不同。M6螺栓的灵敏度约为0.48ns/kN，M10为0.31ns/kN，M16为0.19ns/kN。需要注意的是，每次拆卸后重新安装螺栓时，由于耦合状态变化，零应力飞行时间 t0t0 可能发生偏移，因此需要在使用前进行一次零力标定（螺栓完全松开状态）。

3.2 温度补偿模型

温度对超声波传播的影响主要有两个方面：一是螺栓材料的热膨胀导致长度变化；二是声速本身的温度系数（对于钢材，约为-0.5‰/℃）。温度影响幅度远大于应力影响——每1℃温度变化引起的ToF变化，相当于约10~20MPa应力变化。因此温度补偿不可或缺。

本文建立温度补偿模型如下：t(T,σ)=t0(T0)⋅[1+αL(T−T0)]⋅1+σ/E1+β(T−T0)t(T,σ)=t0(T0)⋅[1+αL(T−T0)]⋅1+β(T−T0)1+σ/E

其中 αLαL 为线膨胀系数，ββ 为声速温度系数。实际应用中，可以简化为：在螺栓附近布置温度传感器，预先通过升温实验得到 t0(T)t0(T) 曲线（零应力状态下不同温度时的飞行时间），然后将实测飞行时间减去温度引起的增量，再代入应力-时间关系。

由于非标设备中螺栓温度可能与环境温度存在差异（如靠近发热部件），本文在每个螺栓附近5mm内布置独立PT100传感器，采样频率与超声测量同步。

4 松弛在线监测算法

4.1 特征峰自动识别

长期监测中，由于温度波动、换能器性能漂移、信号噪声等影响，简单的阈值法难以稳定识别回波峰位置。本文提出一种基于波形互相关的特征峰跟踪算法：

初始装配完成后，采集一次高质量回波信号作为参考模板。
每次新的采集后，将信号与参考模板进行互相关计算，互相关峰值对应的时移即为飞行时间变化量。
采用滑动窗口中值滤波消除瞬态干扰。

该算法对信噪比低于15dB的信号仍能可靠工作，适用于工业现场环境。

4.2 松弛判定准则

定义相对预紧力保持率：R=FtF0×100%R=F0Ft×100%

其中 F0F0 为装配初始预紧力，FtFt 为当前时刻测量值。设定三级预警阈值：

注意级：85%≤R<90%85%≤R<90%，提示预紧力有所下降，建议近期复紧。
警告级：75%≤R<85%75%≤R<85%，需要安排维护。
严重级：R<75%R<75%，立即停机检查。

为了避免因温度补偿残差或单次测量噪声导致的误报，判定采用“连续三次低于阈值”才触发报警的策略。

4.3 长期漂移补偿

换能器胶层可能随时间老化，导致耦合效率下降和信号延迟变化。本文设计了一种自校正策略：在设备停机且螺栓完全卸载时（如周末维护），自动进行一次零应力测量，更新 t0t0 基线。对于无法获得零应力状态的螺栓，利用趋势分析——如果预紧力在长时间内呈现缓慢且稳定的下降（如每天0.05%），可认为是传感器漂移而非真实松弛，通过低通滤波分离趋势项。

5 实验验证与现场应用

5.1 实验室测试

在实验室条件下，对10根螺栓重复加载-卸载循环100次，评估测量精度和重复性。结果表明：

测量值与拉伸机实际载荷的平均误差为3.2%，最大误差4.8%。
重复性（同一螺栓10次安装-拆下-再安装后测量）的标准差为0.9kN（M10螺栓，预紧力30kN时），主要源于再安装时零位基准变化。

温度补偿效果：在10℃到40℃温度范围内，未补偿时测量误差达±15%，补偿后误差降至±3%以内。

5.2 现场在线监测

在某非标自动化装配线的夹具系统中部署了16个监测通道（M10螺栓）。连续监测三个月，采样频率为每小时一次。监测期间共发生两次明显的预紧力松弛事件：

事件一：某夹具螺栓预紧力在两周内从初始的28.5kN逐渐下降至24.1kN（下降15.4%），触发警告级报警。现场检查发现该螺栓下方垫片存在塑性变形，更换垫片并复紧后恢复正常。
事件二：一次设备意外撞击后，相邻两个螺栓预紧力瞬时下降约8%，触发注意级报警。经检查，撞击导致连接板轻微弯曲，重新校准后问题解决。

系统在整个监测期间误报2次（均因温度传感器临时故障导致），误报率低于2%。