辨识振动环境中两点螺栓连接状态的REE声发射指标

张健奎，王 宁，卢 萍，简克彬

(西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)

螺栓连接是一种常见的连接结构形式。由于外界环境的不确定性，螺栓接件连接部位近似配合的接触表面由于弹性变形的差异，往往会发生极小幅度的往复运动，易产生微动磨损，加速疲劳裂纹的萌生和扩展，造成螺栓连接结构产生咬合、松动、功率损失和滑移等失效形式［1-4］。而振动环境导致的连接部位应力松弛和局部变形是连接松动和滑移的主要原因。尤其在复杂武器及航空航天系统中，振动环境中螺栓的松动等连接状态改变会引起整体结构失效，引发灾难性事故。因此对振动环境中螺栓松动等失效形式的研究，长期以来都是国际上工程界研究的热点。

经过大量的室内试验和分析的基础，探索性的提出了辨识两点板条螺栓连接结构的声发射(AE)相对当量能量指标(REE)，该指标综合考虑了螺栓连接结构振动过程中的声发射参数，可以消除螺栓结构振动随时间的变化等环境因素的影响，能够有效地用于振动环境中板条螺栓连接结构连接状态的辨识。

1 声发射(AE)试验及常规指标分析

1.1 试验方法

振动环境中两点板条螺栓连接结构的 AE研究试验试件是由上、下件两部分组成。试件材料Q235A，外层镀锌钝化，由10个M8螺栓与振动台的底盘紧固连接。上件为设计的两点板条典型螺栓结构，上下件的材料及制作工艺相同，并用8.8级M6×25螺栓以一定扭矩进行连接(螺栓 GB70-85，螺母 GB6175-86)［5］，得知该螺栓的额定扭矩为10 Nm。

试件在D-300-2电动式振动台上进行振动试验，试验条件为轴向简谐波载荷。1#、2#传感器分别布置于两个螺栓的近端(见图1)。本试验采用的激励环境为振动台振动加速度为1 g、振动频率为20 Hz。分别同步施加螺栓扭矩至1 Nm、3 Nm、5 Nm、7 Nm 、9 Nm、11 Nm、13 Nm。测定参数主要有各次声发射事件能量随时间及预紧扭矩的变化，并且进行波形特征分析。

经过多次重复试验，发现各指标的变化规律基本一致，最后绘制出声发射累计能量与时间及预紧扭矩的关系曲线。

1.2 声发射指标累计能量的数据规律分析

通过空采(振动台不振动)与试件安装后的声发射波形进行对比，得出:在空采状态时，采集到的声发射信号为连续性信号，幅度也较小，而安装试件后的声发射的时域波形中出现明显的脉冲信号，并且幅度相当大，远大于试件安装前声发射信号的幅度，说明试验中获得的声发射信号主要是由螺栓连接结构连接处相互作用产生的。说明振动设备噪音及环境噪音对试验结果的影响不大［6］。

能量是信号检波包络线下的面积，反映声发射仪器一次采集到的所有声发射事件的瞬态相对能量或强度之和;累计能量是信号采集历程中对瞬态能量的累加，反映的是某时刻前采集历程中过门槛的所有声发射事件的总能量。

从图2中可以看出累计能量数值随时间的增长而增大，但任意时刻不同预紧扭矩下累计能量的相对数值关系基本保持稳定。为了寻求各预紧扭矩与累计能量的对应关系，在此取20 s时声发射累计能量数值进行分析。由于1#、2#传感器采集到的信号基本相同，为表达简洁，以下主要以螺栓近端1#传感器的声发射信号进行分析。

图2 累计能量随采集时间变化关系Fig.2 Relationship between Accumulated Energy and Time

图3给出了声发射不同扭矩下累计能量的变化关系。可以看出预紧扭矩较小时(1 Nm～7 Nm)累计能量处于相对较高水平，并且随扭矩的增大而减小，额定扭矩附近(9 Nm)累计能量的数值最小;当预紧扭矩过大(11 Nm、13 Nm)，声发射信号的能量依然很小。此试验结果与通过表面微观分析仪证明了磨损程度与螺栓连接状态间存在着的对应关系相吻合［7-8］。通过试验指出可利用声发射特征参量表征螺栓的磨损程度，因此可将磨损程度作为桥梁建立螺栓连接状态与声发射特征参量间的函数关系，以达到利用声发射技术辨识螺栓连接状态的目的。

图3 累计能量(E)(20s)随预紧扭矩(T)的变化关系Fig.3 Relationship between Accumulated Energy(20s)and Torque

2 板条螺栓连接结构状态的声发射REE指标

2.1 当量能量EE

一系列的试验结果得知，由于累计能量是一个随时间变化的参量，将其作为螺栓连接状态的特征参量不够理想，因此，本文提出一个新的声发射特征参量——当量能量。

当量能量EE(Equivalent Energy):将不同预紧扭矩下某时刻声发射信号累计能量与累计振铃计数相比得到当量能量。

由前述知累计能量反映的是某时刻前采集历程中过门槛的所有声发射事件的总能量，因此其数值随着采集时间的增大而增大，是一个依赖时间的声发射特征参量。振铃计数是指越过门槛信号的振荡次数，能粗略反映信号强度和频度。累计振铃计数是指某时刻前采集历程中过门槛的所有声发射事件的总次数。因此累计能量与累计振铃计数的比值可以理解为声发射过程中产生一个振铃事件的平均能量，故定义为当量能量。以下是扭矩试验的当量能量在整个采集过程中的数值变化。

图4 当量能量(EE)随采集时间(T)变化关系Fig.4 Relationship between Equivalent Energy(EE)and Time

由图4可以看出，当量能量数值在初始采集时出现较大波动，当采集稳定后在整个采集过程中其值基本处于稳定状态。从其物理意义上看，虽然材料的磨损释放能量是一个瞬态过程，同时每个瞬态材料磨损程度不同，释放的能量也不同，然而能量采集过程相对于释放过程，其时间跨度很大，同时，由于螺栓、法兰的材质及振动环境相对稳定，则在大尺度时间内其任意时刻磨损程度基本稳定故其释放的能量均值基本是稳定的，因此采集历程中当量能量的数值相对稳定。因此可截取稳定之后任意时刻的当量能量EE进行分析。为了寻找EE与预紧扭矩的对应关系，在此选取20 s时各种工况下当量能量EE进行分析。

从EE的变化趋势可以看出，与累计能量相比，各种工况下当量能量EE的变化趋势更为稳定，再结合物理意义可看出，当量能量是螺栓结构工作历程中的能量均值，是衡量采集历程中材料的磨损程度，对于材质及工作环境相对稳定的结构而言，虽然瞬态磨损差异很大，但在采集历程这个时间大尺度上其磨损程度相对稳定，因此，当量能量的数值基本保持稳定，因此相比于其它传统的声发射特征参量而言，采用当量能量作为辨识指标更加合理。

2.2 相对当量能量REE

从上述具体数值上观察发现，不同激励环境下的EE值变化相对较大，难以获得相对统一的辨识数值，因此，应对当量能量进行标准化处理，定义为相对当量能量REE(Relative Equivalent Energy)，定义如下:

即不同预紧扭矩时的当量能量与额定扭矩(该试验额定扭矩为9 Nm)的当量能量的比值。

经上述分析可以看出，EE与REE都是不依赖时间的稳定参量，因此可任取某时刻的REE进行分析，为了寻找REE与预紧扭矩的对应关系，选取20 s时各种工况下当量能量REE进行分析，并将1#近端传感器声发射信号的REE绘制成图5。

图5 1#近端传感器相对当量能量REEFig.5 Relative equivalent energy(REE)of 1#sensor

对螺栓近端1#传感器声发射REE参量进行分析，得出同步螺栓松动近端REE变化规律:T＞9时REE＜1;T＜9时 REE＞1。由上述可以看出，REE值是一个不依赖时间但受激励环境的影响的参量，可根据工程背景选择合理的激励环境以建立螺栓预紧扭矩与辨识参量REE的对应关系。

3 REE指标辨识螺栓连接结构的连接状态

3.1 试验工况

两点板条螺栓结构的同步松动试验表明，可建立螺栓连接状态与声发射特征参量REE间的函数关系，然而实际工程应用中，由于材料、结构及螺栓本身的制作差异等，所有螺栓的工作状态同步改变的情况较为理想，为了更加接近螺栓连接结构实际的工作状态，本节主要通过螺栓工作状态非同步(局部)改变的环境中声发射信号REE指标与连接状态的关系。

本试验采用的激励环境为振动加速度为2 g，振动频率为20 Hz。试验方法为给螺栓1分别固定1 Nm、3 Nm、5 Nm、7 Nm 、9 Nm、11 Nm、13 Nm 扭矩的同时分别放松螺栓2的扭矩至1 Nm、3 Nm、5 Nm、7 Nm 、9 Nm、11 Nm、13 Nm;并且进行重复性试验。

3.2 试验数据分析

前文已经说明，当量能量是表征螺栓工作历程中能量的特征参量，表征其磨耗程度，对材质及工作环境相对稳定的结构而言，当量能量值基本处于稳定状态，因此可任取某时刻的EE进行分析，在此为表达简洁选取20 s时各种工况下相对当量能量REE进行分析，并将声发射信号的REE绘制成图6。

通过对近端1#、2#传感器的声发射信号的相对当量能量随螺栓扭矩的变化关系可以看出:

图6 局部松动试验REE相对当量能量与预紧扭矩的变化曲线Fig.6 Relationship between REE and Torque

(1)与当量能量类似，2#传感器的相对当量能量随扭矩变化关系是较理想的试验结果，REE值随扭矩的增加而降低并渐趋稳定，同时发现只有当两个螺栓扭矩都较大(T≥5 Nm)，即整个结构处于正常的工作状态时，相对当量能量数值较小;然而只要有一个螺栓的扭矩较小(T＜5 Nm)，即整个结构处于非正常的工作状态时，相对当量能量数值较大;

(2)1#传感器的声发射信号与2#传感器变化规律基本一致;并且通过重复性试验得出试验结果一致。

(3)鉴于近端传感器的声发射信号对螺栓连接状态辨识效果较好，并通过近端传感器1#及2#的相对当量能量具体数值进行分析发现，两个螺栓都处于较紧工作状态(T≥5 Nm)时，两个近端传感器相对当量的数值基本都稳定在1.0附近。

4 结论

AE试验首先从较简单的两个螺栓同步松动预紧扭矩着手，进行声发射试验，提出REE可以作为表征螺栓连接状态的声发射特征参量，进而通过局部松动两个螺栓预紧扭矩试验进行论证，并且通过重复性试验，最终结果表明:

(1)当量能量是衡量螺栓结构工作历程中的能量均值，对于材质及工作环境相对稳定的结构而言，在大时间尺度上其磨损程度相对稳定，因此其磨损产生的当量能量相对稳定，是一个不依赖时间的参量;EE总体的变化趋势相对稳定为随扭矩T的增大而减小，因此，无论从其物理含义还是变化趋势上，当量能量是一个较理想的螺栓连接状态辨识指标;

(2)同步及局部松动试验数据表明，REE相对当量能量与螺栓的预紧扭矩存在较理想的辨识关系，可分别建立螺栓连接状态与声发射特征参量REE函数对应关系;

(3)相对当量能量REE值是一个不依赖时间但受激励环境影响的参量，况且，不同的识别扭矩范围其准确率亦不同，可根据工程背景选择合理的激励环境，对非松动预紧扭矩要求较高的工程而言，可用稍低的辨识度换取较高的松动辨识扭矩，因此，实际工程中应根据工程背景、结构特征及辨识度要求选择合理的激励环境。

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