工业物联网下的安全解决方案——螺栓连接状态监测技术〡原创

工业物联网(IIoT)是指在工业设备上装置传感器，连接到无线网络以收集和共享数据，工业互联网正是在工业物联网的基础上增加人与物的互联互通。微型低成本传感器和高带宽无线网络的出现，意味着当下只要有一定水平的数字智能，即使是最小的设备也可以连接起来，对它们进行监控和跟踪，共享它们的状态数据，并与其他设备进行通信。然后还可以收集和分析所有的这些数据，来实时监测传感信息，提升设备、工程安全性和可靠性。

在提高安全性的很重要的一点在于确保连接处持久稳固，当连接失效或安全性有所降低时能够及时发现问题。零件与部件之间的连接方式有许多，其中，由于螺栓连接具有可靠性高、承载能力强、拆卸方便等优点，是工程中应用最为广泛的连接方式之一。然而，螺栓连接结合部又是影响系统结构可靠性的薄弱环节。比如桥梁钢结构固定连接处的螺栓常年风水日晒，导致生锈、松动等现象，降低桥梁安全性。再如，诸多大型机械装备工作中往往存在低频往复振动，导致螺栓连接结合部出现预紧力下降，结合面松动、滑移、发出异响等现象。其最终结果就是系统的刚度降低、结构的完整性遭到破坏、振动加剧、能量耗散增加，进而影响结构的工作性能和安全可靠性。因此，科学准确地测试螺栓连接结构的连接状态，对于保证结构的安全性、避免重大安全事故具有重要意义。

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传统螺栓连接状态监测技术

在工程实践中，施工人员广泛采用扭矩扳手法控制连接结构中的螺栓预紧力。然而，由于螺纹副以及螺栓与零件接触面之间的摩擦系数存在较大的分散性，采用扭矩法测得的螺栓预紧力并不精确。相关研究表明，同一规格的螺栓在同一扭矩下的预紧力误差可以高达30%。为提高螺栓预紧力的精确性，准确判断结构的连接状态，研究人员开发出了电阻应变片电测法、压力敏感胶片法等螺栓连接状态直接测量技术。

1、电阻应变片电测法

电阻应变片电测法是通过电阻应变片测量螺栓长度方向上的应变获得螺栓预紧力的一种方法。将电阻应变片粘贴在未受力螺栓表面，通过对比螺栓拧紧前后的应变片的电阻值变化计算得出螺栓表面的轴向应变，然后根据胡克定律推导出螺栓表面的应力变化。在螺栓拧紧过程中存在剪切应力，会对测量结果的精度产生影响。该方法相对于扭矩扳手法精度较高，但是由于应变片粘贴过程较为复杂、成本较高、受测螺栓不能拆卸等缺点，仅适用于实验室环境下的测量分析。

2、压力敏感胶片法

压力敏感胶片对接触面间的压力敏感，能够通过受压染色的图像显示出界面接触区域和压力分布情况。该方法的优点是试验简单、直接、成本低；缺点是压力敏感胶片不能测量动态压力，且其存在本身就已经改变了结合面的微观特性，最终难以分析测量的结果。

综上所述，传统的螺栓连接状态测试技术虽然能够对单个螺栓预紧力进行直接检测，但同时也存在其局限性：（1）多数方法仅适用于静态连接结构或实验室环境；（2）对技术人员的专业技能要求较高；（3）基于扭矩法、转角法间接测得预紧力，结果存在较大误差；（4）螺栓需要特制，且仅能单次使用，成本较高。

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基于振动分析的连接状态监测技术

螺栓连接广泛存在于各类连接结构中，其振动特性与转子系统的刚度、阻尼、模态振型等动力学特性密切相关。而振动信号具有易于提取、可实现实时监测、在线监测等优点，特别适用于大型复杂结构。

1、基于结构动力学参数的连接状态监测技术

根据结构动力学理论，结构连接状态的变化必然会导致结构的刚度、阻尼等动力学特性发生变化。可将观测到的结构动力学参数作为特征指标与基准参数进行对比，根据敏感参数的变化情况即可判断结构的连接状态。状态信息的特征提取是机械设备故障诊断技术的关键，信号处理是信号特征提取的基础。振动分析法的关键技术在于振动信号处理技术和敏感特征提取技术。

基于振动分析的监测技术是研究机械结构动力学特性最为成熟的一种技术，但该技术应用于螺栓连接结构状态监测领域的时间较短，相关的非线性动力学特性、信号处理、特征提取等关键技术还有待进一步发展。

2、基于机电阻抗法的连接状态监测技术

压电材料（如石英晶体、锆钛酸铅压电陶瓷，简称 PZT）工作频率较高，对结构中的细微变化非常敏感，能够及时发现结构中的损伤。螺栓连接状态的变化会改变结构的机械阻抗，利用其机电耦合效应可以获得机械阻抗的变化信息。被测基体的振动又会反作用于压电陶瓷，使其产生正压电效应，引起压电陶瓷自身的电阻抗发生变化。通过采集并分析压电陶瓷的电阻抗信号，即可获得结合部机械阻抗的变化信息。压电传感器原理如下：

由于压电阻抗技术设备昂贵、压电材料难以应用于曲面结构等特点， 该方法的应用范围受到了一定的限制，主要集中在航空、航天、机床、核能等高端领域。

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基于超声导波的螺栓连接状态测试技术

超声波检测技术开始于 20 世纪30 年代，发展到今天该技术已经成为无损检测技术中研究和应用最为广泛的技术之一。超声波用于无损检测具有以下优点：

（1）全面性。检测范围广，适用于金属、非金属和复合材料。

（2）高林敏度性。穿透力强， 检测深度大，能够准确定位结构损伤。

（3）无破坏性。超声作用应力小，不损伤被测结构。

1、基于声弹性效应法的连接状态监测技术

声弹性效应是超声波波速随材料内部应力状态变化而发生变化的一种现象。而基于声弹性效应的监测技术就是利用超声波声弹性效应间接测量螺栓轴向预紧力。轴向所承受的应力和超声波的飞行时间模型如下图：

基于声弹性效应的监测技术能够快速实现无损检测，而且其测量目标是螺栓内部的轴向应力，不需要像扭矩法一样考虑摩擦系数离散性的影响，因而精度较高。但该技术需要专用的精密仪器才能识别出超声波传播过程中的飞行时间差，因此成本很高；且超声导波易受工业现场噪声的影响，存在多模态、频散等特性， 使得信号处理困难，在实际工业应用中受到一定限制。

2、基于超声波能量法的连接状态监测技术

超声波在固体、液体和气体中传播时声阻抗差异巨大，研究表明，三者之间的声特性阻抗之比约为1∶3000∶80000。当超声由固体传递到固体时，声阻抗差很小，其声强透射系数接近100%；而由固体传递到气体时，声阻抗差很大，其声强透射系数几乎为 0，全部反射。

该方法的关键技术问题是确定螺栓预紧力、实际接触面积以及透射导波能量三者之间的关系。由于该问题涉及到粗糙表面接触理论模型和超声导波理论等，要想通过理论推导研究该问题存在较大困难。但是一旦解决上述问题，加之超声波监测成本低、稳定可靠的特点，该检测方法将具有极强的商业价值。

综上，现有的测试技术很难完全解决被测对象因环境复杂、工作载荷不稳定等因素带来的干扰信号的影响，因此大多数螺栓状态监测的产品停留在实验室试验阶段，无法真正实现结构连接状态的实时监测和在线监测。螺栓连接状态测试技术未来的发展方向主要是解决以下问题：

(1) 为完善理论基础，实现连接结构参数化建模，需要进一步研究螺栓连接结构的非线性动力学特性和结合面的微观接触特性。

(2) 提高现有技术的测试精度，发展更为先进的测试技术。

(3) 为去除信号中的噪声干扰等冗杂信息，需要改进非线性激励技术和非线性信号采集处理技术。

( 4 ) 研究的最终目的是面向工程应用。为此，在试验过程中应发展多物理场耦合条件下的螺栓连接状态监测技术，更好的模拟工作环境。

来源：水木资本