王路①季献武张道钢扬启璋上海医疗器械高等专科学校（上海

200093

）华东电力试验研究院（上海

200433

）河北

电力试验研究所（石家庄

050021

）北京电力科学研究院（北京

100045

）

一些

设备

上的关键螺栓安装或紧固时，

人们希望能直接准确地控制螺栓的轴向应力，

以保证其工作的可靠性，

这点

对电力

设备

尤其具有重要的意义。用超声波技术研制成功了一种可直接测量螺栓轴向应力的螺栓轴向应力仪，该仪器

可广泛应用于关键设备的紧固测试，进而精确地控制螺栓轴向应力。对用超声波技术测量螺栓轴向应力的基本原理进

行了介绍，并给出了超声波螺栓轴向应力仪应用实例。

螺栓轴向应力直接测量超声波技术螺栓作为一种紧固件广泛应用于大型机械设备、发电机组、桥梁及航空航天器

件。

目前人们通常使用力矩板手安装螺栓，

由扭矩推算出螺栓的轴向应力，

但这种方法间接得到的轴向力并不可靠，

且

力矩板手本身需要定期由较复杂的设备检验、

校准。

即便如此，

实际工作中众多的影响因素还使得扭矩与螺栓的轴向应

力不能一一对应。许多情况下，安装者用大锤凭经验击打板手对螺栓实施紧固，很不准确。因此迫切需要发展一种无

损、快速有效的、能直接测量螺栓紧固应力的新手段。

超声波是一种有效的工业测量用物理量，

用超声波可探测构件内部的损伤及组织结构，

还能测量流量、

温度、

厚度

及应力等。

有关超声波测应力的方法早就有人提出，

这种方法的优点是以被测对象自身为敏感元件，

能够探测构件内部

的应力。超声波测螺栓轴向紧固应力是一种研究较久且有一定成效的技术，它是超声波测量应力研究领域里最有希望

得到工业性广泛应用的技术手段。

以前人们较多在理论上对声速与应力关系进行研究探索，

而对工程上的狈赋方法、

手

段、

仪器的实现及实际使用中存在的问题研究得较少，

这使得超声波测螺栓紧固应力手段没能在工程上推广。

本文作者

用超声测量螺栓轴向紧固应力的研究工作，给出了若干螺栓材料的紧固力与超声波的关系，分析了实际应用中可能出

现的误差因素，

并对电站用螺栓进行了的超声波测螺栓紧固应力

（一种拉伸应力）

工作中，

超声波传播方向与应力方向

一致（忽略螺栓扭转应力的影响）

，这时纵波声速（以下简称声速）与应力的近似关系为：①注：参加工作的还有沈金

坤。刘琦。刘镇清。梁穗。华俭南等。

其中

/

为

/

关的常数，为螺栓的轴向应力，

C0

为无应力时的声速，

C

为有应力时的声速。

，经简单的推导可得受紧固

应力前后螺栓的声时差为：通常情况下，根据声弹理论有

for 1

；且对于特定的固体材料，其弹性常数及声速等物理系

数是相同的，因此可将式（

3

）化简成这样，只要能够事先得到螺栓材料的系数

A

，就能在实际应用中根据

3

得到螺栓

的轴向紧固应力必须指出，实际工作中螺栓各部分的直径可能不同，根据应力与截面积成反比原则可分别定出受力区

不同截面积部分的应力之比，这样可通过简单的运算获得所需的应力。

2

螺栓紧固应力与超声波关系的测量从以上的分析可知，

要实现用超声波测螺栓紧固应力，

必须获得两者的关系常

数

A.

由于超声波测应力要求声时的测量精度非常高，

作者研制了一种高精度的声时

（也可测量声速）

自动测量装置，

它

的声时测量精度优于±

0.

不需要人工调节，

可进行全自动测量，

并能将数据通过接口传输给

PC

机作进一步分析、

处理。

实验时螺栓两端的螺母通过特制的夹具，由

30t

材料实验机进行拉伸，这样便模拟了螺栓在紧固时的轴向拉伸力。

在螺杆中央贴上一片

电阻

应变片，并由电阻应变仪实时监测螺栓所受的应力，得到的应力值经

12

位

A/D

转换后送

PC

机，电阻应变片应力仪测量精度为±

0.1MPa.

超声波传感器是一种窄脉冲的磁性探头，它能牢牢地吸在铁磁性材料螺栓

的一端，

探头与螺栓间用甘油作耦合剂，

探头同时作为发射与接收超声波的换能器。

声时测量装置不断精密地测量螺栓

的声时及其变化，并将结果通过串行口送

PC

机。

是对材质为

20

号

碳钢

的螺栓进行声时一应力关系的测定结果，由图可见声时差

3

与应力之间存在良好的线性关

系。

被测螺栓的直径为

30mm

，

总长度为

220mm

，

两

螺母

之间的夹紧距为

130mm.

取螺栓的有效夹紧长度为两螺母之间

的夹紧距与螺栓的直径之和，即：

/= 160mm.

根据式（

5

）

，得到该

材质

的声时一应力关系常数

A

为

4.582X109.

对材质为

NiCu28

―

2.5

―

1.5

的镍铜合金螺栓的声速一应力关系测量结果见，

被测螺栓的直径为

12mm

，

总长度为

110mm

，

两螺母

之间的夹紧距为

65mm.

同理，取螺栓的有效夹紧长度为

77mm

，得该材料的声时一应力关系常数

A= 5.885X1i.

作者在求

上述系数

A0

寸，将声时差与应力关系看作为严格线性关系，据此构成的线性拟合曲线与实测关系曲线的最大偏差小于

9.8MPa.

这种线性拟合虽有一定的偏差，但对形成简便的工业性测试仪器来看确是有利的。在智能化超声波螺栓轴向紧

固应力仪中只要存有常数

A

，仪器便可自动推算出应力。