独管塔模型与底板螺栓连接状态的声发射辨识试验方法研究

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第 28卷 第 3期2013年 09月西 南 科 技 大 学 学 报Journal of Southwest University of Science and TechnologyVol_28 No．3Sep．2013独管塔模型与底板螺栓连接状态的声发射辨识试验方法研究简克彬(1．西南科技大学土木工程与建筑学院王 宁 黎启胜 卢 萍 张健奎四川绵阳 621010；2．中国工程物理研究院总体工程研究所 四川绵阳 621900)摘要：通过对独管塔底板分别为铝板和Q235A钢的声发射缩尺模型试验研究发现：当底板为铝板时，螺栓连接部位声发射能量和振铃计数等声发射时域参数随着连接螺栓扭矩的增大其数值也增大，当达到额定扭矩(10 Nm)时达到最大，当超过额定扭矩时，其数值又逐渐减小，说明底板为铝板时声发射时域参数越大，螺栓的连接状态越好。当底板为Q235A钢时，螺栓连接部位声发射能量和振铃计数等声发射时域参数随着连接螺栓扭矩的增大其数值逐渐减小，当达到额定扭矩(10 Nm)时达到最小，当超过额定扭矩时，其数值又逐渐增大，说明底板为Q235A钢时声发射时域参数越小，螺栓的连接状态越好。

关键词：独管塔 螺栓连接 微动磨损 声发射 连接状态中图分类号：TU347；TH131 文献标志码：A 文章编号：1671—8755(2013)03—0045—05Study of Bolted Joint Condition of Single Pipe Tower Model andthe Base Plate Using Acoustic Emission Identification Experiment M ethodsJIAN Ke—bin ，WANG Ning ，LI Qi—sheng ，LU Ping ，ZHANG Jian—kui(1．School of Civil Enginering and Architecture，Southwest University of Technology and Science，Mianyang 621010，Sichuan，China；2．Institute of System Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，Sichuan，China)Abstract：Based on the single pipe tower botom plates made of aluminum and steel Q235 A respectively，an experimental research of their acoustic emission scale models f0und that：when the bottom plate is alu—minum，the bolt connections time domain parameters such as acoustic emission energy and ring count，etc．，are increasing with the enlargement of bolt torque，but when the rated torque exceeds its peak of 10Nm，these domain parameters will be decreasing，the test of which proves that the bolt connection is bet—ter while the acoustic emision values is on an increase．However，the steel Q235A botom plate comes to—tally opposite during the experiment，which proves the bolt connection is better while the acoustic emissionvalues is on a decrease． Although the experiment and research of this kind is at its initial stage，it ismuch of a guiding signifcance to the realistic engineering.

Key words：Single pipe tower；Bolt connection；Fretting wear；Acoustic emission；Identifcation；Con—nection state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 卜 。在螺栓连接结构中，收稿日期：2013—02—10基金项 目：国家 自然科学联合基金资助项目(NSAF一10876034)；绵阳市自然科学基金资助项目(08Y001—6)。

作者简介：简克彬(1987一)，男 ，硕士研究生 ，研究方向：螺栓连接状态的辨识。E—mail：jiankebin520###126．corn。

西 南 科 技 大 学 学 报 第28卷运用声发射技术对螺栓连接状态的辨识已有一定的研究。如2010年卢萍、王宁等 运用声发射技术对螺栓连接状态进行了声发射辨识方法研究，研究表明，振铃计数率和能量这两个特征参数可以用于辨识加速度和频率改变时的螺栓连接状态。电视塔、输电线塔等高耸塔架结构是一类应用广泛的结构型式，在这类结构中，节点大多也是用螺栓连接的。由于螺栓在长期的风致振动中可能会产生松动，如不及时发现，则会造成节点损伤的扩展，在强风作用下甚至会引起结构的倒塌，但由于高耸塔架结构常建在野外且太高不便于攀登，因此及时进行结构的螺栓连接状态的辨识，提出有效的连接结构状态辨识方法是十分必要的 J。2007年，徐永波 J进行了输电塔法兰连接节点螺栓松动前后的风致响应分析，为实现输电塔的损伤诊断工作做了铺垫。

2008年，梅波勇 进行了输电塔结构的实验室地震谐波响应研究，并结合虚拟仪器显示出损伤诊断的结果。

独管塔作为一种高耸结构，因其外表美观、性价比高、建筑占地面积小(9—18 m )，结构形式及施工工艺简单，常常建立在繁华的城市。正因如此，如果发生倒塌，将给人民生命财产造成损害。本文通过独管塔螺栓连接结构的声发射缩尺模型试验研究，对螺栓连接部位在动荷载作用下的声发射信号进行了分析，探索性地辨识了独管塔缩尺模型螺栓连接结构的连接状态，对实际工程具有指导意义。

1 声发射(AE)检测试验方法振动环境中独管塔螺栓连接结构的AE研究试验试件材料材质为 Q235A钢，外层镀锌钝化，试件为30 em的独管塔缩尺模型，底板分别为铝板和Q235A的钢板。将试验分为两组，一组为 30 cm的独管塔缩尺模型，底部与材质为铝板(弹性模量为71 X 10 Pa)的底板连接；另一组为 30 cm的独管塔缩尺模型，底部与材质为 Q235A钢 (弹性模量为200×10 ～210×10 Pa)的底板连接。在整个试验过程中，30 cm试件底部由4个 M6外六角螺栓(螺栓和螺母型号为 GB70—85和 GB6175—86)与振动台的底座用一定的扭矩连接，该螺栓的额定扭矩为10 Nm。

试件用螺栓竖直连接在 ES一6—200电动式振动台上进行振动试验，荷载为水平简谐波载荷。声发射信号采集设备为北京声华兴业科技有限公司生产的SDAES数字声发射系统，传感器采用SR150A，频率范围50～400 kHz，谐振频率 150 kHz。两组实验的 1#，2#，3#，4#传感器都布置于独管塔底部连接处，4个传感器分别布置在4个螺栓的中间(图 1，图2)。试验采用的激励环境分别为振动台振动加速度为 lg，1．6g，振动频率均为 4O Hz。底部连接螺栓同步施加预紧扭矩 1 Nm，3 Nm，5 Nm，7 Nm，9Nm，11 Nm和 13 Nm(其 中 13 Nm为最小破坏扭矩)，同时采集 20 S动荷载作用下各级预紧扭矩下的声发射信号，共进行3次重复性试验。

板图 1 30 cm底部(铝板)传感器布置示意图Fig．1 The layout diagram of 30 cm—thick(Muminum)botom sensor图2 30 em底部(Q235A)传感器布置示意图Fig．2 The layout dia~am of 30 am—thick(QZ35A)botom sensor2 结果及分析通过对声发射信号的分析、计算，获取了底板螺第3期 简克彬，等 ：独管塔模型与底板螺栓连接状态的声发射辨识试验方法研究 47栓连接部位在各级预紧扭矩下的声发射能量和振铃计数等参数。由于4个通道的声发射信号相似，在此只取其中1#传感器的声发射信号作为研究对象。

2．1 底板为铝板底板为铝板材质 cm底部实验数据见表l。

、 表 1 30 cm底部实验数据(铝板)Table 1 Experimental data of 30 cm—thick(aluminum)bottom图3和图4分别给出预紧扭矩为 l～13 Nm时能量和振铃计数的 3次拟合曲线图，图形呈抛物线形，相关性好，30 cm l#传感器对应的能量和振铃计数相关系数分别为0．903 3，0．946 0。

图3 30 cm底部(铝板)能量拟合曲线Fig．3 The energy fiting CUrVe of 30 cm—thick(aluminum)bottom图4 30咖 底部(铝板)振铃计数拟合曲线Fig．4 The ring count fiting curve of 30 cm—thick(aluminum)botom能量和振铃计数拟合曲线方程式及相关系数(拟合曲线 1～13 Nm)：能量：Y =一57．803x +960．46x 一2554．7x+ 1807．2R = 0．903 3振铃计数：Y =一31．913x +515．116x 一 1189．5x+764．90R = 0．946 0从表 1数据和拟合曲线可以看出，当底板为铝板时，声发射检测到的信号是先增大后减小。分析这一变化的原因是 由于上部构件的材质为 Q235A钢(弹性模量为200×10 ～210×10 Pa)，底板为铝板(弹性模量为71×10 Pa)，两者的硬度差很大，产生了很明显的“犁沟效应” “ 。

分析其产生原因须从微动磨损原理以及声发射原理的角度入手。根据微动磨损原理，任何摩擦表面都是由许多不同形状的微凸峰和凹谷组成 ¨ 。

当两个表面接触时，由于表面粗糙，实际上两个粗糙表面的接触通常是一种混合的弹塑性系统，也就是较高的凸峰点产生塑性变形，而较低的峰点处于弹性变形状态，随着载荷(预紧扭矩)增加，两表面法向变形量增大，而塑性变形的峰点数亦相应增多。

因此两个摩擦表面接触具体发生塑性变形以及发生塑性变形的峰点数的多少在很大程度上决定于接触物体材料的硬度。

摩擦具有跃动现象和“犁沟效应”两个摩擦特性_l引。精细的实验研究表明：干摩擦运动并非连续平稳的滑动，而是一物体相对另一物体断续的滑动，此现象称为跃动现象。当摩擦表面是弹性固定的时候，跃动现象更为显著。相对运动速度和荷载对摩擦过程的跃动现象影响较大，当相对速度和荷载较小的时候，摩擦的跃动现象显得非常严重。所谓“犁沟效应”是硬金属的粗糙峰嵌入软金属后，在滑动中推挤软金属，使之塑性流动并犁出一条沟槽。犁沟效应与相互接触的两物体的表面的硬度差以及载荷大小都有一定的关系。由于上部试件 Q235A钢与底板铝板之间的硬度差较大，当两者之间发生微动磨损的时候，上部材质为 Q235A钢的试件表面坚硬的凸峰深48 西 南 科 技 大 学 学 报 第28卷深嵌入硬度较小的铝板底板之中，在振动过程中就产生了所谓的犁沟效应。因此当载荷变大的时候，速度越大，铝板微动磨损的速度加快，产生的声发射能量也就增大。扭矩小的时候(1—7 Nm)，上下试件连接不紧，相对运动速度小，铝板微动磨损的速度就小，凸峰嵌入铝板深度小，从而产生的声发射参数数值小，此时螺栓的连接状态为非正常状态；当达到额定扭矩时(10 im)，上下试件压力荷载增大，连接紧密，相对运动速度增大，从而凸峰嵌入铝板深度变大，采集的声发射参数数值就大，此时螺栓的连接状态为正常状态；当超过额定扭矩时(11—13 Nm)，连接件之外区域出现翘曲现象，使得上下试件接触、摩擦面积减小，凸峰嵌入铝板的数 目减少，从而由稳定磨损产生的声发射参数数值减小，成下降趋势，此时螺栓的连接状态为非正常状态。

2．2 底板为 Q235A钢板底板为 Q235A钢板材质的 30 cm底部实验数据见表 2。

表2 30 CIYI底部实验数据(Q235A1Table 2 Experimental data of 30 cm-thick(Q235A)bottom由于当扭矩为 1 Nm时，声发射检测到的能量信号值偏大，不便在图上表示，所以图5给出了预紧扭矩为 3—13 Nm时能量的二次拟合曲线图，图 6给出了预紧扭矩为 1—13 Nm时振铃计数的二次拟合曲线图，图形呈抛物线形，相关性较好，30 cm 1#传感器对应 的能量和振铃计数相关 系数分别为0．930 l，0．928 2。

图5 30 cm底部(Q235A)能量拟合曲线Fig．5 The energy fiting cuive of 30 cm—thick(Q235A)botom图 6 30 cm底部(Q235A)振铃计数拟合曲线Fig．6 The ring count fiting curve of 30 cm—thick(Q235A)botom能量拟合曲线方程式及相关系数(拟合曲线 3～ 13 Nm)：Y ： 160．14 一3569．7 +21840R = 0．930 1振铃计数拟合曲线方程式及相关系数(拟合曲线 1—13 Nm)：Y ： 87．914x 一1654．8x+8037．4R = 0．928 2综合表 2的数据和拟合曲线图可以看出，当底板材质为 Q235A的钢板时，独管塔(底板为 Q235A钢)螺栓连接结构连接状态的变化规律和独管塔(底板为铝板)的变化规律是相反的。这是 由于螺栓连接的试件都为 Q235A钢(弹性模量为200×10～ 210×10 Pa)，硬度大致相当，当上下试件在振动中发生微动磨损的时候，摩擦表面是弹性固定的，几乎不出现明显的犁沟效应，此时跃动现象就非常凸显，当相对速度和荷载增加的时候，跃动现象也就不那么明显。也就是当扭矩小的时候 (1～7 Nm)，接触表面出现很高的“凸点黏着” 接触，动荷载作用下实际接触应力高，跳跃明显，且滑移区大，位移幅度高，颗粒快速脱落、氧化，微动摩损产生较多的能量，使得采集到的能量和振铃计数值偏高，此时螺栓连接处于非正常连接状态即松动状态；当扭矩达到额定扭矩(10 Nm)左右时，相应预紧力增大，黏着区第3期 简克彬，等 ：独管塔模型与底板螺栓连接状态的声发射辨识试验方法研究 49增大，表面上保持接触状态的“微凸峰”弹性变形增大，真实接触面积增大，造成真实接触压力降低，跳跃现象明显降低，同时滑移区减小，位移幅度降低，接触表面只出现局部滑动，微动磨损产生较小的能量，声发射信号的能量和振铃计数随着预紧扭矩的增大而降低，此时螺栓连接部位处于正常连接状态即紧固状态；当扭矩超过额定扭矩时(11—13 Nm)，连接件表面在螺栓作用范围内多处于非滑动区，但连接件之外区域出现翘曲现象，必然导致某一区域的连接件因翘曲而使接触“微凸峰”弹性变形减小，再次出现“凸点黏着”现象，跳跃再次明显，且接触表面的非滑动区很窄，接触应力在滑移区与非滑移区交界处高度集中，能够产生较多磨损微粒 ，导致接触点应力极大，使声发射信号的能量和振铃计数值变大，螺栓连接处于非正常连接状态即过紧状态。

3 结论通过对振动环境中独管塔螺栓连接结构(底座分别为铝板和 Q235A钢)的声发射缩尺模型试验研究，综合分析不同预紧扭矩下能量和振铃计数变化关系，得到如下结论 ：(1)当底板为铝板时，由于 Q235A钢与铝板之间的硬度差较大，当两者之问在振动环境下发生微动摩擦的时候，Q235A钢表面坚硬的凸峰深深嵌入硬度较小的铝板底板之中，产生“犁沟效应”。扭矩小的时候(1～7 Nm)，能量和振铃计数随扭矩的增大而增大，螺栓连接为非正常连接状态；当达到额定扭矩时(10 Nm)，采集的声发射参数数值最大，此时螺栓的连接状态为正常状态；当超过额定扭矩时(11～13 Nm)，连接件之外区域出现翘曲现象，能量和振铃计数随扭矩的增大而减小，此时螺栓的连接状态为非正常状态。

(2)当底板为 Q235A钢时，由于螺栓连接的试件都为Q235A钢，硬度大致相当，当上下试件在振动中发生微动磨损的时候，摩擦表面是弹性固定的，几乎不出现明显的犁沟效应，此时跃动现象就非常凸显，当相对速度和荷载增加的时候，跃动现象也就不那么明显。所以当螺栓连接结构处于预紧扭矩过小(1～7 Nm)时，能量和振铃计数随扭矩的增大而降低，螺栓连接为非正常连接状态；当达到额定扭矩时(10 Nm)，声发射能量和振铃计数值降到最低，螺栓连接为正常连接状态；当螺栓连接结构处于预紧扭矩过大(11—13 Nm)时，能量和振铃计数随扭矩的增大而增大，螺栓连接为非正常连接状态。

(3)研究表明，可以运用声发射技术来表征独管塔缩尺模型螺栓连接结构的连接状态，对土木工程中一些高耸螺栓连接结构的连接状态在线监测具有指导意义。

参考文献[1] SHINDE S R，HOEPPNER D W．Fretting fatigue behav—i0r in 7075一T6 aluminum alloy[J]．Wear，2006，261(3— 4)：426—34.

[2] BERTHIER Y，COLOMBIE Ch，VINCENT L．Frettingwear mechanisms and their effects on freting fatigue[J]．J Tribology，1988，110(3)：517.

[3] WATERHOUSE R B．微动磨损与微动疲劳[M]．周仲荣，等译．四川：西南交通大学出版社 ，1999.

[4] 周仲荣 ，VINCENT L．微动磨损[M]．北京：科学出版社 ，2002.

[5] 卢萍，王宁，陶俊林 ，等．基于声发射技术对螺栓连接结构微动磨 损影响 因素 的研究 [J]．摩擦学 学报，2010．30(5)：443—447.

[6] 王怡，王宁，卢萍，等．振动环境 中螺栓连接结构声发射特性的实验研究[J]．西南科技大学学报，2o10，25(1)：34—38.

[7] 黄东梅．高耸塔架结构节点损伤的两步诊断法[D]．武汉：武汉理工大学，2003.

[8] 徐永波．输电塔法兰联接节点螺栓松动等效模型及风振响应分析[D]．武汉：武汉理工大学，2007.

[9] 梅波勇．输电塔法兰联结节点螺栓松动损伤诊断改进的模糊模式识别方法[D]．武汉：武汉理工大学，2008.

[10] 赫罗绍夫 M M，巴比契夫 M A．金属的磨损[M]．胡绍衣，佘沪生，译．北京 ：机械工业出版社，1966.

[11] BOWDEN F P，TABOR D．The friction and lubricationof solids[M]．Oxford：Oxford at the Clarenden Press，l964.

[12] 温诗铸，黄平．摩擦学原理[M]．北京：清华大学出版社 ，2002．265—270.

[13] 陶峰，张险峰．螺纹连接件的微动损伤研究[J]．机械强度，2000，22(2)：134—136.