呂瀟 張雷 陳卓 王印

摘要：標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高強(qiáng)度連接螺栓的緊固程度參數(shù)是施工升降機(jī)、塔式起重機(jī)等機(jī)電類(lèi)特種設(shè)備檢驗(yàn)的主要內(nèi)容。本文總結(jié)了目前主要的幾種方法，即扭矩扳手法、敲擊檢測(cè)法、壓電阻抗分析法、應(yīng)變片電測(cè)法、超聲波測(cè)量法、標(biāo)記法的基本原理、適用范圍和現(xiàn)狀，并比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。然后根據(jù)高效與實(shí)時(shí)的要求，在標(biāo)記法的基礎(chǔ)上，提出并分析了基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的螺栓安全狀態(tài)檢測(cè)方法的可行性。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度螺栓；安全狀態(tài)；檢測(cè)；機(jī)器視覺(jué)

前言

高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、交通、電力、航空、土木等行業(yè)的各類(lèi)設(shè)備和結(jié)構(gòu)中，一方面用于聯(lián)接可拆卸部件，另一方面，在施工升降機(jī)、塔式起重機(jī)等機(jī)電類(lèi)特種設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)中，用于承擔(dān)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間的載荷，其安全緊固狀態(tài)直接關(guān)系到整個(gè)設(shè)備工作的可靠性和安全性。有大量事故已表明，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接螺栓的松動(dòng)會(huì)造成整機(jī)工作狀態(tài)的改變，是直接或間接導(dǎo)制發(fā)生倒塌事故的主要危險(xiǎn)源。

針對(duì)高強(qiáng)度螺栓安全狀態(tài)檢測(cè)問(wèn)題，本文介紹了目前主要的幾種檢測(cè)方法，并比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并在高效與實(shí)時(shí)檢驗(yàn)的原則下，提出一種新型的快速檢測(cè)方法。

1.常用的檢測(cè)方法

1.1 扭矩扳手法

在工程中廣泛采用扭矩扳手測(cè)量和控制螺栓的緊固程度[1]，主要原理是將套筒連接在扭矩體上，當(dāng)套筒連接螺栓或螺母，用手扳動(dòng)扭矩扳手時(shí)，扭矩體連桿產(chǎn)生相反的旋轉(zhuǎn)扭矩，同時(shí)帶動(dòng)扇形齒輪這轉(zhuǎn)動(dòng)，扇形齒輪帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪帶動(dòng)軸端上的指針，指針帶動(dòng)從動(dòng)指針，當(dāng)停止施加轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩時(shí)，從動(dòng)指針在字盤(pán)上指示對(duì)應(yīng)的扭矩值，從而判斷螺栓的松緊程度。但由于螺母和套筒之間以及螺紋間摩擦力的存在，很難精確測(cè)量、控制螺栓的軸向作用力。由于摩擦力的不確定性，即使采用精確的扭矩扳手測(cè)量緊固力，仍可能達(dá)到50%的不確定性。

1.2敲擊檢測(cè)法

在實(shí)際工程中，有經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)員常用敲擊的方法，根據(jù)聲音的變化來(lái)判斷螺栓是否松脫。關(guān)于敲擊損傷識(shí)別方法的理論分析，較早見(jiàn)于文獻(xiàn)[2-4]，研究表明敲擊不同區(qū)域會(huì)發(fā)出不同的聲音，是因?yàn)榍脫暨^(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)缺陷的出現(xiàn)使得敲擊力的特性發(fā)生了變化，因此根據(jù)敲擊力時(shí)域曲線的寬度或者頻域曲線下的面積比就可以辨識(shí)出結(jié)構(gòu)的損。而文獻(xiàn)[5]認(rèn)為如果考慮到結(jié)構(gòu)原點(diǎn)阻抗和結(jié)構(gòu)局部損傷的聯(lián)系，并進(jìn)一步根據(jù)原點(diǎn)阻抗對(duì)敲擊裝置加速度頻譜的影響，通過(guò)施加恰當(dāng)?shù)那脫袅?，是可以在之前基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)敲擊法的損傷檢測(cè)效果?；谑芸厍脫魴z測(cè)原理，文獻(xiàn)[5]提出了一種改進(jìn)型的敲擊檢測(cè)方法。它通過(guò)對(duì)螺栓施加恒定的敲擊力，從敲擊裝置的加速度功率密度譜（PSD）中提取對(duì)螺栓擰緊力矩敏感的特征信息，并結(jié)合支持向量機(jī)方法實(shí)現(xiàn)了螺栓松緊程度的識(shí)別。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該方法不但可以很準(zhǔn)確地識(shí)別螺栓完全松脫的情況，也可以比較可靠地對(duì)螺栓部分松脫的情況進(jìn)行定量的檢測(cè)。

1.3 壓電阻抗分析法

文獻(xiàn)[6] 基于壓電材料的正逆壓電效應(yīng)，將其作為傳感器和驅(qū)動(dòng)器。檢測(cè)原理主要是將壓電材料粘貼在主體結(jié)構(gòu)表面，通過(guò)給壓電材料施加高頻激勵(lì)信號(hào)使之產(chǎn)生微小振動(dòng)，壓電材料的振動(dòng)信號(hào)作用在主體結(jié)構(gòu)表面使之產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)； 主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反過(guò)來(lái)會(huì)作用在壓電材料上，壓電材料受力會(huì)使其表面電荷發(fā)生改變； 壓電材料表面電荷的變化可以通過(guò)精密阻抗分析儀以壓電阻抗的形式反映出來(lái)； 主體結(jié)構(gòu)特性（如剛度和阻尼等）的變化會(huì)使其振動(dòng)發(fā)生變化，進(jìn)而使其作用于壓電材料的振動(dòng)發(fā)生改變，從而使得壓電材料反饋的電信號(hào)不同，因此可以通過(guò)比較壓電材料反饋的電信號(hào)來(lái)分析主體結(jié)構(gòu)的變化； 而對(duì)于螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)，主結(jié)構(gòu)的變化在這里主要來(lái)自螺栓的預(yù)緊力的變化，故可以通過(guò)分析壓電材料的阻抗變化情況來(lái)確定螺栓的松緊狀況。

1.4 應(yīng)變片電測(cè)法

應(yīng)變片電測(cè)法采用標(biāo)準(zhǔn)電阻應(yīng)變片，將其安裝在螺栓螺桿上，通過(guò)測(cè)量螺栓應(yīng)變進(jìn)而獲得螺栓的軸向力，具有很高的測(cè)量精度，但受到螺栓安裝形式的限制，在很多場(chǎng)合難以實(shí)現(xiàn)。

1.5 超聲波測(cè)量法

1940年發(fā)現(xiàn)了聲彈性現(xiàn)象，超聲波的速度會(huì)因材料中的應(yīng)力而產(chǎn)生微小的變化，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者展開(kāi)了基于聲彈性效應(yīng)的螺栓松動(dòng)檢測(cè)研究[7-8]。但螺栓中聲速的改變量微小，需要專(zhuān)門(mén)的精密儀器進(jìn)行跟蹤測(cè)量，而且實(shí)際應(yīng)用中螺栓構(gòu)件尺寸小，而其中波速快，若要達(dá)到測(cè)量目的，其測(cè)量精度要達(dá)到納秒的級(jí)別，難以廣泛應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大量螺栓的狀態(tài)檢測(cè)。針對(duì)這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[9]利用壓電材料產(chǎn)生超聲波，通過(guò)分析超聲波在螺栓聯(lián)接界面處能量損耗與螺栓聯(lián)接預(yù)緊力之間的關(guān)系，建立了接收信號(hào)能量與螺栓所受扭矩之間的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)測(cè)試接受信號(hào)的能量大小，即可得出螺栓的緊固狀態(tài)。

1.6 標(biāo)記法

在螺栓緊固的時(shí)候，使用FIXOLID油漆標(biāo)記筆沿螺栓螺母劃條直線，如圖1所示，在可見(jiàn)部位標(biāo)定記號(hào)。這樣既可對(duì)在裝配過(guò)程中畫(huà)好的標(biāo)記起到檢查作用，避免在裝配過(guò)程中遺漏或忘記緊固，還能直觀地反映螺栓由于各種原因造成的松動(dòng)現(xiàn)象。該方法使用簡(jiǎn)單，成本低廉，唯一不足就是需要人眼進(jìn)行主觀判斷。

2.基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的標(biāo)記法

基于以上幾種目前常用方法的闡述與淺析，可以發(fā)現(xiàn)這些方法，都能夠較為準(zhǔn)確的測(cè)量出螺栓的緊固程度，但是均或多或少存在成本高、使用繁瑣、人為因素強(qiáng)等問(wèn)題，尤其是在施工現(xiàn)場(chǎng)這種復(fù)雜環(huán)境下，這些方法的普適性、可行性普遍都比較低。本文基于標(biāo)記法的高效便捷的特點(diǎn)，提出一種基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的螺栓安全狀態(tài)檢測(cè)方法，該方法通過(guò)高速CCD 相機(jī)拍攝到的視頻圖像作為輸入對(duì)象，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的處理將視頻分解為幀圖像，經(jīng)過(guò)DSP處理器分析，自動(dòng)判定是否存在松動(dòng)的情況，克服了傳統(tǒng)方法由人眼直接觀察帶來(lái)的效率低下的問(wèn)題。該方法包括ROI提取定位、圖像預(yù)處理、圖像特征提取、分類(lèi)等模塊組成，技術(shù)框圖如圖2所示。

3.結(jié)語(yǔ)

本文在簡(jiǎn)要分析總結(jié)常用的螺栓安全狀態(tài)檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，著重分析了幾種實(shí)時(shí)性強(qiáng)的檢測(cè)方法，并比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在標(biāo)記法的基礎(chǔ)上，提出基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的檢測(cè)方法，闡述了檢測(cè)原理并論證了其技術(shù)框圖，該方法簡(jiǎn)單可靠，通過(guò)DSP裝置可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人工參與并且在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，因此在后續(xù)的工作中將直接展開(kāi)標(biāo)記法的圖像目標(biāo)識(shí)別技術(shù)的研究，并進(jìn)一步深入研究和構(gòu)建高強(qiáng)度螺栓安全狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

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