王慶領(lǐng)， 程慶陽, 謝雋然

(1.東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院， 南京 210096； 2.陜西中科啟航科技有限公司， 咸陽 712000)

螺栓結(jié)構(gòu)，以其易于安裝，便于拆卸的優(yōu)點(diǎn)目前被廣泛應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域，螺栓結(jié)構(gòu)最主要的問題是螺栓在振動(dòng)或者外力的作用下會產(chǎn)生松動(dòng)，造成螺栓連接結(jié)構(gòu)的軸向力下降，導(dǎo)致螺栓連接件失效，這對系統(tǒng)(如地鐵車輛的運(yùn)行系統(tǒng)[1]、輸電鐵塔的工作系統(tǒng)[2]、風(fēng)電塔筒的運(yùn)維系統(tǒng)[3]等)的可靠性和安全性都有很大的影響。因此，針對螺栓結(jié)構(gòu)及松動(dòng)檢測的研究具有重要的實(shí)際意義。

由于螺栓串?dāng)_現(xiàn)象的存在，在螺栓裝配的過程中，一個(gè)螺栓緊固件被擰緊，另一個(gè)相連的螺栓緊固件會產(chǎn)生一定的松動(dòng)，造成各個(gè)螺栓安裝初始預(yù)緊力大小不同[4]，因此需要對螺栓的連接受力情況進(jìn)行建模分析。Wang等[5]對無窮大板平面的螺栓連接剛度模型進(jìn)行了建模和實(shí)驗(yàn)分析，得到了與有限元模擬一致的模型分析結(jié)果，但是僅針對理想無窮大平面的螺栓連接情況進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，缺乏實(shí)際場景中螺栓連接情況的預(yù)緊力分析，無法將模型應(yīng)用到實(shí)際工程環(huán)境。近些年，針對實(shí)際場景的環(huán)形結(jié)構(gòu)螺栓連接剛度模型的研究也取得了一些進(jìn)展。Wegener等[6]以風(fēng)電塔筒的環(huán)形結(jié)構(gòu)螺栓為背景，研究螺栓的預(yù)緊力水平對法蘭連接結(jié)構(gòu)的螺栓疲勞性能的影響，并測試了不同載荷情況下，螺栓的預(yù)緊力損失情況; Seidel[7]對管狀塔的環(huán)形法蘭連接進(jìn)行了疲勞分析，并設(shè)計(jì)一類可計(jì)算局部彎矩的解析模型，用于管狀塔的法蘭結(jié)構(gòu)疲勞分析。

螺栓在長期使用狀態(tài)下容易發(fā)生預(yù)緊力松弛甚至螺栓松脫斷裂[8-11]，這種情況會使得系統(tǒng)運(yùn)行的整體性能下降，因此為了保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定健康運(yùn)行，對于螺栓預(yù)緊力的檢測十分必要的。螺栓在實(shí)際使用中發(fā)生松動(dòng)的原因，與螺栓緊固件的材料，墊片，密封劑，涂料，使用時(shí)間，工況等都有一定的相關(guān)性[12-13]。目前的螺栓預(yù)緊力檢測方法主要有以下幾種：基于聲彈性法的螺栓預(yù)緊力檢測方法[14]，基于壓電阻抗的螺栓預(yù)緊力檢測方法[15]，基于振動(dòng)頻率法的螺栓預(yù)緊力檢測方法[16]。近年來，隨著風(fēng)電技術(shù)的大規(guī)模發(fā)展，螺栓預(yù)緊力檢測技術(shù)開始應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)中，并取得了一定的研究和應(yīng)用成果[3, 17]。

基于此，現(xiàn)主要綜述螺栓預(yù)緊力測量和螺栓松動(dòng)檢測方法，將螺栓預(yù)緊力測量和螺栓松動(dòng)檢測方法分為在線檢測方法和離線檢測方法兩類。離線檢測方法主要討論扭矩法和基于聲彈性法的螺栓松動(dòng)檢測方法，在線檢測方法主要討論了基于壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測方法；基于阻抗的螺栓松動(dòng)檢測方法；基于圖像處理的螺栓松動(dòng)檢測方法；基于法蘭位移的螺栓松動(dòng)檢測方法，并給出每種方法的基本原理和研究進(jìn)展。最后總結(jié)討論了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和其在風(fēng)力發(fā)電機(jī)螺栓連接檢測中的適用性和可行性。

1 離線檢測方法

離線檢測是指通過系統(tǒng)外的儀器儀表，對系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行必要的人工抽檢。本節(jié)主要綜述兩種離線檢測方法：一種是扭矩法，另一種是基于聲彈性效應(yīng)的螺栓松動(dòng)檢測方法。

1.1 扭矩法

扭矩扳手法是目前應(yīng)用最為廣泛的螺栓松動(dòng)檢測技術(shù)。董達(dá)善等[18]研究表明螺栓的預(yù)緊力和螺栓的扭矩近似于線性關(guān)系，因此可以通過測量螺栓扭矩的大小計(jì)算得到螺栓預(yù)緊力的大小，螺栓預(yù)緊力和螺栓扭矩之間的關(guān)系可以簡化為

T=KFVd

(1)

式(1)中：T為作用在螺栓上的扭矩，N·mm;K為力矩系數(shù)；FV為預(yù)緊力大小，N；d為螺栓的直徑，mm。

由于式(1)的公式簡化較為粗糙，為了得到更為準(zhǔn)確的螺栓扭矩的大小，Croccolo等[19]將螺栓扭矩分成了Tp、Tt、Tu三個(gè)不同的部分，給出計(jì)算螺栓扭矩更為精確的計(jì)算公式：

T=Tp(FV,p)+Tt(FV,μt,d2)+Tu(FV,μu,du)

(2)

式(2)中：Tp為螺栓滑動(dòng)偏斜所產(chǎn)生的扭矩，N·mm;p為螺栓的螺距，mm;Tt為螺桿摩擦所產(chǎn)生的扭矩，N·mm;μt為螺桿摩擦系數(shù)；d2為螺紋的節(jié)距直徑(d2=d-0.649 5p)，mm;Tu為螺母摩擦所產(chǎn)生的扭矩，N·mm;μu為螺母摩擦系數(shù)；du為螺母平均直徑，mm。

從目前的研究情況看，螺栓的扭矩有85%～90%浪費(fèi)在了抵抗現(xiàn)有的摩擦上，只有10%～15%的扭矩用于旋轉(zhuǎn)螺栓[20]。因此，使用扭矩法測量扭矩誤差較大，精度較低，雖然通過潤滑劑等可以減少摩擦力，但是這種方法會使螺栓產(chǎn)生過多的軸向力，影響扭矩法測量的準(zhǔn)確度[21]。

扭矩扳手法測量螺栓松動(dòng)以其理論簡單，易于實(shí)現(xiàn)，成本較低的優(yōu)勢在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用，目前扭矩的測量設(shè)備也達(dá)到了一定的精度和測量范圍：侯向盼[22]設(shè)計(jì)的電動(dòng)扭矩扳手檢定儀的校準(zhǔn)的不確定度達(dá)到了三級校準(zhǔn)要求，夏政誠等[23]設(shè)計(jì)了一種基于轉(zhuǎn)速差法的數(shù)顯扭矩扳手，扭矩輸出范圍為1 200～1 400 N·m，精度達(dá)到3%左右，能夠?qū)崿F(xiàn)螺栓扭矩較為精確的測量。不過由于扭矩扳手法需要人工對每一個(gè)螺栓進(jìn)行扭矩測量和扭矩分析，所以扭矩法常用于對螺栓松動(dòng)情況的抽查測試，難以實(shí)現(xiàn)螺栓松動(dòng)情況的實(shí)時(shí)檢測。對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的螺栓松動(dòng)檢測來說，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒高度高，螺栓多，通過扭矩法測量每一個(gè)螺栓的扭矩比較困難，只能采取抽測的方式進(jìn)行，因此扭矩法多用于線下人工抽檢。

1.2 基于聲彈性法的螺栓松動(dòng)檢測方法

聲彈性法是利用固體中聲速隨應(yīng)力變化而變化的原理來檢測螺栓中應(yīng)力的變化，通過檢測固體中聲波傳遞速度或者材料共振頻率的變化，檢測結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力變化。目前基于聲彈性法的螺栓松動(dòng)檢測方法主要使用超聲波作為檢測波，在螺栓一端安裝超聲波探頭，通過超聲波探頭向螺栓另一端發(fā)送超聲波信號，在探頭端可以檢測到從另一端反射回來的回波信號，根據(jù)發(fā)射信號和接收信號的時(shí)間差(飛行時(shí)間)和超聲波速可以確定螺栓的超聲波長度。在均勻的同質(zhì)材料中，沿施加應(yīng)力方向傳播的縱波和橫波速度與螺栓的聲彈性常數(shù)近似為一階線性關(guān)系[24-25]如式(3)所示：

(3)

Suda等[26]證明了系統(tǒng)的比例常數(shù)(又稱為材料常數(shù))由聲彈性常數(shù)和楊氏模量決定，與熱處理無關(guān)，因此，式(3)中彈簧的軸向應(yīng)力大小只與超聲波速度有關(guān)，所以可以通過測量超聲波的速度改變來測量螺栓的應(yīng)力變化。

依據(jù)檢測所用超聲波數(shù)量的不同，基于聲彈性法的螺栓松動(dòng)檢測方法主要分為兩種：第一種是單波法，即僅使用單獨(dú)的橫波或者縱波；第二種是多波法，即使用橫波和縱波混合或多波調(diào)制的方式。

1.2.1 單波法

單波法是指用單個(gè)橫波或者單個(gè)縱波來測量螺栓的軸向預(yù)緊力，依據(jù)式(3)，單波法需要測量超聲波在螺栓受預(yù)緊力和不受預(yù)緊力兩種情況下的飛行時(shí)間，就可以確定螺栓所受預(yù)緊力的大小。由于縱波對于預(yù)緊力的變化更為敏感，因此目前工業(yè)界更多地采用縱波進(jìn)行渡越時(shí)間的測量[27]。

1.2.2 多波法

多波法使用橫波和縱波相結(jié)合或多波調(diào)制的方式來檢測螺栓中的預(yù)緊力變化。多波法主要分為兩種：第一種是速度比率法，主要利用橫波和縱波在螺栓中飛行時(shí)間不同的特點(diǎn)通過橫波和縱波的速度比值來確定螺栓的預(yù)緊力變化情況；第二種是模式轉(zhuǎn)換法，利用模式轉(zhuǎn)換的原理來進(jìn)行螺栓預(yù)緊力變化的檢測。

(1)速度比率法。通過測量橫波和縱波在受到預(yù)緊力時(shí)候的飛行時(shí)間，求解橫縱波方程消解螺栓長度和溫度變化等其他變量的影響可以達(dá)到比單波法更準(zhǔn)確的測量精度，這種檢測方式稱為速度比率法。速度比率法可以消除單波法測量的變量影響因素，但是如何找到合適的方程來消解變量影響是速度比率法需要解決的主要問題，Pan等[35]提出了一個(gè)關(guān)于橫波、縱波飛越時(shí)間的螺栓軸向力的計(jì)算函數(shù)，函數(shù)中預(yù)緊力測量的系數(shù)由預(yù)緊力數(shù)據(jù)的最小二乘擬合確定，能夠提供更準(zhǔn)確的預(yù)緊力測量數(shù)據(jù)。Carlson[36]表明橫波和縱波飛行時(shí)間的比值與螺桿的預(yù)緊力呈線性變化，并評估了兩種不同的飛行時(shí)間(TOF)比率估計(jì)方法，采用了包絡(luò)的互相關(guān)技術(shù)，提高了第一回波和第二回波之間的飛行時(shí)間測量精度。

速度比率法相比于單波法最大的優(yōu)點(diǎn)是它不需要測量螺栓未受力情況下的超聲波飛行時(shí)間，只需要測量螺栓受力狀態(tài)下的超聲波飛行時(shí)間比值，在實(shí)際應(yīng)用上具有較好的實(shí)用性，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，F(xiàn)eng等[37]提出了一種新的理論分析方法，將螺栓的受力區(qū)和非受力區(qū)分開，通過實(shí)驗(yàn)證明該方法適用于橋梁螺栓的超聲波應(yīng)力檢測，并取得了較好的精度。Pan等[38]建立了基于橫波和縱波組合的螺栓預(yù)緊力超聲波測量模型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型能夠有效消除螺栓應(yīng)力分布不均勻的情況，得到的螺栓預(yù)緊力大小在5%以內(nèi)，滿足工程使用的需要。但是速度比率法其沒有改變單波法測量飛行時(shí)間的方式，實(shí)際測量時(shí)候與單波法一樣同樣需要高精度的采樣和檢測設(shè)備，成本比較高，檢測也比較復(fù)雜。

(2)模態(tài)轉(zhuǎn)換法。模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象是指兩個(gè)正交極化橫波碰到固體或者液體表面時(shí)，會轉(zhuǎn)化成縱向極化波；或兩個(gè)正交偏振的橫波和縱波碰到液體表面，會轉(zhuǎn)化為縱波，在模態(tài)轉(zhuǎn)化的過程中固體介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)會影響折射后波的極化和速度。模態(tài)轉(zhuǎn)換法的基本原理是利用模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，同時(shí)產(chǎn)生橫波和縱波，分別測量橫波和縱波的飛行時(shí)間，再計(jì)算得到螺栓預(yù)緊力大小的方法，這種方法相比于速度比率法能夠解決分別輸入橫波和縱波帶來的誤差影響。

模態(tài)轉(zhuǎn)換法目前已經(jīng)在螺栓松動(dòng)檢測領(lǐng)域得到了應(yīng)用。Kim等[39]提出了一種應(yīng)用于檢測高壓螺栓軸向應(yīng)力的基于模態(tài)轉(zhuǎn)換方法的超聲技術(shù)，利用了縱波的模態(tài)變換，同時(shí)在螺栓中產(chǎn)生橫波和縱波，通過橫波和縱波兩種回波的飛行時(shí)間不同，給出了錨桿應(yīng)力的理論表達(dá)式，并且驗(yàn)證了兩種回波的飛行時(shí)間之比與理論上預(yù)期的錨桿應(yīng)力呈線性關(guān)系。Ding等[40]提出了一種使用電磁聲傳感器(EMAT)的方法，EMAT產(chǎn)生橫波，利用模態(tài)轉(zhuǎn)換得到縱波，通過分析橫波和縱波的射線路徑得到螺栓軸向應(yīng)力和飛行之間比的關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)證明了橫縱波的飛行次數(shù)和螺栓軸向應(yīng)力大小為線性關(guān)系。Chen等[41]針對模態(tài)轉(zhuǎn)換波的失真和混疊問題，提出了一種基于Gabor變換的時(shí)頻參數(shù)識別方法，用于識別轉(zhuǎn)換模態(tài)波的飛行時(shí)間，由此建立了一個(gè)螺栓軸向應(yīng)力的非線性評估模型，通過實(shí)驗(yàn)表明該模型比傳統(tǒng)的L-S方法能夠更為有效地檢測螺栓的連接狀態(tài)。

聲彈性法是一種傳統(tǒng)的測量螺栓松動(dòng)狀態(tài)方法，無論使用多波法或單波法進(jìn)行螺栓松動(dòng)檢測，都需要使用高精度的檢測設(shè)備測量微小量的變化，并且這兩種方法都無法對系統(tǒng)的螺栓連接狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測和監(jiān)控，需要人工到現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地測量，同時(shí)基于聲彈性法的螺栓松動(dòng)檢測技術(shù)多是針對單一螺栓進(jìn)行檢測，無法同時(shí)檢測多個(gè)螺栓，在工業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)場螺栓數(shù)量多，檢測人員無法對全部螺栓進(jìn)行檢測，只能對系統(tǒng)螺栓的狀態(tài)進(jìn)行抽樣測量，無法準(zhǔn)確得知系統(tǒng)中每一個(gè)螺栓的運(yùn)行狀況。

2 在線檢測方法

在線檢測是指通過裝在生產(chǎn)線上的各類檢測設(shè)備，對設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的自動(dòng)實(shí)時(shí)檢測。本節(jié)主要闡述4種螺栓松動(dòng)在線檢測方法：第一種是基于壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測技術(shù)，第二種是基于阻抗的螺栓松動(dòng)檢測技術(shù)，第三種是基于圖像識別的螺栓松動(dòng)檢測技術(shù)，第四種是基于法蘭位移的螺栓松動(dòng)檢測技術(shù)。

2.1 基于壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測技術(shù)

如圖1所示，基于壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測技術(shù)的基本原理：兩個(gè)壓電片粘貼在兩個(gè)螺栓連接面上，一個(gè)壓電片發(fā)射超聲波信號，另一個(gè)壓電片接收超聲波信號。由于在兩個(gè)結(jié)構(gòu)中間連接面是非光滑平面，能量在兩個(gè)接觸面之間傳輸會有能量的損耗，如果螺栓連接結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，該能量的損耗是固定的，當(dāng)能量的損耗發(fā)生變化時(shí)，說明接觸面的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，即發(fā)生了螺栓松動(dòng)。

圖1 壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測示意圖

近些年，基于壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測方法在理論和實(shí)際應(yīng)用上出現(xiàn)了一些新的理論和改進(jìn)應(yīng)用，Wang等[42]基于分形接觸理論對不同預(yù)緊力下的螺栓節(jié)點(diǎn)切向阻尼產(chǎn)生的能量耗散進(jìn)行了建模，建立了螺栓軸向預(yù)緊力和能耗之間的關(guān)系，為螺栓松動(dòng)檢測和計(jì)算提供和有效的方法。Yin等[43]發(fā)現(xiàn)使用壓電主動(dòng)傳感技術(shù)檢測螺栓預(yù)緊力時(shí)，傳輸能量有時(shí)在達(dá)到最大預(yù)緊力之前達(dá)到飽和，因此設(shè)計(jì)了一種由兩個(gè)接觸面分別加工成凹面和凸面的環(huán)形圓環(huán)組成的智能墊圈，將壓電片貼在每個(gè)墊圈的非接觸面上，通過這種方法來減少飽和效應(yīng)，并通過實(shí)驗(yàn)確定該方法可以有效降低壓電主動(dòng)傳感技術(shù)的飽和效應(yīng)。Wang等[44]將基于壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測技術(shù)應(yīng)用于水下環(huán)境的螺栓健康檢測，提出了兩個(gè)新的熵指標(biāo)：多尺度范圍熵(MRangeEn)和多尺度氣泡熵(MbEn),來增強(qiáng)現(xiàn)有的熵增強(qiáng)的主動(dòng)感知方法，并通過實(shí)驗(yàn)室級的實(shí)驗(yàn)證明新的熵增強(qiáng)的感知方法優(yōu)于電流熵增強(qiáng)的感知方法。Li等[45]利用分形接觸理論提出了錨桿松動(dòng)檢測的三維耦合機(jī)電有限元分析方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該分析方法的有效性，提供了螺栓連接的固有接觸機(jī)理。杜飛等[46]將激勵(lì)壓電片和接受壓電片分別安裝在法蘭螺栓的兩側(cè)，通過實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)法蘭螺栓的1～2個(gè)螺栓松動(dòng)時(shí)，距離螺栓越近的壓電片響應(yīng)信號越敏感，并且能夠通過均方根差值的大小和分布來大概判斷松動(dòng)螺栓的方位。

基于壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測技術(shù)是從固體固有缺陷檢測技術(shù)發(fā)展而來的，因具有壓電片小巧容易安裝，能夠進(jìn)行在線系統(tǒng)缺陷檢測等優(yōu)點(diǎn)目前在螺栓松動(dòng)檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與基于聲彈性法的螺栓松動(dòng)檢測方法相比，基于壓電主動(dòng)傳感的螺栓松動(dòng)檢測方法使用的超聲波頻率相對更低，因此在檢驗(yàn)設(shè)備方面的花費(fèi)相對較低，與聲彈性法使用的高頻超聲波不同，使用壓電片進(jìn)行信號的發(fā)送和接受具有更好的抗噪聲性能,信號分析也較為容易，因此更適用于工業(yè)界的螺栓松動(dòng)檢測系統(tǒng)，通過在系統(tǒng)安裝時(shí)預(yù)留壓電片安裝也可以方便日后在線檢測系統(tǒng)的建立。

2.2 基于阻抗的螺栓松動(dòng)檢測技術(shù)

基于阻抗的螺栓松動(dòng)檢測技術(shù)利用了壓電材料的正負(fù)壓電效應(yīng)。壓電材料的正壓電效應(yīng)是指對壓電材料表面施加壓力，壓電材料兩端會產(chǎn)生電位差，反之逆壓電效應(yīng)是指對壓電材料施加電壓，壓電材料上會產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。將壓電材料粘貼在被測系統(tǒng)上后，利用壓電材料的壓電效應(yīng)，輸入交流電壓掃描信號(通常為數(shù)百或數(shù)千赫茲)，記錄其電阻抗變化就可以進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化(如腐蝕、松動(dòng)、斷裂等)，會導(dǎo)致系統(tǒng)阻抗的變化，通過檢測電阻抗的變化就能檢測系統(tǒng)應(yīng)力的變化情況[47-48]。由于壓電陶瓷的壓電常數(shù)，機(jī)電耦合常數(shù)和介電常數(shù)較高，并且其同時(shí)可以用作傳感元件和驅(qū)動(dòng)元件，所以目前對于機(jī)械損傷的檢測更多的采用壓電陶瓷作為傳感器和驅(qū)動(dòng)器[49]。

基于阻抗的螺栓松動(dòng)檢測基礎(chǔ)已經(jīng)在實(shí)際中得到了應(yīng)用。Nguyen等[50]將基于振動(dòng)和基于阻抗的螺栓松動(dòng)檢測方法結(jié)合后應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架的結(jié)構(gòu)健康檢測中，并通過實(shí)驗(yàn)證明了這種混合損傷檢測方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和有效性。Zhang等[51]將基于阻抗的螺栓松動(dòng)檢測方法應(yīng)用于航天器熱防護(hù)結(jié)構(gòu)中螺栓的松動(dòng)檢測，提出了一種兩步健康檢測策略，并通過實(shí)驗(yàn)證明了該檢測策略的有效性。Xu等[52]利用機(jī)電阻抗技術(shù)和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對球形連接結(jié)構(gòu)的螺栓進(jìn)行松動(dòng)檢測，通過實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠有效地檢測空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中螺栓球形連接的松動(dòng)情況。

近些年，基于阻抗的螺栓松動(dòng)檢測方式在檢測設(shè)備和手段上取得了一定的進(jìn)展。Wang等[53]發(fā)明了一種可穿戴技術(shù)的傳感裝置，可以無損的安裝在法蘭閥門上并進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置測量的準(zhǔn)確性。Ezzat等[54]使用統(tǒng)計(jì)校準(zhǔn)公式來代替故障診斷方式，將該公式與預(yù)篩選過程相結(jié)合，減少了定標(biāo)搜索空間和緩解參數(shù)可識別性的問題，通過實(shí)驗(yàn)證明了該方法能夠提高檢測能力和減少計(jì)算需求。Cao等[55]將損傷識別的問題轉(zhuǎn)化為目標(biāo)優(yōu)化問題，并使用多目標(biāo)直接算法來解決該目標(biāo)優(yōu)化問題，通過實(shí)驗(yàn)證明了該方法能夠獲得高質(zhì)量的小解集。

因?yàn)閴弘娞沾蓚鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)小巧安裝方便，甚至可以在系統(tǒng)安裝時(shí)候預(yù)裝入螺栓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，大大方便了日后建立螺栓松動(dòng)的在線檢測系統(tǒng)。阻抗法由于其驅(qū)動(dòng)理論的原因，比較適合應(yīng)用于局部動(dòng)態(tài)特性的檢測，目前是比較結(jié)構(gòu)健康檢測一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域。但是目前的研究主要通過對阻抗信號的分析來確定螺栓的連接情況，對于螺栓的結(jié)構(gòu)特性特別是高頻情況下的結(jié)構(gòu)特性研究比較少。

2.3 基于圖像識別的螺栓松動(dòng)檢測技術(shù)

基于圖像識別的螺栓松動(dòng)檢測技術(shù)是一種非接觸的螺栓松動(dòng)檢測方法，其主要檢測方式是通過計(jì)算機(jī)對螺栓圖像進(jìn)行分析處理，在圖像中定位螺栓位置，在通過深度學(xué)習(xí)等手段來檢測螺栓在結(jié)構(gòu)或者角度上是否出現(xiàn)了變化，從而判斷螺栓是否產(chǎn)生了松動(dòng)。

目前，圖像識別的結(jié)構(gòu)健康檢測方法已經(jīng)應(yīng)用到了路面裂紋缺陷檢測[56]，大樓和高層橋梁的穩(wěn)定性檢測[57]等領(lǐng)域，在螺栓松動(dòng)檢測領(lǐng)域也已經(jīng)獲得了大量的應(yīng)用，Park等[58]提出了一種基于圖像分割的螺栓松動(dòng)檢測方法，主要通過霍夫變換對拼接板和螺母的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行識別，并且能在2°的誤差范圍內(nèi)檢測到螺栓系統(tǒng)的松動(dòng)。經(jīng)過誤差估計(jì)，螺栓松動(dòng)的檢出率為93.3%。Huang等[59]利用表面有白光散斑圖案的墊圈作為光傳感器，根據(jù)數(shù)字圖像來測量墊圈的應(yīng)變，從而得到螺栓墊圈所受應(yīng)力的情況，并且通過實(shí)驗(yàn)確定了該檢測方法的有效性，沈浩等[60]使用無人機(jī)航拍視頻圖像，利用傳統(tǒng)圖像識別技術(shù)和遷移學(xué)習(xí)方法提出了基于深度學(xué)習(xí)的螺栓病害智能識別方法，并成功應(yīng)用于工程使用中，葉宏鵬[61]設(shè)計(jì)了一套基于圖像處理技術(shù)的動(dòng)車軸端螺栓自動(dòng)檢測流程，開發(fā)了一套螺栓自動(dòng)檢測系統(tǒng)。

基于圖像識別的檢測方法具有成本低，能實(shí)現(xiàn)對于系統(tǒng)的無損檢測，檢測設(shè)備少等優(yōu)點(diǎn)，但是由于螺栓松動(dòng)產(chǎn)生的形變比較小，基于圖像識別的檢測方法目前多應(yīng)用于檢測螺栓缺失或螺栓已經(jīng)產(chǎn)生了肉眼可見的松動(dòng)的情景，對于螺栓肉眼不可見的松動(dòng)情況需要借助輔助手段如光柵，智能墊圈等將細(xì)小的形變進(jìn)行放大后再利用圖像進(jìn)行識別，目前對于檢測微小螺栓松動(dòng)形變的圖像識別方法還有待于進(jìn)一步發(fā)展。

2.4 基于法蘭位移的螺栓松動(dòng)檢測技術(shù)

基于法蘭位移的螺栓松動(dòng)檢測方法主要檢測法蘭連接方式的螺栓松動(dòng)情況，法蘭位移螺栓松動(dòng)檢測技術(shù)的基本檢測原理如圖2所示。當(dāng)法蘭連接處的螺栓發(fā)生松動(dòng)、斷裂等異常情況時(shí)，法蘭軸向相對位移會發(fā)生變化，通過高精度位移傳感器檢測法蘭軸向相對位移變化可以間接得到螺栓松動(dòng)情況。

圖2 基于法蘭位移的螺栓松動(dòng)檢測方法

陜西中科啟航科技有限公司等[62]提出了一種在螺栓法蘭連接處部署傳感器，通過測量法蘭軸向相對位移來判斷螺栓的松動(dòng)情況的方法。該方法只需要在一個(gè)法蘭連接面安裝少量傳感器,經(jīng)過計(jì)算螺栓連接處所受到的外部載荷，可以得到整個(gè)法蘭的工作載荷，從而實(shí)現(xiàn)多對法蘭螺栓松動(dòng)情況的實(shí)時(shí)檢測。相比于其他螺栓在線檢測技術(shù)，該方法實(shí)現(xiàn)整個(gè)法蘭面螺栓的狀態(tài)檢測所需的傳感器數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他在線檢測方法，實(shí)現(xiàn)一對多的螺栓松動(dòng)檢測，這種檢測方式大大減少了系統(tǒng)運(yùn)行的成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和良好的應(yīng)用前景。

3 總結(jié)與展望

主要敘述了6種螺栓松動(dòng)檢測方法，這6種檢測方法的對比討論如表1所示。

表1 螺栓松動(dòng)檢測方法總結(jié)

螺栓松動(dòng)的離線檢測方法經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，理論比較成熟，目前在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，但是離線檢測方法有其自身的不足和局限性：

(1)離線檢測方法無法實(shí)現(xiàn)智能檢測，需要人工對設(shè)備螺栓松動(dòng)情況進(jìn)行檢測，容易存在漏檢，復(fù)檢的情況。目前工業(yè)設(shè)備使用螺栓數(shù)量多，難以實(shí)現(xiàn)全面覆蓋檢測，多使用人工抽檢的形式進(jìn)行測試。

(2)多是針對單一螺栓進(jìn)行松動(dòng)檢測，無法實(shí)現(xiàn)對多個(gè)螺栓松動(dòng)情況的同時(shí)檢測。

(3)聲彈性法使用的超聲波頻率高，測量設(shè)備復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)螺栓松動(dòng)的成本較高。

螺栓松動(dòng)的在線檢測方法由于其可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)設(shè)備的智能檢測，近些年得到了快速的發(fā)展，在理論和實(shí)際應(yīng)用上都取得了可觀的成果，但是在線檢測方法的仍有一些不足：

(1) 對于除法蘭結(jié)構(gòu)的螺栓安裝方式，沒有很好的一對多的檢測方法，對所有螺栓實(shí)現(xiàn)在線檢測需要安裝大量的傳感器，檢測成本高，實(shí)現(xiàn)難度大。

(2)壓電傳感法和阻抗法對螺栓松動(dòng)的靈敏度較高，若要實(shí)現(xiàn)一對多的螺栓松動(dòng)檢測需要對實(shí)際螺栓的分布進(jìn)行建模設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)標(biāo)定測試，魯棒性較差。

(3) 基于圖像處理的螺栓松動(dòng)檢測方法目前大多只能實(shí)現(xiàn)對于肉眼可辨的螺栓松動(dòng)或螺栓缺失進(jìn)行識別，并且對圖片或視頻的質(zhì)量要求較高，目前無法實(shí)現(xiàn)螺栓松動(dòng)的預(yù)警。

綜上所述，針對螺栓松動(dòng)檢測領(lǐng)域還應(yīng)在以下方面開展研究：

(1)優(yōu)化聲彈性法測試所用的檢測設(shè)備，降低聲彈性法的檢測難度，目前聲彈性法使用的超聲波頻率高，超聲波發(fā)射到接受所用的時(shí)間短，缺少能夠應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的精確測量設(shè)備。

(2)利用人工智能等新興技術(shù)，針對定位螺栓松動(dòng)位置，螺栓松動(dòng)發(fā)生的提前預(yù)警展開研究。

(3)開展一個(gè)傳感器同時(shí)檢測多個(gè)螺栓松動(dòng)的研究，實(shí)現(xiàn)在工業(yè)上螺栓運(yùn)行狀態(tài)的全智能檢測。