智能制造从螺栓做起-超声智能螺栓

少了一颗钉子，一个马掌丢了。

少了一只马掌，一匹马丢了。

少了一匹马，一位骑士丢了。

少了一位骑士，一场战争丢了。

而这些都是因为少了一颗马掌钉。

-英国民谚

整个工业文明是由螺栓紧固起来的，螺栓被称为“工业之米”，怎么把好米煮成香喷喷的米饭是个至关重要的问题。螺栓的唯一设计、使用指标是预紧力，又称夹紧力，或者叫做螺栓轴力，通俗的讲就是要回答“螺栓紧固到位了没有？”这个问题。一颗没有预紧力的螺栓，除了起到了抚慰人心的装饰作用，对于工业产品没有任何意义，一颗没有紧固好的螺栓，更成为了让人痛心事故的源头。据北京艾法斯特科技发展有限公司的技术负责人常明亮介绍，“依据我们的常年和用户摸爬滚打分析螺栓失效案例的经验，80%-90%的螺栓失效情况，都是因为螺栓在初次紧固的时没有达到设计螺栓预紧力，也就是说螺栓没有紧固到位而导致的…”

通常而言，我们使用扳手对螺栓施加扭矩来紧固螺栓，衡量螺栓紧固工艺的标准是扭矩（单位：Nm），而不是预紧力（单位：kN）。

 

施加扭矩旋转螺栓后，螺杆受力伸长，螺杆伸长产生夹紧力把连接件夹紧了。我们知道，施加的扭矩并不象夹紧力那么简单，在通用公式中：

力（F）*力矩（L）=扭矩（M）

也就是说螺栓旋转的越多，受到的扭矩就越大。但是90%扭矩被摩擦力消耗掉了，只有10%转化为了夹紧力。打个比方，当你上紧一颗工艺要求为10N·m力矩的螺栓时，我们真正需要的是那1N·m轴向力矩，大多数力矩都被摩擦力消耗掉了。所以扭矩并不是预紧力！比如说当工人师傅拿起一颗螺栓发现其螺纹有碰伤或者有杂质，您一旦将其装入螺孔内，这时候这颗螺栓的装配力矩是达到了，但是螺栓产生怎样的预紧力呢？结果一定是：远不符合我们所需要的夹紧力。如果这颗螺栓安装在飞轮，曲轴等这样的运动件上就非常容易发生脱落，这就造成了我们经常说的“假紧”。使用扭矩法紧固螺栓，所达到的预紧力会有±30%的误差。那么，如何使得螺栓能够精确地达到设计预紧力呢？

在紧固螺栓时，由牛顿第三定律，所有的预紧力等于螺栓所受的拉力，在拉力的作用下螺栓会变长，其伸长量符合胡克定律。只不过由于螺栓的k极大，所以其伸长量很小，需要使用微米来计量（1/1000毫米）。如果能够精确地测量螺栓伸长量，那么就可以得到螺栓预紧力。

由北京艾法斯特科技发展有限公司开发的超声螺栓预紧力测量系列产品，在螺栓头部发射接收超声波，测量螺栓伸长量（精度可达0.05微米），获得准确的螺栓预紧力，目前已经广泛应用在航空航天、汽车、石油石化、电力、轨道交通等行业，为工业产品的结构安全性、可靠性提供了有效的保障。

据北京艾法斯特公司的技术负责人常明亮介绍，这一切的都源于能够产生、接收超声波的压电效应， 他说：“通俗地讲，压电效应就是给压电陶瓷以电激励，它会振动产生超声波，同时也能将超声波的机械振动转换为电信号。将这样的压电陶瓷片采用特殊工艺粘结在螺栓头部就把一颗普普通通的螺栓变成智能螺栓，就可以无时不刻地知道螺栓轴力了，其精度可达±1%！”

老问题刚刚解决，用户又提出了新的需求：通过超声精密测量螺栓伸长量而获得准确螺栓预紧力的方式，需要精确地知道螺栓的原始长度（微米级）。这对于数量众多的已安装螺栓，在不拆卸螺栓的情况下，怎么测量其螺栓预紧力呢？北京艾法斯特公司的研发人员给出了明确的答案：“这是可以的！使用我们艾法斯特公司专利技术研发的双波探头，可以向螺栓中发射超声纵波、横波，我们一般称之为双波技术，通过测量纵波、横波发射接收的声时比，就可以在不拆卸螺栓的情况下快速地测量螺栓轴力…这个有一些不可思议的原位测量螺栓轴力的技术，根源于我们称之为声弹效应的物理规律，即：螺栓轴力会使得超声纵波的波速下降，横波波速增加…而超声横纵波的声时比与螺栓轴力之间存在比例关系…”。

在过去的5年中，随着螺栓预紧力获得了工业界的广泛重视，对于关键部位螺栓的轴力监测，成为了工业用户的刚需，如：风电行业的叶根螺栓、塔筒螺栓。针对此需求，北京艾法斯特公司再接再厉研发了物联网版的螺栓预紧力监测设备，目前此系统已经部署在风机、水轮机等关键部位螺栓上，获得了广泛地好评。

北京艾法斯特的研发人员告诉我们：“技术创新是企业生存、发展的王道！对于螺栓而言，预紧力、预紧力、还是预紧力，是螺栓的唯一使命！在螺栓的生命周期中，螺栓初次紧固是否达到设计轴力，是最为关键的…在整个工业体系中，最重视螺栓紧固的行业就是汽车行业。汽车底盘、结构上的一些重要螺栓，一次装配百万公里免维护，这是为什么？都是因为这颗螺栓在初次紧固时，达到了设计轴力。螺栓不松不断、一松就断，这是螺栓的特性。这也是为何一辆价格只有几万元的汽车，跑了几十万公里，也鲜有发生螺栓失效事故的原因。为了解决螺栓在初次紧固的时候，达到设计轴力，我们研发了一种具有专利保护的超声智能套筒-iSocket，它能够在螺栓紧固的时候，实时测量螺栓轴力，达到设计轴力后，可以手动或者自动地让扭矩扳手停止紧固；iSocket免除了扭矩系数离散导致螺栓轴力偏差较大的问题，对螺栓无要求，同时由于其具有标准套筒接口，对紧固工具也无要求。…这对于电力、石油石化等法兰螺栓的紧固有革命性的意义！”

螺栓是工业产品最小的组成部分，数量众多，直接关系到工业产品的安全性、可靠性。无论是用扭矩法、拉伸法、屈服点法、扭矩转角法紧固螺栓，螺栓轴力是终极目标，要不忘初心！由北京艾法斯特公司研发的系列超声螺栓轴力测量产品，让一颗颗螺栓聪明了起来，做一颗具有雷锋精神的螺丝钉，智能制造要从螺栓做起！