螺栓松動故障監測實驗研究綜述

宮 濤，楊建華，莊絮竹，劉后廣

（中國礦業大學機電工程學院，江蘇省礦山機電裝備重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

1 引言

螺栓連接結構因其可拆卸、承載力強、成本低、能適應惡劣環境等特點被廣泛用于各種連接結構，在土木、機械、航空航天等領域應用廣泛。但是，大多數連接結構，比如：航天器連接板件［1-2］、鋼架結構連接部分［3-4］、轉子系統［5-6］、管道連接部分［7-8］，風電機組連接［9-10］等，在工作時由于安裝不當、動態載荷、腐蝕等情況，螺栓不可避免地發生松動甚至折斷。據統計報道，在機床領域每年大約有20%的機械系統故障是由于螺栓或緊固件的松動造成的，而且10%的機器壽命與螺栓松動有關［11］。螺栓連接松動最終造成螺栓的脫落或折斷，設備損壞，造成大量的經濟損失，甚至造成人員傷亡。因此，對重要結構在服役期間的螺栓結構進行實時的狀態監測，對于降低事故的發生率和預防重大事故具有十分重要的工程價值。

針對典型的螺栓連接結構，許多學者在損傷識別與量化分析、狀態監測等方面進行了大量研究，其中螺栓連接損傷識別與狀態監測主要有3種方法：基于導波技術、基于振動技術、基于壓電阻抗技術的方法。這3種方法廣泛應用于螺栓松動的識別與監測中，隨著人工智能技術、圖像處理技術等的發展，一些學者將圖像處理技術、人工智能技術與之結合進行研究，取得了豐富的成果［12-15］。由于實驗原理的不同，搭建的實驗臺也不相同，上述的方法經過實驗驗證取得了良好的效果。螺栓松動監測方法對比，如表1所示。

這里對螺栓松動損傷識別與故障監測的典型實驗研究進行綜述，系統介紹基于導波技術、振動技術、壓電阻抗技術以及一些其他技術的實驗研究，側重于實驗研究的介紹，對實驗臺做了總結，對該方向將來的實驗設計研究以及研究方向做了總結與展望，目的是完善對實際工程中不同類型的螺栓連接結構的實驗研究，為實驗設計提供參考，并推動理論研究應用到實際工程中。

2 基于導波技術的螺栓松動實驗研究

導波技術興起于20世紀90年代，之后在無損檢測領域有了顯著的發展，關于導波的基本理論、數值計算與模擬以及實驗技術取得了長足的進步［16］。在結構健康監測（Structural Health Moni‐toring，SHM）中主要是指超聲機械波通過有界結構介質傳播對結構進行損傷識別與狀態監測［17］?；趯Р夹g對螺栓松動的研究成果比較豐富，主要的方法有非線性超聲方法、線性超聲方法。其中，非線性超聲方法又包括振動聲調制方法（Vibro-Acoustic Modulation，VM）、沖擊調制方法（Impact Modulation，IM）、混沌超聲激勵方法，線性超聲方法主要集中于導波能耗散方法（Wave En‐ergy Dissipation，WED）、壓電時間反演法（Time Reversal，TR）。

2.1 基于非線性超聲方法的典型實驗研究

非線性超聲方法主要有振動聲調制、沖擊調制方法、混沌超聲激勵方法，前兩者最主要的區別是振動聲調制是采用一個穩定的簡諧激勵，沖擊調制采用一個沖擊激勵來激發系統的固有模態信息，前兩種方法是利用連接結構的非線性特征，最后一種方法是采用主動非線性信號激勵的方式，在螺栓監測中都得到了良好的應用。非線性超聲方法主要利用螺栓松動時結構的非線性因素對螺栓連接的扭矩水平進行識別和定量分析，實現螺栓的松動監測。

屈文忠等提出基于亞諧共振的螺栓松動識別方法［18］，信號發生器產生信號作用在壓電片上，產生超聲波通過螺栓連接結構，利用螺栓連接結構處的非線性作用對螺栓松動進行識別。實驗臺設置［18］，如圖1所示。該實驗臺由兩塊鋁板（400×90×2）mm、信號發生器、電壓放大器、示波器以及壓電片組成，鋁板下面加裝2塊海綿，目的是模擬自由邊界以消除邊界的非線性對實驗的影響。該實驗搭建了一個雙梁單螺栓結構，可以實現超聲波的產生與接收，驗證了理論的正確性。

圖1 螺栓松動檢測實驗臺Fig.1 Experimental Platform of Bolt Looseness Detection

但是有時螺栓的扭矩損失很小，非線性作用不明顯，為了激發連接界面的非線性特征，需要很大的導波幅值，由于壓電元件的激勵幅值一般較小，很難激起結構本身的非線性，而振動激勵通常幅值比較大，可以滿足激勵源的要求，因此很多學者將振動技術與導波技術結合，提出振動聲調制、沖擊調制的方法。

文獻［19］針對復合材料的螺栓連接松動，提出了一種基于振動聲調制的螺栓連接結構完整性監測方法；文獻［20］針對鐵板的螺栓松動研究了基于振動聲調制的螺栓松動識別方法，并與壓電時間反演法進行對比，結果表明振動聲調制方法對螺栓的早期松動比較敏感。實驗臺設置［20］，如圖2 所示。由激振器、2 塊壓電片、3塊鋁板（245×30×2.8）mm、2個M6螺栓、信號發生器以及功率放大器組成，整體結構為懸臂梁，最左端是自由端，最右端由夾持裝置夾持，該實驗搭建了一個三梁雙螺栓結構，既對雙梁單螺栓結構進行了研究，又對三梁雙螺栓結構進行了研究，該實驗臺相對于之前的雙梁單螺栓結構實驗臺檢測的結構更復雜，功能更全。

圖2 振動聲調制實驗臺Fig.2 Experimental Platform Based on Vibro-Acoustic Modulation

振動聲調制實驗需要產生幅值較大的低頻激勵，一般采用激振器激勵的方式，適合在實驗室條件下進行研究，在實際工程中應用比較困難。一些學者對振動激勵的方式做了新的研究，文獻［21］提出一種非線性超聲方法對螺栓實時在線監測，對振動聲調制實驗臺做了改進，改變了傳統的振動激勵方式（利用激振器激勵），用成本低、可以永久安裝的鋯鈦酸鉛貼片（PZT2）代替了傳統的激振器，成功實現了振動聲調制實驗，實驗臺設置［19］，如圖3、圖4所示。

圖3 振動聲調制實驗臺Fig.3 Experimental Platform of Vibro-Acoustic Modulation

圖4 螺栓連接結構和扭矩扳手Fig.4 Bolt Connection Structure and Torque Wrench

該實驗臺由3塊壓電片（PZT1、PZT2、PZT3）、強度等級為6.8的M8螺栓和螺母、2塊鋼板（20×5×4）mm、海綿、信號發生器、電壓放大器、計算機組成，其中PZT1用于產生高頻激勵，PZT2用于產生低頻激勵，激發連接結構的一些固有模態信息，PZT3用作信號接收器，接收通過結構的超聲波信號。實驗臺的創新之處在于，使用鋯鈦酸鉛貼片（PZT2）代替了傳統的激振器，可以內嵌在結構中實現實時連續監測，對于大型設備結構的螺栓組結構健康監測有重要意義。

沖擊調制是基于非線性的方法，最開始是用于檢測板類細小裂紋［22］，之后被廣泛用于各類板件的裂紋與縫隙檢測中［23-25］，根據假設，螺栓連接部分松動使系統響應比未松動的系統表現出更多的結構非線性，學者將沖擊調制引入到螺栓松動檢測與量化評估當中，并且得到了驗證。

文獻［26］使用沖擊調制來評估螺栓連接的狀態，從理論和實驗來證明方法的可行性，并且之后用于衛星結構的螺栓組松動監測，對松動程度進行量化［27］。搭建的實驗臺，如圖5所示。實驗臺由2 塊AL 6061-T6 梁（298×19×64）mm、1 個M10 螺栓、PCB 086C01 力錘、壓電致動器、信號采集裝置組成，其邊界端被固定，在沖擊調制中利用力錘對梁產生沖擊，壓電致動器產生高頻探測信號，通過壓電型加速度傳感器進行響應測試。實驗結果表明，利用沖擊調制可以實現對該結構螺栓扭矩水平的量化。模擬衛星結構搭建的實驗臺［26，37］，如圖6、圖7所示。在平板上用螺栓組固定一個板面，通過調整沖擊位置、激勵位置以及傳感器位置來對螺栓組的螺栓松動進行識別與定量分析。

圖5 基于沖擊調制的實驗臺Fig.5 Experimental Platform Based on Impact Modulation

圖6 衛星面板實驗設置頂面Fig.6 Topside of Satellite Panel Experimental Setup

圖7 衛星面板實驗裝置底面Fig.7 Underside of Satellite Panel Experimental Setup

2.2 基于線性超聲方法的典型實驗研究

線性超聲方法包括波能耗散法、壓電時間反演法等，波能耗散法主要依據通過被測結構的導波透射能量與螺栓的扭矩水平成正比的理論，忽略結構的非線性因素，利用通過螺栓結構透射的導波來對螺栓連接結構進行監測；壓電時間反演法主要利用時間反演法的信號聚集特性，提高所需特征信號的信噪比，選擇合適的指標實現對螺栓松動程度的精確量化。

文獻［28］提出了一種線性方法，給出了C-C（Carbon-Carbon）復合熱保護器螺栓連接松動狀態下損傷量的定量分析結果，得出了通過接觸面的導波能量與實際的接觸面積成正比的結論，接觸面積隨著螺栓扭矩的增大而增大，并且對該理論進行了實驗驗證［29］。熱保護器的螺栓連接結構，如圖8所示。

圖8 C-C熱保護器螺栓連接結構Fig.8 C-C Bolt Connection Structure of Thermal Protector

實驗設置［29］，如圖9、圖10所示。該實驗臺的C-C面板配備了傳感器網絡，安裝在振動篩上，在螺栓連接結構處加入了PZT嵌入式傳感器墊圈構成傳感器網絡，內部墊圈嵌入PZT陶瓷并引導其發出的診斷波，以可控的方式承受面外加速度，螺栓安裝點與加速度計，如圖10所示，結果表明該方法能夠定位松動支架，識別失效模式，實現了螺栓扭矩水平預測。

圖9 振動測試配置Fig.9 Shaker Test Configuration

圖10 螺栓安裝點與加速度計的位置Fig.10 Location of the Mounting Points and Accelerometers

之后很多學者基于文獻［29］提出的線性理論做了研究，大部分集中于對梁類搭接結構的螺栓連接狀態的研究，其中，文獻［30］利用彈性波對螺栓連接結構狀態進行評估，對簡單的雙梁單螺栓結構進行了理論分析與實驗驗證，實驗表明信號能量隨著螺栓扭矩的增加而有規律地增加。實驗設置［30］，如圖11所示。

圖11 搭接測量的實驗裝置Fig.11 Experimental Setup for Lap-Joint Measurements

該實驗臺由2塊鐵板（6.2×59.8×404）mm、2個強度等級為5.6級的M12鋼螺栓、采集裝置組成，兩端固定在鋼框架中模擬固定邊界，保證螺栓在松動和擰緊時的位置穩定，該結構也是簡單的雙梁單螺栓搭接結構。

文獻［21］將非線性方法與線性方法進行對比，分別定義了線性指標和非線性指標，實驗結果表明，線性指標對螺栓搭接的類型比較敏感，在早期的松動檢測中效果比較局限。優點是檢測方法比較簡單，實驗設置簡單，搭建的實驗臺［21］，如圖12 所示。與非線性振動聲調制方法的實驗臺相比，沒用使用激振器。

圖12 基于波能耗散的線性超聲方法實驗臺Fig.12 Experimental Platform of Linear Ultrasonic Method Based on Wave Energy Dissipation

該實驗臺由2塊壓電片、3塊鋁板（245×30×2.8）mm、2個M6螺栓、信號發生器以及功率放大器組成，與之前利用超聲波非線性特性的實驗臺相似，采用懸臂梁的結構，對螺栓連接類型進行了拓展，既有雙梁單螺栓結構，又有三梁雙螺栓結構，實驗臺設置簡單，易于實驗室操作。

壓電時間反演法的主要作用是減少導波的頻散、多模態等的影響，增強特征信號的聚焦效果，提高了信噪比，在螺栓松動故障監測中應用廣泛。在理論的基礎上，也有很多學者采用該方法，提高了對螺栓連接狀態的檢測精度［31，32］。

文獻［33］針對梁類搭接的螺栓連接結構進行了研究，王濤等研究了基于壓電時間反演法的螺栓松動檢測技術，利用時間反演的方法反演聚焦信號，可以有效地提高信噪比，結果表明基于壓電時間反演法的螺栓松動檢測技術有很好的應用前景。該實驗采用壓電材料分別作為激發器與接收器產生和接收超聲波信號，將采集到的信號在時域上反演，作為激勵信號再次發出，通過采集信號達到信號聚焦效果。實驗裝置［33］，如圖13、圖14所示。該實驗臺由計算機、采集裝置、CMT5105試驗機、壓電片（PZT1、PZT2）、試樣組成，其中，試樣由M16螺栓連接的兩金屬板件組成，板中加工定位銷/孔，便于更換上板件材料，研究不同粗糙度信號接收的影響，通過試驗機對螺栓頭部的加載來精確模擬螺栓的軸向預緊力。

圖13 實驗整體設置Fig.13 Overall Experimental Setup

圖14 實驗試樣Fig.14 Test Sample

還有一些學者針對復雜多螺栓結構進行了松動識別和定位研究，其中，文獻［34］在模擬熱保護系統中提出了一種改進的時間反演法用于螺栓松動監測，在復雜多螺栓連接結構中對松動螺栓定位，該方法提高了時間反演后的聚焦信號對損傷狀態的靈敏度，實驗結果表明，該方法能夠實現多螺栓結構螺栓松動識別與定位。實驗設置［34］，如圖15所示。

該實驗臺由信號放大器、多功能DAQ 系統、扭矩扳手、2 塊Q235 鋼薄板（450×385×3）mm，（335×335×3）mm、12 個M6 的螺栓、4個TPS結構（熱保護系統面板結構）和計算機組成，模擬多螺栓連接結構，利用PZT貼片來驅動和接收波信號，通過計算機來分析和處理信號。

前面介紹了一些梁類搭接結構、多螺栓板類結構實驗研究及裝置，工程實際中螺栓連接結構不盡相同，比常見的還有法蘭螺栓結構。管道廣泛應用于石油、天然氣、城市自來水管道系統中，在工程中意義重大，其主要連接方式是法蘭螺栓連接，當螺栓連接松動時會導致泄露，造成大量損失，因此針對法蘭螺栓松動的研究具有一定的實際意義和工程價值。

文獻［35］針對法蘭連接結構提出了一種超聲導波監測方法，該方法利用導波的均方根偏差作為指標進行松動監測，通過均方根偏差值的大小及其分布可以初步判斷松動螺栓的位置，實驗設置，如圖16所示。

圖16 實驗設置及試件Fig.16 Experimental Setup and Specimens

實驗臺由2節鋁合金制管道法蘭結構、12個M6螺栓、8個壓電片（其中4個用于產生激勵信號，4個用于接收激勵信號）、電壓放大器、采集裝置、扭矩扳手、泡沫塑料組成，2 組壓電片分別置于螺栓連接結構的兩側，實現了對螺栓法蘭結構的螺栓松動的監測與定位。

基于導波技術的螺栓松動識別與監測的研究成果豐富，實驗設置的類型有很多，目前主要集中于梁類搭接結構（雙梁單螺栓結構、雙梁雙螺栓結構、三梁雙螺栓結構）、螺栓板類結構、法蘭螺栓結構，這些結構在工程中得到廣泛應用，一定程度上都實現了螺栓的松動識別和監測，但是針對復雜結構的螺栓松動研究較少，這些結構在工程中應用更加廣泛。

3 基于振動技術的螺栓松動實驗研究

振動技術是比較傳統的技術，被廣泛用于設備狀態監測與故障診斷［36］。在螺栓松動故障識別與監測方面，基于結構振動的方法主要是采用振動的方式提取螺栓松動前后結構的特征頻率、傳遞函數、功率譜等的變化，對螺栓連接狀態進行分析與判斷［37］?；谡駝拥姆椒ㄍǔ２捎媒佑|式激勵，即采用力錘或壓電材料激勵結構確定頻率響應，其中使用力錘的方法依賴于技術人員的經驗，重現性比較差；壓電元件需要粘貼到結構上，對于大型結構，布置比較復雜；許多學者對非接觸式的方法進行了研究［38，39］，其中非接觸式激光激勵的振動系統有很高的測量重現性，還可以測量高頻振動，對螺栓的松動十分敏感。

3.1 基于接觸式振動技術的典型實驗研究

一些學者采用接觸式激振方式對結構進行振動激勵，其中曹芝腑等在高溫振動環境中對螺栓松動進行了判別［40］，利用振動控制系統、溫度控制系統和測量系統對復合材料螺栓連接狀態進行評估，復合材料螺栓搭接板件及實驗設置［40］，如圖17、圖18所示。

圖17 復合材料螺栓搭接板Fig.17 Composite Material Bolt Lap Plate

圖18 高溫振動試驗系統和試驗系統布置Fig.18 Experimental System and Arrangement of High-Temperature Vibration

該實驗臺主要由溫度控制系統、振動測量系統、振動控制系統組成，通過溫度控制系統控制實驗的溫度，模擬高溫工作條件，復合材料搭接板件一側采用夾具夾持，另一側為自由端，為懸臂梁結構，振動控制系統采用振動臺激振，最后通過光幕式激光位移計進行測試，通過定義高溫松動指標，實現了在高溫振動環境下復合材料螺栓連接結構的松動判別。

3.2 基于非接觸式振動技術的典型實驗研究

一些學者對非接觸式振動激勵方式進行了研究，其中Huda等利用非接觸式激光激振實驗對螺栓松動進行診斷［41］，利用YAG 脈沖激光在結構表面產生理想的脈沖，可以激發結構的高頻振動響應，通過對頻率響應數據的統計評價，引入新的損傷指標，通過仿真與實驗證明了該方法的有效性，該方法可以檢測六螺栓連接懸臂梁中松動螺栓的位置。其中，實驗設置［41］，如圖19所示。

圖19 使用高功率脈沖激光振動測試Fig.19 Vibration Testing Arrangement Using the High Power Pulse Laser］

該實驗臺由YAG脈沖激光器、反射鏡、凸透鏡、虎鉗、試樣、加速度計、頻譜分析儀、計算機組成，通過脈沖激光器產生激光通過反射鏡反射，沿著路徑最后通過凸透鏡傳到螺栓連接結構，采用加速度計采集振動信號進行分析?；谡駝蛹夹g的螺栓松動檢測方法很多與導波技術相結合，有振動聲調制技術等，目前已證明了該方法有效性，還有一些方法是基于結構的振動特性對螺栓連接松動前后的固有特性進行研究的，由于通常結構的固有頻率較高，采用激振器、振動篩等激振設備很難激發結構的一些固有模態信息，所以采用常規振動方法對螺栓松動檢測的研究比較少。

4 基于壓電阻抗的螺栓松動實驗研究

壓電阻抗方法（Electromechanical Impedance Method，EMI）是目前常用的一種無損檢測方法，對螺栓松動等損傷比較敏感，在螺栓松動監測與損傷識別方面發展迅速，可以實現對螺栓松動的量化分析與定位。其主要原理是壓電材料與機械結構有獨特的耦合特性，當結構發生破壞或損傷時，結構的強度、剛度等發生變化，機械阻抗也會改變，通過耦合方式表現為壓電阻抗，通過測量壓電阻抗信息就會得到機械阻抗信息，從而對結構破壞或損傷進行分析與判斷。

文獻［42］最早提出了阻抗分析的方法用于材料的動態分析，建立了PZT壓電片與梁結構的耦合模型，做了一些數值分析，并提出機電耦合的結構壓電阻抗分析方法，將結構與壓電材料耦合簡化為單自由度彈簧-質量-阻尼系統，獲得了壓電材料與結構耦合的阻抗表達式［43］。之后很多學者將阻抗分析的方法引入螺栓松動監測中，取得了很好的效果［44］。

文獻［45］基于壓電阻抗法對螺栓組進行松動監測以及識別，以大型起重機等的結構中的螺栓組為研究對象，用阻抗分析儀分析壓電片的阻抗特性，采用均方根值作為指標，可以實現螺栓組松動螺栓的基本定位，開發了新的實驗平臺［45］，如圖20所示。

圖20 基于HP4395A網絡頻譜阻抗分析儀的實驗平臺Fig.20 Experimental Platform of Network Spectrum Impedance Analyzer Based on HP4395A

該實驗平臺由HP4395A 精密網絡頻譜阻抗分析儀、PZT 壓電陶瓷片、計算機以及強度等級為8.8級的M12螺栓組及墊片、兩塊Q235 鋼板（400×200×8）mm 組成。采用高頻掃描頻率，通過PZT壓電陶瓷片的阻抗信息來反映螺栓扭矩變化，實現了螺栓松動的定量分析，對分布式螺栓組進行定位。

文獻［46］提出了基于壓電阻抗頻率變化的螺栓松動監測方法，在螺栓頭部安裝壓電材料，采用試樣機對螺栓的預緊力進行精確模擬，實現了對壓電材料導納譜的頻率與螺栓預緊力的定量分析，發現隨著螺栓預緊力的增大，壓電阻抗峰值頻率降低，呈現線性關系，可以實現對螺栓松動程度進行定量分析。實驗裝置及設置［46］，如圖21、圖22所示。

圖21 實驗測試裝置Fig.21 Experimental Test Device

圖22 實驗設備及儀器Fig.22 Experimental Equipment and Instruments

圖23 實驗設置Fig.23 Experiment Setup

該實驗臺由精密阻抗分析儀、電子拉伸試驗機、2個側面螺栓、1對中間螺栓（上、下）和2塊夾具平板以及計算機采集平臺組成，試驗機通過夾持中間螺栓（上、下）對螺栓作用軸向載荷模擬預緊力，比扭矩扳手精度更高，通過夾具使載荷均勻分布，作用到兩側面螺栓上，布置壓電片與螺栓結構形成耦合結構。

由于壓電阻抗分析方法檢測范圍較小，采用壓電片粘貼在螺栓連接結構附近，粘貼不方便，對于復雜結構的監測比較困難。因此，一些學者采用壓電智能墊圈代替壓電片，監測精度更高，更方便。其中，文獻［47］提出了基于阻抗的壓電陶瓷智能墊圈的螺栓預緊力監測方法，在實驗研究中，采用壓電陶瓷制作了螺栓的連接試件，選擇阻抗信號的均方根偏差（RMSD）作為松動指標，實驗結果表明，隨著螺栓連接的預緊力降低，螺栓與壓電片耦合部分的諧振頻率也隨之降低，這說明該方法對于螺栓松動監測的有效性，實驗設置［47］，如23圖所示。

實驗臺主要由智能墊圈、阻抗分析儀、計算機、2塊鐵板、1個M15的螺栓以及扭矩扳手組成，智能墊圈裝入螺栓連接結構中，針對不同的螺栓扭矩水平采用阻抗分析儀分析耦合部分的阻抗信號，實現了對螺栓松動的監測。

基于壓電阻抗技術的螺栓松動識別與監測的研究成果也比較多，實驗設置的類型有很多，目前主要集中于螺栓板類結構，該技術對結構的微小損傷比較敏感，而且可以用于在線監測，但是大多集中于實驗室研究階段，對于復雜結構的松動損傷識別與監測研究較少，實際工程中的應用研究還需要進一步研究。

5 其他的一些技術

這里主要介紹基于人工智能技術、圖像處理技術的螺栓松動監測方法以及一些現場實驗的方法，這些技術應用比較廣泛，其中人工智能技術、圖像處理技術等發展迅速，與很多學科結合實現了新的發展；現場實驗研究是以后的發展方向，之前許多學者在實驗室中使用很多方法實現螺栓松動故障的識別及監測，能否在工程現場使用、使用效果如何都不確定，需要進一步現場實驗來判斷方法的好壞，最終走向工程應用。

5.1 基于人工智能技術的典型實驗研究

隨著人工智能、圖像處理等技術的發展，許多學者將這些先進的技術與螺栓松動檢測相結合，相對于傳統的檢測方法，這些新興技術在螺栓松動故障識別和監測中有著獨特的優勢，比如：降低了故障的誤判率，提高了識別的精度等。文獻［48］采用基于熵值的主動傳感和遺傳算法的最小二乘支持向量機的方法來監測多螺栓連接松動，提出了一種新的基于多元多尺度模糊熵的損傷指數，然后使用最大相關最小冗余原則從基于熵的損傷指數中選擇重要特征來構造數據集，通過最小二乘支持向量機訓練分類器來檢測螺栓是否發生松動，實驗儀器及設置［48］，如圖24、圖25所示。

圖24 實驗儀器Fig.24 Experimental Apparatus

圖25 實驗裝置示意圖Fig.25 Diagram of Experimental Setup

該實驗對兩種結構進行螺栓松動的故障監測，結構1由兩個鋁梁（230×40×5）mm搭建，采用3個M8的螺栓（B1、B2、B3）連接，實驗臺由鋁梁、M8 螺栓、計算機、扭矩扳手、壓電片（PZTA、PZTB）、NI數據收集系統、信號放大器組成，如圖24所示。結構2，試件由2塊鐵板（150×150×5）mm搭建，模擬在鋼架結構連接時的多螺栓結構，這種結構在工程中比較常見，由4 個M8 螺栓連接。通過壓電片A產生激勵信號，壓電片B接收激勵信號，之后對信號進行分析，如圖25所示。

還有一些學者結合圖像處理技術對螺栓松動進行檢測，其中，文獻［49］使用Viola-Jones 算法進行了基于視覺的全自動松開螺栓檢測研究，可以用來克服接觸式、非接觸式傳感器的一些弊端，比如：溫度、濕度等環境條件對檢測結果的影響，對定位的螺栓圖像進行自動剪裁和二值化，計算螺栓頭尺寸以及外露的桿長，將這些特征信息進行提取輸入到支持向量機中，生成對松緊螺栓的決策邊界，之后對螺栓松動進行檢測。其實驗設置［49］，如圖26所示。實驗選擇了8個不同的螺栓在工字鋼上檢測，圖26介紹了相機的高度、角度、工字鋼的尺寸、螺栓位置，首先對該結構拍照，對螺栓位置進行定位，采用上述的方法對不同的螺栓進行松動檢測?；趫D像處理技術及其相關技術對實驗設備要求較低，不需要外加任何的測試裝置，通常對結構的螺栓連接部分進行拍照，對圖像進行圖像分割與特征提取，一般采用支持向量機對分類器進行訓練，之后用于螺栓松動的檢測，但是拍照的時候要盡量避免陰影，以免定位不準確造成誤判。

圖26 實驗設置Fig.26 Experimental Setup

5.2 一些現場實驗的研究

螺栓松動會造成很多工程問題，許多工程問題需要現場實驗解決，大部分是結合之前的3種技術，實際結構比較復雜，實驗難度更大，用于解決工程實際問題，對于研究人員來說是十分必要的，也是以后研究發展的方向。

許多學者開展了現場實驗研究，其中，文獻［50］提出了基于壓電導納的鋼框架螺栓松動檢測研究方法，利用壓電導納技術，對現場的鋼框架結構進行了螺栓松動測試，采用3個壓電陶瓷片粘貼于框架節點處的不同構件表面，通過測量各壓電片在螺栓松動前后壓電導納變化來識別損傷。采用壓電片測量阻抗信息，實現對螺栓松動的識別與定位。文獻［51］針對輸電鐵塔螺栓松動進行了研究，利用激振器、光纖振動傳感器系統開展了對輸電鐵塔的螺栓松動現場測試實驗，采用回彈儀作為激振器，通過光纖光柵振動傳感器測得振動信號，改變不同的工況，對比了螺栓松動前后的振動信號，判斷螺栓松動情況，現場測試試驗［51］，如圖27所示。

圖27 測試現場Fig.27 Test Site

研究人員選定好研究的基座，將傳感器布置與其中一個基座上，將傳感器與計算機相連，進行信號采集，最后通過對振動信號的分析來判斷基座螺栓的松動情況。

6 結論

這里系統介紹了螺栓松動故障狀態監測的一些典型實驗研究以及實驗設置，歸納了目前主要研究的螺栓連接結構以及一些方法，對未來研究方向提出一些展望：

（1）目前針對螺栓松動損傷識別和健康狀態監測的文獻主要集中于對鋁梁搭接處的螺栓監測，對木結構、鋼梁、復合材料也有一些研究，針對復合材料的較少，復合材料廣泛應用于航空航天領域、汽車工業、化工、紡織和機械制造領域，在工業中有很大的應用空間，是以后研究的重點；

（2）研究的結構大部分為雙梁單螺栓結構以及一些平面板上多組螺栓結構、管道連接處的螺栓結構，研究的結構比較簡單，條件較為理想，但是很多重要結構在惡劣工況下服役，比如航天發動機、衛星結構等，在復合故障下的螺栓結構監測很少，需要對其進行研究；

（3）目前針對螺栓結構損傷的方法主要集中于基于超聲導波的方法，基于振動聲調制技術的螺栓結構損傷監測有一定優勢，在螺栓損傷方面有較大的潛力；隨著人工智能、機器學習技術、圖像處理技術等的發展，越來越多的學者將這些先進的技術用于螺栓松動的檢測中，達到了比較好的效果，是以后發展的方向。