CN106931872A - 一种监测风机塔筒倾翻负荷的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种监测风机塔筒倾翻负荷的系统及方法，包括：在风机塔筒上节选塔筒段作为监测区段，在监测区段内沿圆周均匀配置多条以纵向张紧于塔筒壁上电阻丝，使各电阻丝以有效张紧长度的变化量同步监测区段上各方位点在工作负载下的变形量，通过监测各条电阻丝的电阻变化量取得对监测区段多参照位点的负载变形数据，并依据由监测区段负荷应变模型和塔筒全高有限元模型所解析出的安全限值实现对塔筒倾翻负载的安全监测。其以电阻丝对区段长度上的风机塔筒负载形变进行宏观尺度的监测，避免了采用在塔筒壁粘贴应变片监测所受到的筒壁局部组织差异影响，以及粘贴质量及时效性影响等问题。本发明易于施行，方便检校，且稳定可靠、成本低廉。

Description

一种监测风机塔筒倾翻负荷的系统及方法

技术领域

本发明涉及应力测量技术领域，具体而言，涉及一种监测风机塔筒倾翻负荷的系统及方法。

背景技术

风力发电机组的风机塔筒安全监测不仅涉及昂贵的设备财产保全，也关系着风电企业和电网的正常生产运营。近年间发生的数起风机恶性倒塔事故，其影响和带来的直接财产损失均十分巨大，因此风机塔筒安全问题日益成为风电设备管理的重点关注问题之一。

而有关风机塔筒的安全负载监测目前尚未有成熟方案。构想中的技术路线是通过风机塔筒形态在线监测系统对风机塔筒形变(或应力)进行监测，在监测到风机塔筒出现危险形变(或者危险应力)时，适时调控风机运行姿态，以减弱风机塔筒的工作负载，避免出现风电机级倾覆的重大灾害事故，是目前探索的运行安全模式。

虽然风机选型及风机塔筒设计均根据所在风场的测风数据进行了科学的载荷计算及特性匹配，但由于自然风的复杂性，特别是风的波动性，以及风切变、风湍流的影响，人们已经发现仅通过风速测量难以对运行中的风机塔筒负荷进行有效估量。因此，如何在风电机组运行中通过对塔筒负荷的有效实时监测，及时预判风险，控制风机进入运行规避显得尤为重要。

现行相关技术中，监测风机塔筒形变或者风机塔筒应力的方法是：在风机塔筒顶部或机舱架底部装设倾角传感器，通过该倾角传感器监测参考平面因风机塔筒受力挠曲引起的变形倾角，依据该变形倾角进行与风机塔筒负荷应力相关的预警监测。

但，上述监测方法存在如下问题：①风机工作以及受风力引起的风机塔筒顶端参考平面倾斜，并非静力稳定态。风力的瞬时波动，风速分布的不均匀以及庞大叶轮的动平衡偏差等均会导致风机塔筒的晃动或者摇摆；因而，通过基于重力探测方式工作的倾角传感器无法在实际测量中排除风机塔筒晃动、摇摆时的横向“加速度”影响。②风机塔筒本身刚性极大，计算表明其在极限负载条件下的顶部挠变角仅有1°～2°，即便从静态看，倾角传感器也难于实现有效的鉴别精度；或者说，从控制目标衡量，无论是工程意义上的设置精度，还是实际控制中的偏差影响，都将很大程度的影响监测控制的有效性。

为了解决上述倾角传感器存在的问题，理论研究上还提供了一种监测风机塔筒形变或者风机塔筒应力的方法，即在风机塔筒壁上贴应变片，但，这种方法对于风机塔筒这种大型结构体存在如下问题：①应变片只能测量局部点的应力；而风机塔筒作为大型粗制构件，其微小局部间的组织及材性差异难于控制，不可避免的影响在有关参照点贴应变片所获测量值间采取综合运算处理的可信度。②或为了抑制前述①中的偏差，在各个参照点粘贴大量应变片进行数据综合，这时则会带来系统复杂、成本高企，和增大日后维护难度。③风力发电机组普遍要求≥20年低维护长效运行，粘贴的应变片很难在如此漫长的时间内经受陪伴风机耐受温差、湿度变化以及风场气象侵蚀下保持测量稳定，不出现开粘和老化变质问题。

综上，发明人通过在相关领域的研究实践认为：行业中至今尚未有相关风机塔筒安全监测的理想有效的技术解决方式。

发明内容

本发明提供了一种监测风机塔筒倾翻负荷的系统及方法，其通过在塔筒上节选塔筒段作为监测区段，在监测区段内沿圆周均匀配置多条以纵向张紧于塔筒壁上电阻丝，使各电阻丝以有效张紧长度的变化量同步监测区段上各方位点在工作负载下的变形量，通过监测各条电阻丝的电阻变化量取得对监测区段多参照位点的负载变形数据，并依据由监测区段负荷应变模型和塔筒全高有限元模型所解析出的安全限值实现对塔筒倾翻负载的安全监测。

第一方面，本发明实施例提供了一种监测风机塔筒倾翻负荷的系统，包括：风机塔筒、电阻丝、测控单元和监控系统；

在圆形截面的所述风机塔筒上纵向节选监控区段，并在所述监控区段中以区段高度为跨距，沿纵向贴近风机塔筒壁固定并张紧电阻丝；所述电阻丝沿所述监控区段圆周均匀布置多条，所述电阻丝的数量满足：对所述监控区段圆周各向求解纵向弯曲应力的数学分析模型对数据参照位点的需要；并且各条所述电阻丝被调整为具有相同的基准张紧阻值；

通过所述测控单元测定多条所述电阻丝的阻值相对于基准值的阻值变动量，得到各个所述电阻丝对应的所述监控区段圆周参照位点的负荷变形数据；通过所述数学分析模型对各个所述参照位点的负荷变形数据进行综合运算处理，得到所述监控区段圆周上的最大应变方向和最大应变值；

根据所述监控区段的材料力学特性，将所述最大应变方向对应的最大应变值转换为所述监控区段的最大即时应力；

通过所述监控系统实时监控所述最大即时应力的变化情况，并在所述最大即时应力大于等于区段危险应力限值时，启动监控预警；其中，所述区段危险应力限值是根据所述风机塔筒的整体有限元极限承载模型确定的。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述监控区段包括：所述风机塔筒中的特定区段，和/或，所述风机塔筒中的非特定区段；其中，所述特定区段包括所述风机塔筒中的典型危险区段。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，在所述监控区段中以区段高度为跨距沿纵向贴近风机塔筒壁固定并张紧至少3条所述电阻丝；通过所述测控单元分别对各条电阻丝的阻值变动量进行精确测量，并依据与所述参照位点的数量相关的数学分析模型对所述阻值变动量进行运算处理，得到所述监控区段的最大应变方向和最大应变值。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，在所述圆形截面的风机塔筒的监控区段中沿圆周均匀布置4×N条电阻丝，且N≥2，以组成N个十字轴交叉阻值监测全桥单元；

通过对N个阻值监测全桥单元的电桥平衡偏差数据测定，辅以对各相邻监测全桥单元的偏差数据比较及综合运算处理，得到对所述监控区段最大应变方向和最大应变值的系统监测。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，在所述圆形截面的风机塔筒的监控区段中沿圆周均布置8条电阻丝，将8条电阻丝以每4条电阻丝呈正交十字分布的设置方式组成两个监测全桥单元。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，在所述圆形截面的风机塔筒的监控区段中沿圆周均布置12条电阻丝，将12条电阻丝以每4条电阻丝呈正交十字分布的设置方式组成三个监测全桥单元。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，在所述监控区段中以区段高度为跨距沿纵向贴近风机塔筒壁固定并张紧电阻丝，要求：

所述电阻丝的基准张紧伸长量大于所述监控区段对应危险应力限值的最大压应力侧压缩变形量；且所述电阻丝最大弹性伸长量大于其基准张紧伸长量与所述监控区段对应危险应力限值的最大拉应力侧伸长变形量之和。

结合第一方面、第一方面的第一种可能的实施方式至第六种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述的监测风机塔筒倾翻负荷的系统，还包括固定部件；

所述电阻丝的两端均通过固定部件固定设置在所述风机塔筒的侧壁上；

或者，所述电阻丝的两端均通过固定部件固定设置在两个风机塔筒之间连接的法兰上；

或者，所述电阻丝的一端通过所述固定部件固定设置在所述风机塔筒的侧壁上，其另一端通过所述固定部件固定设置在两个风机塔筒之间连接的法兰上。

结合第一方面的第七种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述的监测风机塔筒倾翻负荷的系统，所述固定部件为滑轮。

第二方面，本发明实施例还提供了一种监测风机塔筒倾翻负荷的方法，包括：

在圆形截面的所述风机塔筒上纵向节选监控区段，并在所述监控区段中以区段高度为跨距，沿纵向贴近风机塔筒壁固定并张紧电阻丝；所述电阻丝沿所述监控区段圆周均匀布置多条，所述电阻丝的数量满足：对所述监控区段圆周各向求解纵向弯曲应力的数学分析模型对数据参照位点的需要；并且各条所述电阻丝被调整为具有相同的基准张紧阻值；

测量多条所述电阻丝的阻值相对于基准值的阻值变动量，得到各个所述电阻丝对应的所述监控区段圆周参照位点的负荷变形数据；

对各个所述参照位点的负荷变形数据进行综合运算处理，得到所述监控区段圆周上的最大应变方向和最大应变值；

根据所述监控区段的材料力学性状，将所述最大应变值转换为所述监控区段的最大即时应力；

实时监控所述最大即时应力的变化情况，并在所述最大即时应力大于等于所述区段危险应力限值时，启动监控预警；其中，所述区段危险应力限值是根据所述风机塔筒的整体有限元极限承载模型确定的。

本发明实施例提供的一种监测风机塔筒倾翻负荷的系统及方法，与现有技术中通过风机塔筒上预先粘贴的应变片监测风机塔筒应力相比，由于现有技术需要虑及塔筒壁局部组织间的微观性状差异影响，为保证监测精度有必要在所需测量参照点上粘贴多个应变片，并对各应变片采集数据进行离散分析和数据综合后使用，这样势必带来成本高企及稳定性和可靠性上的不得影响，而本发明实施例中利用电阻丝的区间跨距，并结合测控单元和监控系统直接组成宏观尺度的测量，可以消除在风机塔筒壁贴应变片监测所受到的筒壁局部材质性状差异、以及粘贴效果和时效影响；并且，电阻丝易于在风机塔筒上加装实施以及标定检校，具备高可靠性、稳定性且成本低。

进一步的，上述监测风机塔筒倾翻负荷的系统及方法，还包括通过构建N(N≥2)个呈十字轴交叉分布的阻值监测全桥单元，实现利用较少的测控单元对多条电阻丝有负荷测定意义的阻值变化监测的方案，优化了本技术的实施经济性和系统精度。

进一步的，上述监测风机塔筒倾翻负荷的系统及方法中，在节选的监控区段的风机塔筒层面上沿圆周均布电阻丝组成两组或者多组监测全桥单元，组成宏应变测量全桥，有效屏蔽了风机塔筒小尺度制造偏差的影响，且能够获得与监测目的吻合的精度与稳定性。

同时，本发明实施例中在节选的监控区段沿风机塔筒圆周布置多组(如三组或更多组)监测全桥单元，且每两个监测全桥单元均间隔预设鉴别角度设置，这种设置方式可以更精密的对监测到的数据进行插值修正，以及，在任意一组监测全桥单元失效的情况下，由其他监测全桥单元进行数据冗余校验，能够进一步提高监测可靠度和监控准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种监测风机塔筒倾翻负荷的系统的流程图；

图2示出了本发明实施例所提供的一组(包括两个)监测全桥单元的结构示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种在风机塔筒上安装两个监测全桥单元的俯视图；

图4示出了本发明实施例所提供的另一种在风机塔筒上安装两个监测全桥单元的俯视图；

图5示出了本发明实施例所提供的一种在风机塔筒上安装三个监测全桥单元的俯视图；

图6示出了本发明实施例所提供的安装电阻丝的风机塔筒的结构示意图；

图7示出了本发明实施例中通过固定部件安装电阻丝的结构示意图；

图8示出了图6中风机塔筒中区域O的局部放大图；

图9示出了本发明实施例提供的一种监测风机塔筒倾翻负荷的方法的流程图。

主要标号说明：

11、风机塔筒；12、监测全桥单元；13、电阻丝(本实施例图2中示出了8个电阻丝，包括13(1)、13(2)、13(3)、13(4)以及13(A)、13(B)、13(C)和13(D))；14、电源；15、检流计；16、固定部件；17、法兰。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

考虑到风机塔筒的安全问题，目前均是采用以风机塔筒形态在线监测系统对风机塔筒形变(或应力)进行监测，并在监测到风机塔筒出现危险形变(或者危险应力)时，适时调控风机运行姿态，减弱风机塔筒工作负载，避免出现风电机级倾覆的重大灾害事故。

对此，现有技术提供了在风机塔筒顶部或机舱架底部装设倾角传感器的方法监测参考平面因风机塔筒受力挠曲引起的变形倾角，但，该种方式存在背景技术中的①通过重力探测方式工作的倾角传感器无法在实际测量中排除风机塔筒晃动、摇摆时的侧向加速度影响；以及②倾角传感器也难于实现有效的鉴别精度，影响监测控制的有效性的问题。

针对上述倾角传感器存在的问题，理论研究上还提供了一种在风机塔筒上粘贴应力片的方法，而粘贴应力片的方式对于风机塔筒这种大型结构体存在如下问题：①应变片只能测量局部点的应力；而风机塔筒作为大型构件，小局部间制造差异不可避免的影响其应力测量值与理论控制量的偏差。②为了抑制①中的偏差，则需要粘贴大量的应变片，这种做法既会带来成本高企，也会增大日后维护难度。③通常来讲，应变片是通过树脂进行粘贴使用的，而粘贴的应变片很难在风机四季温差及干湿度变化、气象侵蚀下获得长期稳定的预警监控。

结合应力片的粘贴存在的上述问题，实际中，应力片只适合理论研究，并不适合实际工程应用。基于此，本发明实施例提供了一种监测风机塔筒倾翻负荷的系统及方法，下面通过实施例进行描述。

参考图1、图6和图8，本发明实施例提供了一种监测风机塔筒倾翻负荷的系统，包括：风机塔筒11、电阻丝13、测控单元和监控系统；

S101、在圆形截面的所述风机塔筒上纵向节选监控区段，并在所述监控区段中以区段高度为跨距，沿纵向贴近风机塔筒壁固定并张紧电阻丝；所述电阻丝沿所述监控区段圆周均匀布置多条，所述电阻丝的数量满足：对所述监控区段圆周各向求解纵向弯曲应力的数学分析模型对数据参照位点的需要；并且各条所述电阻丝被调整为具有相同的基准张紧阻值，即在塔筒未受倾翻负荷的基准平衡态，各电阻丝张紧后的阻值相同。

实际中，常用的风机塔筒的截面为圆形截面，由于风机塔筒的高度较高，而风机塔筒的各个高度层都可能会出现折断安全问题，因此，本发明实施例中首先在风机塔筒11上纵向节选监控区段，具体的，风机塔筒具有一定的高度，因此，本发明实施例对风机塔筒纵向节选监控区段，即沿着风机塔筒的高度方向节选监控区段。上述监控区段可以为一个，也可以为多个。并且，节选的上述监控区段可以为风机塔筒11中的特定区段，也可以为风机塔筒11中的非特定区段，还可以同时包括风机塔筒11中的特定区段和非特定区段；其中，上述特定区段为风机塔筒11中的典型危险区段，而除典型危险区段之外的其他区段均为非特定区段。

在节选了监控区段后，在节选的监控区段中布置电阻丝13；具体布置方法如下：以区段高度为跨距，沿风机塔筒11内壁圆周方向呈附着状态固定并张紧多条电阻丝13，使多条电阻丝13沿监控区段圆周均匀布置，同时要求布置的电阻丝13的数量需要满足对监控区段圆周各向求解纵向弯曲应力的数学分析模型对数据参照位点的需要，同时要求所有的电阻丝13具有相同的基准张紧阻值。

S102、通过所述测控单元测定多条所述电阻丝的阻值相对于基准值的阻值变动量，得到各个所述电阻丝对应的所述监控区段圆周参照位点的负荷变形数据；通过所述数学分析模型对各个所述参照位点的负荷变形数据进行综合运算处理，得到所述监控区段圆周上的最大应变方向和最大应变值。

针对布置在监控区段的电阻丝13，通过测控单元测定多条电阻丝13的阻值相对于基准值的阻值变动量，通过各条电阻丝13的变动量来反映各个电阻丝13对应的监控区段圆周参照位点的负荷变形数据。

具体的，节选的监控区段及该监控区段对应的电阻丝13组构造为一个负荷监测单元，在该负荷监测单元中，电阻丝13阻值变动量和风机塔筒11的应力－应变关系数据对应有固定的数学分析模型，利用该数学分析模型对各个参照位点的负荷变形数据进行综合运算处理，得到监控区段圆周上的最大应变方向和最大应变值。

S103、根据所述监控区段塔筒壁的材料力学特性，将所述最大应变方向对应的最大应变值转换为所述监控区段的最大即时应力。

S104、通过所述监控系统实时监控所述最大即时应力的变化情况，并在所述最大即时应力大于等于区段危险应力限值时，启动监控预警；其中，所述区段危险应力限值是根据所述风机塔筒11的整体有限元极限承载模型确定的。

本发明实施例提供的一种监测风机塔筒倾翻负荷的系统，与现有技术中通过风机塔筒11上预先粘贴的应变片监测风机塔筒11应力，其只能测量局部点的应力，若要解决监测局部问题则需要粘贴大量的应变片，从而带来成本高企及稳定差的问题相比，其利用电阻丝13的区间跨距，并结合测控单元和监控系统直接组成宏观尺度的测量，可以消除在风机塔筒11壁贴应变片监测所受到的筒壁局部材质性状差异、以及粘贴效果和时效影响；并且，电阻丝13易于在风机塔筒11上加装实施以及标定检校，具备高可靠性、稳定性且成本低。

进一步的，参考图6和图8，本发明实施例提供的监测风机塔筒倾翻负荷的系统，在监控区段中以区段高度为跨距沿纵向贴近风机塔筒11壁固定并张紧电阻丝13，要求：

电阻丝13的基准张紧伸长量大于监控区段对应危险应力限值的最大压应力侧压缩变形量；且电阻丝13最大弹性伸长量大于其基准张紧伸长量与监控区段对应危险应力限值的最大拉应力侧伸长变形量之和。

具体的，电阻丝13在布置到对应的监控区段之前，还包括：对电阻丝13进行预拉伸，使拉伸后的电阻丝13的基准张紧伸长量大于监控区段对应危险应力限值的最大压应力侧压缩变形量，且电阻丝13最大弹性伸长量大于其基准张紧伸长量与监控区段对应危险应力限值的最大拉应力侧伸长变形量之和。

上述对电阻丝13进行的预拉伸，可以在将电阻丝13布置在节选的监控区段之前进行，也可以在布置完成后进行。

其中，各个电阻丝13拉伸后的基准张紧伸长量s，s＝L+L₀；公式中，L为电阻丝13的自然长度，即电阻丝13的基准张紧伸长量，L₀为满足在风机塔筒11监测段出现最大允许压应变(即对应跨距上风机塔筒11受极限压缩应力时的收缩变形)时电阻丝13仍留有残余张力的基准张紧伸长量。其中，上述残余张力可以根据需要进行设置，无需设置过大，只要保证大于监控区段对应危险应力限值的最大拉应力侧伸长变形量即可。

即电阻丝13在其固定跨距下存在一定的预拉伸量，此预拉伸量要大于对应跨距上风机塔筒11受极限压缩应力时的收缩变形，并且此预拉伸量加上对应跨距上风机塔筒11受极限拉伸应力时的伸长变形不能超出电阻丝13的弹性变形范围。

在监控区段布置电阻丝13时，可以将电阻丝13组成电桥的方式进行布置，也可以以普通的方式布置电阻丝13，下面分别对不同电阻丝13的布置数量及对应的布置方法进行说明：

作为第一种可选的实施方式，本发明实施例中，在监控区段中以区段高度为跨距沿纵向贴近风机塔筒11壁固定并张紧至少3条电阻丝13；通过测控单元分别对各条电阻丝13的阻值变动量进行精确测量，并依据与参照位点的数量相关的数学分析模型对阻值变动量进行运算处理，得到监控区段的最大应变方向和最大应变值。

作为第二种可选的实施方式，参考图2和图3，本发明实施例中，在圆形截面的风机塔筒11的监控区段中沿圆周均匀布置4×N条电阻丝13，组成N≥2个的十字轴交叉阻值监测全桥单元12，N为正整数；通过阻值监测全桥单元12精确测定各组呈十字轴交叉分布的电阻丝13的阻值相对变动量，得到各个阻值监测全桥单元12对监控区段相关参照位点的负荷变形数据。

在第二种可选的实施方式中，是通过将电阻丝13以电桥的方式布置在监控区段，具体布置方法可以为以下两种：

第一，在所述圆形截面的风机塔筒11的监控区段中沿圆周均布置8条电阻丝13，将8条电阻丝13以每4条电阻丝13呈正交十字分布的设置方式组成两个监测全桥单元12，且使两个监测全桥单元12间隔45°角。

第二，在所述圆形截面的风机塔筒11的监控区段中沿圆周均布置12条电阻丝13，将12条电阻丝13以每4条电阻丝13呈正交十字分布的设置方式组成三个监测全桥单元12，且使三个监测全桥单元12彼此间隔30°角。

具体的，参考图2，每个监测全桥单元12均包括四个桥臂、电源14和检流计15；每个桥臂上设置有至少一个电阻丝13且四个桥臂上的电阻丝13正交分布设置；四个桥臂对应的一组相对顶点连接电源14，四个桥臂对应的另一组相对顶点连接检流计15。

进一步的，本发明实施例提供的监测风机塔筒倾翻负荷的系统，其利用正交分布的四条电阻丝13在两个正交重合方向同步拉压应力的阻值变化，组成的监测全桥单元12，使得测量结果精密准确；同时，每两个监测全桥单元12均间隔预设鉴别角度设置，也使得在每两组电桥精密测定相关八个正交方向的应力应变时，借助对监测全桥单元12的测量值的差值运算处理，实现对风机塔筒11360度的合应力监测覆盖。

本发明实施例中，将电阻丝13设置成监测全桥单元12的方式，能够提升检测精度。本发明实施例中在节选的监控区段的风机塔筒11层面上沿圆周均布电阻丝13组成两组或者多组监测全桥单元12，组成宏应变测量全桥，有效屏蔽了风机塔筒11小尺度制造偏差的影响，且能够获得与监测目的吻合的精度与稳定性。

本发明实施例中在节选的监控区段的风机塔筒11层面上沿圆周均布电阻丝13组成两组或者多组监测全桥单元12，组成宏应变测量全桥，有效屏蔽了风机塔筒11小尺度制造偏差的影响，且能够获得与监测目的吻合的精度与稳定性。

同时，本发明实施例中在节选的监控区段沿风机塔筒11圆周布置多组(如三组或更多组)监测全桥单元12，且每两个监测全桥单元12均间隔预设鉴别角度设置，这种设置方式可以更精密的对监测到的信号进行插值修正，以及，在任意一组监测全桥单元12失效的情况下，由其他监测全桥单元12进行数据冗余校验，能够进一步提高监测可靠度和监控准确性。

下面结合图2、图3、图4和图5，说明通过两个监测全桥单元12和三个监测全桥单元12的监测风机塔筒11倾翻负荷的方法：

一，对于设置成两个监测全桥单元12的方式：

1、选择八条符合设定长度的电阻丝13(如图2和图3所示，标号分别为13(A)、13(B)、13(C)、13(D)和13(1)、13(2)、13(3)、13(4))，然后将选择的各个电阻丝13均进行拉伸预处理，使电阻丝13的拉伸量大于风机塔筒11的节选的监控区段的最大允许形变量，且使拉伸量与节选的监控区段的最大允许形变量之和小于电阻丝13的弹性变形最大值。

2、将步骤1中设置好的八条符合设定长度的电阻丝13用上、下固定足圆周均布的固定于风机塔筒11的节选的监控区段上，保证八条电阻丝13的长度的水平高度相同，且使其中的四条电阻丝13(即电阻丝13(A)、13(B)、13(C)、13(D))均正交分布设置组成第一监测全桥单元，使另外的四条电阻丝13(即电阻丝13(1)、13(2)、13(3)、13(4))均正交分布设置组成第二监测全桥单元，且第二监测全桥单元中的四个电阻丝13分别设置在第一监测全桥单元的四个电阻丝13两两之间的对角平分线上，保证第一监测全桥单元和第二监测全桥单元的预设间隔为45度。同时，在将两个监测全桥单元安装后调整至在风机塔筒11静立状态――即非倾翻负荷作用态，使电桥G1和G2电流为“0”的空载平衡态。

本发明实施例中，参考图3，监测全桥单元12的原理如下：监测全桥单元12中各个电阻丝13在材料，规格以及长度s相同的情况下，有基本阻值：

R_A＝R_B＝R_C＝R_D＝R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R₀；R₀＝k·s/A_s(其中，k为材料的电阻率；A_s为电阻丝13在s长度的截面积)。

s·A_s＝L·A_L(A_L为电阻丝13初始截面积)。

具体的，如图2所示，当风机塔筒11收到绕“B-D”轴的弯矩作用时，有：

R_a＝R₀+ΔR_a(以A点处于拉应力区，电阻丝13进一步拉长，变细)；

R_c＝R₀-ΔR_c(相应B点电阻丝13的原有预拉伸长度L₀减小)；

R_B＝R_D＝R₀(B、D两点电阻丝13组织无变化)

(即，电桥1{-2-3-4}无输出)。

对于上述采用8根电阻丝13线组成的2个测量全桥系统(即监测全桥单元12)，负荷水平的监测结果来自对相邻两个电测全桥各自测量数据的综合运算处理，从而理想的解决对风机塔筒11360°全周各向的应力负荷监测。

参考图4，图4中，11、12、13、14组成电桥1*，21、22、23和24组成电桥2*，以风机发电时加于风机塔筒11上的倾翻力矩为Lw，则在最大应变线偏于电桥1*的桥臂时，电桥1*测得的负荷L1偏大，电桥2*测得的负荷L2偏小，除非夹角θ为0，两者都不能准确反映风机塔筒11当前的最大负荷应力；但根据弹性模型分析，可知在最大应变线对应区的最大应力为：

其中，Lw为风机发电时加于风机塔筒11上的倾翻力矩；θ为在风机塔筒11上加于倾翻力矩后电桥2*相对于电桥1的夹角，L1为电桥1*测得的负荷，L2为电桥2*测得的负荷，α为原始状态的电桥2*相对于电桥1的夹角。

二、采用12根及以上电阻丝13线的布设方法与采用8根电阻丝13的布设方法相同，区别仅在于组成的电桥之间预设鉴别角度存在差异；

而对于采用12根及以上电阻丝13线组成的3个及以上测量全桥的系统(参见图5，图5中，11、12、13和14为1*桥；21、22、23和24组成2*桥；n1、n2、n3和n4组成n*桥)，负荷水平的监测结果从来自对相邻两个敏感电测全桥的数据综合运算处理一方面有更好的监测精度，另一方面，还可以通过邻近电桥的数据检校监测结果，在发现异常时，适时进行修正代换。即实现系统的冗余监测，提高监测可靠性。

例如在图5中，对于由1*桥和2*桥取得的综合运算数据，适宜用2*桥和n*桥的综合运算数据进行检校，当差异严重时，可以报警及时查找修复故障。

进一步的，参考图6-图8，本发明实施例提供的监测风机塔筒倾翻负荷的系统，还包括固定部件16；电阻丝13的两端均通过固定部件16固定设置在风机塔筒11的侧壁上；或者，电阻丝13的两端均通过固定部件16固定设置在两个风机塔筒11之间连接的法兰17上；

或者，电阻丝13的一端通过固定部件16固定设置在风机塔筒11的侧壁上，其另一端通过固定部件16固定设置在两个风机塔筒11之间连接的法兰17上。

具体的，在实际安装过程中，电阻丝13具有两端，这两端均需要进行固定，此时，可以直接将电阻丝13的两端进行固定，也可以通过固定部件16将电阻丝13的两端进行固定。

作为第一种可选的实施方式，电阻丝13的两端均可以固定在风机塔筒11侧壁上；作为第二种可选的实施方式，电阻丝13的两端均可以固定在两个风机塔筒11之间的连接法兰17上；作为第三种可选的实施方式，电阻丝13的一端固定在风机塔筒11侧壁上，另一端固定在两个风机塔筒11之间的连接法兰17上。无论通过上述任何方式对电阻丝13进行固定，同一个监控区段的所有电阻丝13的水平高度均相同。

在电阻丝13通过固定部件16进行固定时，一个电阻丝13需要两个固定部件16，通过这两个固定部件16将电阻丝13的两端分别进行固定。对应的，本发明实施例中可以设置一个固定部件16是简单的固定板片，设置另一个固定部件16是滑轮，通过滑轮可以保证电阻丝13本身具有较长的长度，同时又保证电阻丝13不会占有过长的风机塔筒11长度，使用较长的电阻丝13能够提高整个监测全桥单元12监测灵敏度。

本发明实施例中使用滑轮作为一个固定部件16，既便于接线，且电阻丝13长度相对联接跨距加班，提高了测试灵敏度。

本发明实施例提供的监测风机塔筒倾翻负荷的系统，与现有技术相比其通过两端沿风机塔筒11轴向跨距离张紧固定的电阻丝13布置至少两个监测全桥单元12，电阻丝13随风机塔筒11应变产生的电阻变化，检测风机塔筒11节选的监控区段上的总应变位移ΔL，从而对该节选的监控区段的应力做出监控，进而通过监测数据关联对风机塔筒11危险应力做出预警。

优选的，电阻丝13在选定的风机塔筒11节选的监控区段，沿圆周方向均匀配置8条或4×C(C为≥2的整数)条；将成正交分布的每4条电阻丝13组成一个监测全桥单元12，总计C个监测全桥单元12，通过全桥检测风机塔筒11负荷能够提升检测精度。

本发明实施例还提供了一种监测风机塔筒11倾翻负荷的方法，参考图9，包括：

S201、在圆形截面的所述风机塔筒上纵向节选监控区段，并在所述监控区段中以区段高度为跨距，沿纵向贴近风机塔筒壁固定并张紧电阻丝；所述电阻丝沿所述监控区段圆周均匀布置多条，所述电阻丝的数量满足：对所述监控区段圆周各向求解纵向弯曲应力的数学分析模型对数据参照位点的需要；并且各条所述电阻丝被调整为具有相同的基准张紧阻值；

S202、测量多条所述电阻丝的阻值相对于基准值的阻值变动量，得到各个所述电阻丝对应的所述监控区段圆周参照位点的负荷变形数据；

S203、对各个所述参照位点的负荷变形数据进行综合运算处理，得到所述监控区段圆周上的最大应变方向和最大应变值；

S204、根据所述监控区段的材料力学性状，将所述最大应变值转换为所述监控区段的最大即时应力；

S205、实时监控所述最大即时应力的变化情况，并在所述最大即时应力大于等于所述区段危险应力限值时，启动监控预警；其中，所述区段危险应力限值是根据所述风机塔筒的整体有限元极限承载模型确定的。

本发明实施例提供的监测风机塔筒倾翻负荷的系统及方法，与现有技术相比具有如下有优点：

1、利用电阻丝13的区间跨距，直接组成宏观尺度测量，可以消除风机塔筒11微观差异的标定偏差。

2、本发明实施例中的节选的监控区段监测全桥单元12优选是靠近风机塔筒11底部的区段，在该风机塔筒11层面沿圆周均布电阻丝13组成两到多个监测全桥单元12，组成宏应变测量全桥，有效屏蔽了风机塔筒11小尺度制造偏差的影响，获得了与监测目的吻合的精度与稳定性。

3、利用正交分布的四条电阻丝13在两个正交重合方向同步拉压应力的阻值变化，组成的监测全桥单元12，使得测量结果精密准确。

4、由图1中可知，仅有“A-B-C-D”电桥，在风机塔筒11受到与其正交方向成45°的应力时，电桥中的两组相对的对角点电势同比增加，此时，电桥无输出信号，故本发明实施例另设置“1-2-3-4”电桥，并使该“1-2-3-4”电桥设置在“A-B-C-D”电桥的对角平分线上，能够对风机塔筒11360度的合应力监测覆盖。

5、如图3所示，数学模型上，两组监测全桥单元12的检测信号G1和G2分别在风机塔筒11受到与其检测方向重合的应力时有最大值，即在G1最大时G2钝化为“0”，反之，G2最大时G1钝化为“0”。

6、在两组电桥精密测定相关八个正交方向的应力应变时，借助对G1和G2差值的运算处理，可以实现对风机塔筒11360度的合应力监测覆盖。

7、本发明实施例可以沿风机塔筒11圆周布置三组或更多的监测全桥单元12(即测量全桥)，且每两个监测全桥单元12均间隔预设鉴别角度设置，这种设置方式可以更精密的对监测到的信号进行插值修正，以及，在任意一组监测全桥单元12失效的情况下，由其他监测全桥单元12进行数据冗余校验，能够进一步提高监测可靠度和监控准确性。

8、本发明实施例中的监测全桥单元12易于在风机塔筒11上加装实施，且易于标定检校，具备高可靠性；风机塔筒11与监测全桥单元12组成的风机塔筒11可长期稳定运行，且成本低。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种监测风机塔筒倾翻负荷的系统，其特征在于，包括：风机塔筒、电阻丝、测控单元和监控系统；

在圆形截面的所述风机塔筒上纵向节选监控区段，并在所述监控区段中以区段高度为跨距，沿纵向贴近风机塔筒壁固定并张紧电阻丝；所述电阻丝沿所述监控区段圆周均匀布置多条，所述电阻丝的数量满足：对所述监控区段圆周各向求解纵向弯曲应力的数学分析模型对数据参照位点的需要；并且各条所述电阻丝被调整为具有相同的基准张紧阻值；

通过所述测控单元测定多条所述电阻丝的阻值相对于基准值的阻值变动量，得到各个所述电阻丝对应的所述监控区段圆周参照位点的负荷变形数据；通过所述数学分析模型对各个所述参照位点的负荷变形数据进行综合运算处理，得到所述监控区段圆周上的最大应变方向和最大应变值；

根据所述监控区段的材料力学特性，将所述最大应变方向对应的最大应变值转换为所述监控区段的最大即时应力；

通过所述监控系统实时监控所述最大即时应力的变化情况，并在所述最大即时应力大于等于区段危险应力限值时，启动监控预警；其中，所述区段危险应力限值是根据所述风机塔筒的整体有限元极限承载模型确定的。

2.根据权利要求1所述的监测风机塔筒倾翻负荷的系统，其特征在于，所述监控区段包括：所述风机塔筒中的特定区段，和/或，所述风机塔筒中的非特定区段；其中，所述特定区段包括所述风机塔筒中的典型危险区段。

3.根据权利要求1所述的监测风机塔筒倾翻负荷的系统，其特征在于，在所述监控区段中以区段高度为跨距沿纵向贴近风机塔筒壁固定并张紧至少3条所述电阻丝；通过所述测控单元分别对各条电阻丝的阻值变动量进行精确测量，并依据与所述参照位点的数量相关的数学分析模型对所述阻值变动量进行运算处理，得到所述监控区段的最大应变方向和最大应变值。

4.根据权利要求1所述的监测风机塔筒倾翻负荷的系统，其特征在于，在所述圆形截面的风机塔筒的监控区段中沿圆周均匀布置4×N条电阻丝，且N≥2，以组成N个十字轴交叉阻值监测全桥单元；

通过对N个阻值监测全桥单元的电桥平衡偏差数据测定，辅以对各相邻监测全桥单元的偏差数据比较及综合运算处理，得到对所述监控区段最大应变方向和最大应变值的系统监测。

5.根据权利要求4所述的监测风机塔筒倾翻负荷的系统，其特征在于，在所述圆形截面的风机塔筒的监控区段中沿圆周均布置8条电阻丝，将8条电阻丝以每4条电阻丝呈正交十字分布的设置方式组成两个监测全桥单元。

6.根据权利要求4所述的监测风机塔筒倾翻负荷的系统，其特征在于，在所述圆形截面的风机塔筒的监控区段中沿圆周均布置12条电阻丝，将12条电阻丝以每4条电阻丝呈正交十字分布的设置方式组成三个监测全桥单元。

7.根据权利要求1所述的监测风机塔筒倾翻负荷的系统，其特征在于，在所述监控区段中以区段高度为跨距沿纵向贴近风机塔筒壁固定并张紧电阻丝，要求：

所述电阻丝的基准张紧伸长量大于所述监控区段对应危险应力限值的最大压应力侧压缩变形量；且所述电阻丝最大弹性伸长量大于其基准张紧伸长量与所述监控区段对应危险应力限值的最大拉应力侧伸长变形量之和。

8.根据权利要求1-7任一项所述的监测风机塔筒倾翻负荷的系统，其特征在于，还包括固定部件；

所述电阻丝的两端均通过固定部件固定设置在所述风机塔筒的侧壁上；

或者，所述电阻丝的两端均通过固定部件固定设置在两个风机塔筒之间连接的法兰上；

或者，所述电阻丝的一端通过所述固定部件固定设置在所述风机塔筒的侧壁上，其另一端通过所述固定部件固定设置在两个风机塔筒之间连接的法兰上。

9.根据权利要求8所述的监测风机塔筒倾翻负荷的系统，其特征在于，所述固定部件为滑轮。

10.一种监测风机塔筒倾翻负荷的方法，其特征在于，包括：

在圆形截面的所述风机塔筒上纵向节选监控区段，并在所述监控区段中以区段高度为跨距，沿纵向贴近风机塔筒壁固定并张紧电阻丝；所述电阻丝沿所述监控区段圆周均匀布置多条，所述电阻丝的数量满足：对所述监控区段圆周各向求解纵向弯曲应力的数学分析模型对数据参照位点的需要；并且各条所述电阻丝被调整为具有相同的基准张紧阻值；

测量多条所述电阻丝的阻值相对于基准值的阻值变动量，得到各个所述电阻丝对应的所述监控区段圆周参照位点的负荷变形数据；

对各个所述参照位点的负荷变形数据进行综合运算处理，得到所述监控区段圆周上的最大应变方向和最大应变值；

根据所述监控区段的材料力学性状，将所述最大应变值转换为所述监控区段的最大即时应力；

实时监控所述最大即时应力的变化情况，并在所述最大即时应力大于等于所述区段危险应力限值时，启动监控预警；其中，所述区段危险应力限值是根据所述风机塔筒的整体有限元极限承载模型确定的。