CN109883664A - 风电螺栓实时监控与诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电螺栓实时监控与诊断系统，包括：用于在螺栓首次紧固时，通过超声波测量螺栓自由状态和紧固状态下的声时差，基于所述声时差计算螺栓的伸长量，根据所述伸长量得出螺栓预紧力，以对螺栓预紧力进行精确控制的便携式超声螺栓预紧力测量装置；用于针对在役螺栓，基于超声横波、纵波在螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系，得出螺栓残余预紧力，以确定是否需要对在役螺栓进行复拧的螺栓预紧力监控装置。本发明能够精确测量首次紧固时螺栓的预紧力以及在役螺栓的残余预紧力，达到精确控制螺栓预紧力的目的。

Description

风电螺栓实时监控与诊断系统

技术领域

本发明属于风电技术领域，尤其涉及一种风电螺栓实时监控与诊断系统。

背景技术

螺栓连接是风力发电机组装配中的重要装配方式，几乎涉及到风力发电机组的所有部件。因此，螺栓的选用和强度校核以及装配质量是风力发电机组可靠性的重要保证。

塔架是风力发电机组重要的承载部件之一，而塔架法兰连接系统又是连接机舱底座和各段塔架的重要部件，因此连接的可靠性和安全性对整个风电机组的正常运行有着至关重要的作用。

塔架法兰连接系统所承受的载荷是多变的动载荷，在这些载荷作用下，机械承载系统可能会发生过载或者疲劳，造成潜在的失效隐患。塔架安全问题，严重影响了超高塔架、分瓣式钢制塔筒、柔性塔架和预应力锚式塔架的推广和使用。而叶根螺栓、变桨轴承螺栓的失效同样会带来严重的后果。

高强度螺栓进行连接，由于受机件或装备螺栓质量和安装方面的影响，设备事故常有发生。其中，螺栓预紧力不足，造成螺栓松动，机件或装备运行振动过大，螺栓在长期服役下，剪切断裂，最终造成重大事故的比例较大。究其原因，首先，是螺栓本身质量不过关，设计制造过程中出现问题；其次，就是在安装及维护过程中螺栓预紧力不足，运行过程中振动造成的。

排除螺栓的质量问题，螺栓失效的焦点就落在了安装施工和调试检修方面。在安装过程中，如果螺栓预载荷超过了范围上限，螺栓会发生塑性变形，甚至被拉断；如果螺栓预载荷小于范围下限，两连接部件中间会产生缝隙，在运行过程中，特别是恶劣工况时，机件的应力比正常时增加约95％，造成螺栓发生脆性断裂。螺栓的紧固程度，直接关系着机件或装备的使用寿命。因此，有必要对螺栓进行实时监控，以精确控制螺栓预紧力。

发明内容

本发明的目的是提供一种风电螺栓实时监控与诊断系统，通过精确测量首次紧固时螺栓的预紧力以及在役螺栓的残余预紧力，达到精确控制螺栓预紧力的目的。

本发明提供了一种风电螺栓实时监控与诊断系统，包括：

用于在螺栓首次紧固时，通过超声波测量螺栓自由状态和紧固状态下的声时差，基于声时差计算螺栓的伸长量，根据伸长量得出螺栓预紧力，以对螺栓预紧力进行精确控制的便携式超声螺栓预紧力测量装置；

用于针对在役螺栓，基于超声横波、纵波在螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系，得出螺栓残余预紧力，以确定是否需要对在役螺栓进行复拧的螺栓预紧力监控装置。

进一步地，便携式超声螺栓预紧力测量装置通过与压电传感式螺栓配合，实时测量螺栓预紧力；压电传感式螺栓通过在螺栓头部粘接一层压电陶瓷，或在真空环境下通过离子蒸汽沉积在螺栓顶面形成一复合层传感器制成。

进一步地，复合层传感器由上及下依次为金属电极层、保护层及压电层。

进一步地，便携式超声螺栓预紧力测量装置包括依次连接的超声波发射器、超声波信号采集装置、分析处理装置。

进一步地，便携式超声螺栓预紧力测量装置包括依次连接的压电式套筒、超声波发射器、超声波信号采集装置、分析处理装置；压电式套筒包括用于与螺栓上旋拧的螺母相配合的套筒部，以及设于套筒部内部用于与螺栓头部接触连接的压电传感部，压电传感部包括依次连接的推拉式电磁铁、连接板、硅胶阻尼层、压电陶瓷层及保护层，保护层用于在推拉式电磁铁的推力作用下与螺栓头部接触连接，推拉式电磁铁通过滑环及走线与超声波发射器及超声波信号采集装置连接，套筒部还设有用于将耦合剂注入至保护层与螺栓头之间的耦合剂注入通路。

进一步地，套筒部底部开口与螺母顶面的接触面设有密封垫片。

进一步地，套筒部顶部还设有用于与力矩型紧固工具配合的力矩拧紧接口。

进一步地，螺栓预紧力监控装置包括超声换能器，以及信号采集模块、接口转换模块及分析处理装置；

超声换能器通过与压电传感式螺栓的头部接触产生超声波，由信号采集模块接收超声波在螺栓中传播的返回信号，并通过接口转换模块传输至分析处理装置进行分析处理，获取螺栓残余预紧力值，根据残余预紧力值，判断螺栓的紧固状态，并进行提前预警及寿命预测。

进一步地，螺栓预紧力监控装置还包括用于检测螺栓温度的温度测量装置，温度测量装置通过接口转换模块与分析处理装置连接，用于分析处理过程中的温度补偿。

进一步地，压电传感式螺栓通过在螺栓头部粘接一层压电陶瓷，或在真空环境下通过离子蒸汽沉积在螺栓顶面形成一复合层传感器制成。

借由上述方案，通过风电螺栓实时监控与诊断系统，能够精确测量首次紧固时螺栓的预紧力以及在役螺栓的残余预紧力，达到精确控制螺栓预紧力的目的，并能对在役螺栓进行提前预警及寿命预测。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明螺栓在拧紧过程中被拉长的示意图。

图2为本发明超声波信号的传播时间与螺栓预紧力的关系图；

图3为本发明压电传感式螺栓的结构示意图；

图4为本发明压电式套筒的结构示意图；

图5为本发明螺栓预紧力监控装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例提供了一种风电螺栓实时监控与诊断系统，包括：

用于在螺栓首次紧固时，通过超声波测量螺栓自由状态和紧固状态下的声时差，基于声时差计算螺栓的伸长量，根据伸长量得出螺栓预紧力，以对螺栓预紧力进行精确控制的便携式超声螺栓预紧力测量装置；

用于针对在役螺栓，基于超声横波、纵波在螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系，得出螺栓残余预紧力，以确定是否需要对在役螺栓进行复拧的螺栓预紧力监控装置。

通过该风电螺栓实时监控与诊断系统，能够精确测量首次紧固时螺栓的预紧力以及在役螺栓的残余预紧力，达到精确控制螺栓预紧力的目的，并能对在役螺栓进行提前预警及寿命预测。

参图3所示，在本实时例中，便携式超声螺栓预紧力测量装置通过与压电传感式螺栓配合，实时测量螺栓预紧力；压电传感式螺栓通过在螺栓头部(螺栓基体34)粘接一层压电陶瓷，或在真空环境下通过离子蒸汽沉积在螺栓顶面形成一复合层传感器制成。复合层传感器由上及下依次为金属电极层31、保护层32及压电层33。

在本实时例中，便携式超声螺栓预紧力测量装置包括依次连接的超声波发射器、超声波信号采集装置、分析处理装置。

参图4所示，便携式超声螺栓预紧力测量装置的另一实施例为：包括依次连接的压电式套筒、超声波发射器、超声波信号采集装置、分析处理装置；压电式套筒包括用于与螺栓1上旋拧的螺母2相配合的套筒部3，以及设于套筒部3内部用于与螺栓头部接触连接的压电传感部，压电传感部包括依次连接的推拉式电磁铁4、连接板5、硅胶阻尼层6、压电陶瓷层7及保护层8，保护层8用于在推拉式电磁铁4的推力作用下与螺栓1头部接触连接，推拉式电磁铁4通过滑环及走线9与超声波发射器及超声波信号采集装置连接，套筒部3还设有用于将耦合剂注入至保护层与螺栓头之间的耦合剂注入通路10。

在本实时例中，套筒部3底部开口与螺母2顶面的接触面设有密封垫片11。

在本实时例中，套筒部3顶部还设有用于与力矩型紧固工具配合的力矩拧紧接口12。

参图5所示，螺栓预紧力监控装置包括超声换能器，以及信号采集模块、接口转换模块及分析处理装置；

超声换能器通过与压电传感式螺栓的头部接触产生超声波，由信号采集模块接收超声波在螺栓中传播的返回信号，并通过接口转换模块传输至分析处理装置进行分析处理，获取螺栓残余预紧力值，根据残余预紧力值，判断螺栓的紧固状态，并进行提前预警及寿命预测。

在本实时例中，螺栓预紧力监控装置还包括用于检测螺栓温度的温度测量装置，温度测量装置通过接口转换模块与分析处理装置连接，用于分析处理过程中的温度补偿。

在本实时例中，压电传感式螺栓通过在螺栓头部粘接一层压电陶瓷，或在真空环境下通过离子蒸汽沉积在螺栓顶面形成一复合层传感器制成。

下面对本发明作进一步详细说明。

(一)螺栓首次紧固时预紧力测量

要保证螺纹件联接能克服被联接件所受的各种静态或动态外力，对螺纹件联接的拧紧要求是螺纹件对零件产生一个一定的预紧力。要实现预紧力的拧紧控制方法有很多，如扳手拧紧的手工法、扭矩法、扭矩转角法、屈服极限控制法和螺栓预伸长法等。

其中，通过拧紧力矩控制预紧力的方法的特点是控制目标直观，测量容易，操作过程简便，控制程序简单；缺点是由于会受到摩擦因数和几何参数偏差的影响，在一定的拧紧力矩下，预紧力值的离散性比较大。因此，通过拧紧力矩，来控制预紧力的控制精度不高，误差一般可达到40％左右。

通过螺栓伸长量控制预紧力的方法是在拧紧过程中、或拧紧结束后测量螺栓的伸长长度，利用预紧力与螺栓长度变化量的关系，控制螺栓预紧力。该方法的优点是螺栓的伸长只与螺栓的应力有关，不用考虑摩擦因数、接触变形、被联接件变形等可变因素的影响。缺点是测量螺栓的伸长量很不方便。

本实施例通过超声波测量螺栓自由状态和紧固状态下的声时差计算伸长量，从而得出螺栓预紧力，可以获得很高的控制精度，特别适用于法兰联接系统等密封要求高的场合。

如图1及图2所示，螺栓在拧紧过程中被拉长，ΔL即为伸长量，超声波信号的声时差Δt和螺栓预紧力成正比。

拧紧螺母时，螺栓在预紧力的作用下产生拉伸变形。在螺栓屈服之前，螺栓在拉伸变形时产生弹性变形，伸长量与预紧力的关系是线性关系。其计算公式为：

F＝E·S·ΔL/L；

式中，F为螺栓预紧力，E为螺栓材质的弹性模量；S为螺栓截面积；ΔL为螺栓伸长量；L为螺栓副的装夹长度。

精确测量时,首先标定螺栓声时差与螺栓预紧力之间的线性关系，通过测量声时差即可准确计算螺栓预紧力，进而将螺栓的预紧力调整到适当的范围，保证法兰联接的可靠性和紧密性。

参图3所示，在一实施例中，在螺栓头部(螺栓基体34)粘接一层压电陶瓷或通过离子蒸汽沉积，在真空环境下，在螺栓顶面形成一复合层传感器，制成压电传感式螺栓，第一层是金属电极层31，第二层是保护层32，第三层是压电层33。通过由超声波发射器、超声波信号采集装置及分析处理装置构成的一体式便携超声螺栓预紧力测量装置与压电传感式螺栓配合即可在现场实时精确测量螺栓预紧力。

当超声波发射器接触到此压电陶瓷或复合层传感器(金属电极层)时，产生高压电脉冲，电脉冲加到压电层(压电陶瓷)，使其产生超声波，超声波在螺栓中传播，返回信号由超声波信号采集装置接收后，经分析处理装置分析处理，将当前螺栓的预紧力实测值在显示单元显示。通过该方法可以实现应力预紧力的高精度测量和控制，保证整个设备或结构工作的可靠性和安全性，且处理螺栓的成本远低于设备升级换代的成本。另外，利用离子蒸汽沉积方法在螺栓表面形成感应元件(复合层传感器)，还可避免通过涂抹亲和剂来配合超声测量时受到耦合层均匀性、工件表面粗糙度、工作面与螺栓轴线的垂直度、两端面的平行度、操作人员的经验等不确定因素的干扰，致使超声测量在实际操作中存在数值离散度大、测量不确定度大的缺陷。

参图4所示，在另一实施例中，通过压电式套筒与上述超声螺栓预紧力测量装置组成便携超声螺栓预紧力测量装置，对螺栓预紧力进行测量。

该压电式套筒包括用于与螺栓1上螺母2配合的套筒部3及设于套筒部3内部用于与螺栓1头部接触连接的压电传感部，压电传感部包括依次连接的推拉式电磁铁4、连接板5、硅胶阻尼层6、压电陶瓷层7、保护层8(或超声耦合片)，保护层8用于在推拉式电磁铁4的推力作用下与螺栓2头部接触连接，推拉式电磁铁4通过滑环及走线9与超声螺栓预紧力测量装置连接。套筒部3开口与螺母2顶面的接触面设有密封垫片11。套筒部3还设有耦合剂注入通路10，用于将耦合剂注入至保护层与螺栓头之间(当保护层采用超声耦合片时，无需注入耦合剂)。套筒部3顶部还设有力矩拧紧接口12，可连接任何力矩型紧固工具。

该超声螺栓预紧力测量装置，通过压电陶瓷层发射的超声波测量螺栓紧固时螺栓的长度变化(伸长量)，从而得出螺栓预紧力的精确数值，实现螺栓初次紧固时，螺栓预紧力的精确控制，并集成了力矩扳手的高效性和液压张拉器的准确性。

(二)在役螺栓残余预紧力测量

利用在应力条件下，超声纵波、横波具有不同声弹因子的特点，其超声横波在螺栓里传播的时间与超声纵波在螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力(轴力)成线性关系，对已经安装的螺栓可以在不拆卸的情况下，直接测量螺栓残余预紧力。

超声横波在螺栓里传播的时间与超声纵波在螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系如下：

式中，T_T为应力状态下横波回波时间；T_L为应力状态下纵波回波时间；T_T0为无应力状态下横波回波时间；T_L0为无应力状态下纵波回波时间；K为声弹常量；L为螺栓装夹长度；F为螺栓残余预紧力。

为了保证联接的紧密性，以防止联接受载后接合面间产生缝隙，应使F≥0。推荐采用的F为：对于有紧密性要求的联接，F＝(1.5-1.8)F；对于一般的联接，工作载荷稳定时，F＝(0.6-1.8)F；工作载荷不稳定时，F＝(0.6-1.0)F。

通过准确测量在役螺栓残余预紧力，可以确定在役螺栓是否需要复拧，以保证联接的紧密性。

参图5所示，一种螺栓预紧力监控系统(可采用远程监控方式，也可采用便携式设计)包括用于与螺栓头部连接的超声换能器、信号采集模块、温度检测模块、接口转换模块及分析处理装置，分析处理模块包括计算模块，诊断模块及显示模块。

螺栓头部粘接有一层压电陶瓷或在真空环境下通过离子蒸汽沉积在螺栓顶面形成一复合层传感器(可采用图3所示的结构)，制成压电传感式螺栓。超声换能器(探头)与螺栓头部接触产生高压电脉冲，电脉冲加到压电层(压电陶瓷)，使其产生超声波，超声波(包括横波及纵波)在螺栓中传播，返回信号由信号采集模块接收后，经接口转换模块转换后，进入分析处理装置分析处理，对螺栓进行实时监控与诊断，获取螺栓的残余预紧力，判断螺栓的紧固状态，并进行提前预警及寿命预测，通过显示模块实时显示螺栓监控与诊断数据。

为了在实时监控过程中进行温度补偿，该系统在设有用于检测螺栓温度的温度检测模块，温度检测模块与螺母连接，测得的温度值由接口转换模块传给分析处理装置，用于温度补偿。

通过该螺栓实时监控与诊断系统可实现对多个风机螺栓的远程实时监控，如可将超声换能器主机安装在塔筒底部，通过分线器连接多个探头对各个螺栓进行检测，超声换能器主机与监控中心进行通信，实现远程监控。通将每颗被监控螺栓设置唯一的ID，系统通过识别此ID，即可实现对每一颗需监控螺栓进行管理。

本发明具有如下技术效果：

1)能够以智能化可视化模式，实现对风电机组螺栓的规范化、精细化管理，全面准确地掌控风电机组螺栓在全寿命周期内的缺陷损伤情况和残余寿命状况。

2)采用轴力与伸长量复合控制技术控制的螺栓紧力，精度高、控制精确。

3)螺栓实时监控与诊断系统与便携超声螺栓预紧力测量装置，可单独，也可同时对螺栓进行监控，提高了螺栓的失效检出率，降低螺栓失效概率。

4)实现多模块、多点数据采集、检测与数据传输，实现了实时数据检测、采集与处理，取代了以往大量数据传输模式，优化为先处理后选择性传输。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风电螺栓实时监控与诊断系统，其特征在于，包括：

用于在螺栓首次紧固时，通过超声波测量螺栓自由状态和紧固状态下的声时差，基于所述声时差计算螺栓的伸长量，根据所述伸长量得出螺栓预紧力，以对螺栓预紧力进行精确控制的便携式超声螺栓预紧力测量装置；

用于针对在役螺栓，基于超声横波、纵波在螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系，得出螺栓残余预紧力，以确定是否需要对在役螺栓进行复拧的螺栓预紧力监控装置。

2.根据权利要求1所述的风电螺栓实时监控与诊断系统，其特征在于，所述便携式超声螺栓预紧力测量装置通过与压电传感式螺栓配合，实时测量螺栓预紧力；所述压电传感式螺栓通过在螺栓头部粘接一层压电陶瓷，或在真空环境下通过离子蒸汽沉积在螺栓顶面形成一复合层传感器制成。

3.根据权利要求2所述的风电螺栓实时监控与诊断系统，其特征在于，所述复合层传感器由上及下依次为金属电极层、保护层及压电层。

4.根据权利要求2或3所述的风电螺栓实时监控与诊断系统，其特征在于，所述便携式超声螺栓预紧力测量装置包括依次连接的超声波发射器、超声波信号采集装置、分析处理装置。

5.根据权利要求1所述的风电螺栓实时监控与诊断系统，其特征在于，所述便携式超声螺栓预紧力测量装置包括依次连接的压电式套筒、超声波发射器、超声波信号采集装置、分析处理装置；所述压电式套筒包括用于与螺栓上旋拧的螺母相配合的套筒部，以及设于所述套筒部内部用于与螺栓头部接触连接的压电传感部，所述压电传感部包括依次连接的推拉式电磁铁、连接板、硅胶阻尼层、压电陶瓷层及保护层，所述保护层用于在推拉式电磁铁的推力作用下与螺栓头部接触连接，所述推拉式电磁铁通过滑环及走线与所述超声波发射器及超声波信号采集装置连接，所述套筒部还设有用于将耦合剂注入至所述保护层与螺栓头之间的耦合剂注入通路。

6.根据权利要求5所述的风电螺栓实时监控与诊断系统，其特征在于，所述套筒部底部开口与螺母顶面的接触面设有密封垫片。

7.根据权利要求5所述的风电螺栓实时监控与诊断系统，其特征在于，所述套筒部顶部还设有用于与力矩型紧固工具配合的力矩拧紧接口。

8.根据权利要求1所述的风电螺栓实时监控与诊断系统，其特征在于，所述螺栓预紧力监控装置包括超声换能器，以及信号采集模块、接口转换模块及分析处理装置；

所述超声换能器通过与压电传感式螺栓的头部接触产生超声波，由所述信号采集模块接收超声波在螺栓中传播的返回信号，并通过所述接口转换模块传输至所述分析处理装置进行分析处理，获取螺栓残余预紧力值，根据残余预紧力值，判断螺栓的紧固状态，并进行提前预警及寿命预测。

9.根据权利要求8所述的风电螺栓实时监控与诊断系统，其特征在于，所述螺栓预紧力监控装置还包括用于检测螺栓温度的温度测量装置，所述温度测量装置通过所述接口转换模块与所述分析处理装置连接，用于分析处理过程中的温度补偿。

10.根据权利要求8或9所述的风电螺栓实时监控与诊断系统，其特征在于，所述压电传感式螺栓通过在螺栓头部粘接一层压电陶瓷，或在真空环境下通过离子蒸汽沉积在螺栓顶面形成一复合层传感器制成。