CN110765696A - 塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台、仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电机塔架安全监测技术领域，公开了一种塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台、仿真系统及方法，塔架模型由钢板焊接而成，用于根据不同风力发电机的功率和塔架型号尺寸，在通过等比例缩小建模仿真后，确定其刚度和结构满足要求下进行模型加工；法兰通过厚钢板打孔焊接的方式与塔架连接用于通过高强度螺栓将两塔架进行连接，法兰孔数和孔径大小根据具体要求确定；螺栓通过扭力扳手与法兰连接；基座用于防止塔架下端左右摇晃；摆动装置利用一根钢管焊接在塔架上；底座为固定风力机塔架基座的混凝土块，用于防止底端发生摇晃。本发明能够对螺栓松动故障的监测和故障特征提取实验提供较大的帮助。

Description

塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台、仿真系统及方法

技术领域

本发明属于风力发电机塔架安全监测技术领域，尤其涉及一种塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台、仿真系统及方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：近年来随着全球气候环境的不断恶化和化石能源的日益枯竭，新能源逐渐走进人们的视野。风能作为发展较为成熟的一种清洁与可再生能源装机容量得到快速增长。由于风力发电机组的工作环境较为复杂，处于地面层形成的剪切风、阵风和台风之中，风力机塔架作为机组重要的承载部件，属于典型细长薄壳结构，其底端固定，顶端自由且承受机舱和风轮的重力和气动载荷，该结构形式容易发生振动和失稳。随着机组的单机容量不断增大，重量和外型尺寸随之增大，塔架的高度也随之增加，作用在塔架上的重力载荷和气动载荷交变性和时变性更加显著。近年来，塔架在风电机组运行过程中倒塌或失稳的事故时有发生，由于风力发电机塔架时有法兰螺栓连接而成，如何对螺栓进行实时监测是目前的研究方向和重点，但是实际情况下无法在风力机塔架上进行相关动态实验，目前阶段主要是仿真模拟研究，因此迫切需要一种动态模拟风力机塔架振动的螺栓松动故障研究的实验台。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前对风机塔架螺栓松动检测较为广泛的方式主要是划线法和磁附法，划线法的基本原理是在拧紧螺栓或其他紧固件后，用记号笔在螺母和螺钉上画出连续且清晰的直线，并且可以长时间保持颜色，以便检测人员可以使用其他设备观察螺栓或紧固零件的管路是否放错了位置，并进一步判断结构连接部位的螺栓是否松动以及松动程度。但是该方法只能用于塔架结构较小、螺栓较少的设备、检查人员应有清晰的视野的情况下。磁附法的基本原理是通过在螺栓的底端装有磁性块和塑料环件。当螺栓松动时，螺母会向下移动，将磁铁和塑料环向下推。当磁性块移动到一定程度时，磁性块逐渐从螺杆底部脱离，直到磁铁块受到螺杆的磁力小于其自身重力和螺母的向下推力时，磁铁块和塑料环一起下落。工作人员可根据丢失的磁铁块或塑料环的编号将松动的螺栓进行锁紧，并及时预紧或更换。在这种方法中，磁块受重力、风、雨等多种因素的影响，容易脱落。因此，检测精度较低，且只能在垂直方向检测连接螺栓。

另外还有许多学者也提出了许多各种传感器的检测方式和方法，但是大多只是静态的检测不同螺栓松动的情况下进行的实验，并且风力发电机的塔筒时动态变化的，所以存在一些问题，比如塔筒螺栓动态性松动状态是什么情况；动态与静态下的松动状态的状态结果是否一致以及存在什么区别等问题。

现有技术无法在实际风力发电机塔架螺栓上进行相关的螺栓松动故障特征实验研究；仿真模拟的结果无法得到验证。

解决上述技术问题的难度：摆动装置的选择与设计；螺栓松动检测方案的制定；应变传感器螺栓预埋技术。

解决上述技术问题的意义：通过本发明的动态试验台能够帮助研究人员对螺栓的动态松动研究提供了实验基础，并且能对静态分析和有限元仿真结果进行验证性实验研究，对螺栓松动的检测技术探索进行验证实验等。本发明对螺栓松动检测技术的发展有很大的帮助和重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的实际风力发电机塔架螺栓上进行相关的螺栓松动故障特征实验研究的问题，仿真模拟的结果无法得到验证的问题和探究新的螺栓松动故障监测方法无法实验验证等问题，本发明提供了一种塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台、仿真系统及方法。

本发明是这样实现的，一种塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台，包括：

所述塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台硬件装置包括塔架模型、法兰、螺栓、基座、摆动装置、底座；

所述塔架模型由钢板焊接而成，用于根据不同风力发电机的功率和塔架型号尺寸，在通过等比例缩小建模仿真后，确定其刚度和结构满足要求下进行模型加工；

所述法兰通过厚钢板打孔焊接的方式与塔架连接，用于通过高强度螺栓将两塔架进行连接，所述法兰孔数和孔径大小根据具体要求确定；

所述螺栓通过扭力扳手与法兰连接；

所述基座与底座相连，用于防止塔架下端左右摇晃；

所述摆动装置利用一根钢管焊接在塔架上；

所述底座为固定风力机塔架基座的混凝土块；用于防止底端发生摇晃。

进一步，所述螺栓具体包括：

螺栓材料为42CrMo的高强度螺栓；

螺栓的大小根据具体要求与法兰上孔径的大小进行选择。

进一步，所述塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台硬件装置还包括：

所述硬件装置的动力装置为摆动装置摆锤；利用摆动装置摆锤的重力进行左右摆动带动塔架急性左右摇晃，产生动态振动。

本发明另一目的在于提供一种塔架振动的螺栓松动故障动态仿真系统具体包括：

动态模拟模块：用于通过摆动装置的摆动带动塔架的摆动，模拟低频的塔架动态振动状态；该模块主要功能利用摆动装置的动能对塔架进行施加低频不对称力的作用，进行模拟风力机塔架的振动状态。

实时监测模块：用于在塔架振动状态下，对预埋应变片的螺栓内部应变进行实时监测；该模块的主要功能是对螺栓内部应变值的变化情况进行监测观察变化规律，通过动态应变仪的监测系统，进行配置参数后进行实时监测。

松动程度变换模块：用于通改变螺栓不同扭力值表示不同的松动程度；该模块的主要功能是通过扭力扳手对螺栓进行施加不同的预紧力来模拟螺栓的松动程度。

动态测试模块：用于基于不同的松动程度，在摆动装置摆锤相同高度条件下进行动态测试；该模块的主要功能是实现模拟风机塔架不同振动状态的，通过改变摆锤高度不同(即改变动力)来实现动态测试实验。

数据采集分析模块：用于对不同松动程度的螺栓应变值数据进行采集并分析，得到相应的特征形式和表达式；该模块的主要功能是对螺栓内部应变值的信号值进行采集，利用动态应变采集仪设备，并基于惠通斯电桥原理将应变值转化为电压信号进行采集。

验证优化模块：用于通过盲拧的方式，在不知道螺栓松动的程度预紧力的情况下对得到的特征形式和表达式进行验证；并通过不断的优化参数的方式对特征函数进行完善。该模块的主要功能是对螺栓松动方案得到的结果进行验证和改进优化。

本发明的另一目的在于提供一种塔架振动的螺栓松动故障动态仿真方法具体包括：

针对研究对象和研究目的不同，需要制定不同的模拟实验的方案，比如基于预埋应变的螺栓松动故障诊断实验。

步骤一，查阅相关文献，确定螺栓松动检测方案，并且预先设定基于预埋应变的螺栓松动模拟的操作流程；针对确定仿真的风机塔筒的类型和螺栓型号等信息后，通过Solidworks等3D软件进行模拟模型设计，并设计合适的摆动装置。

步骤二，通过预先建立的模型、尺寸以及预先设定摆动装置，利用立体建模的方式进行展示，主要采用机加工、焊接等方式进行加工立体模型；根据具体实验不同的要求，制定的螺栓松动方案和对螺栓进行Ansys进行有限元仿真进行分析其内部应变分布情况，再进行应变片传感器的选型和布置位置；通过仿真分析确定法兰连接、预紧力、采集时间以及其他相关参数的大小，并对实验装置进行装配；

步骤三，根据具体实验要求的摆动动力大小，确定模拟摆动装置的高度，并且保持这一高度不变；

步骤四，当实验准备完成后，将传感器连接到动态应变数据采集仪，并开启应变采集系统进行信号采集；此刻从规定的高度将摆锤释放，让其自由摆动，并开启摆动装置；

步骤五，当到达设定的模拟采集时间，将摆锤收回不在让其的重力势能转换为摆动的动能，并将采集的应变数据进行导出并保存；结束当前数据采集实验，关闭数据采集系统。

进一步，步骤二中，所述确定法兰连接、预紧力、采集时间以及其他相关参数具体包括：

通过对法兰螺栓监测方式的不同来确定法兰连接；

根据螺栓松动情况的确定施加的预紧力，将螺栓固定在法兰上；

根据采集要求设定数据采集系统的参数；确定应变采集系统的初始化和采集时间。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述塔架振动的螺栓松动故障动态仿真方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的塔架振动的螺栓松动故障动态仿真方法。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明是采用较为简单的结构进行动态模拟塔架的振动，能够对螺栓松动故障的监测和故障特征提取实验提供较大的帮助，针对塔架的状态结构安全性评估的相关实验研究具有一定的重要意义。

另外，本发明可根据需求进行调整风力发电机模型的尺寸大小进行相关实验，可以进行风力发电机塔架表面应变数据采集监测进行相关的特性研究等。

本发明公开了一种风力发电机塔架安全监测技术和运行维护技术，具体公开了一种动态模拟风力发电机塔架振动的螺栓松动动力学特性和故障特征研究的实验台，可以应用于针对风力机塔架的安全性评估、法兰螺栓松动监测方案等相关验证实验。

本发明采用较为简单的结构进行动态模拟塔架的振动，能够对螺栓松动故障的监测和故障特征提取实验提供较大的帮助，解决了无法在实际风力发电机上难以进行相关螺栓松动故障的研究实验问题；本发明较为简单的模拟出风力机塔架一侧风向状态摆动下的螺栓松动故障的状态研究；本发明可以根据研究对象的风力发电机功率和塔架尺寸，在强度和材料满足一致的情况下，通过改变风力发电机塔架的参数(尺寸和螺栓材料等)，进行相关螺栓松动故障实验研究；本发明可以进行相关建模仿真与具体实验结果进行相关对比，可以对塔架和螺栓松动故障进行相关的优化实验。

附图说明

图1是本发明实施例提供的塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台结构示意图。

图中：1、塔架；2、法兰；3、螺栓；4、基座；5、摆动装置；6、底座。

图2是本发明实施例提供的塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台塔架的模型图。

图3是本发明实施例提供的塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台系统结构示意图。

图中：6、动态模拟模块；7、实时监测模块；8、松动程度变换模块；9、动态测试模块；10、数据采集分析模块；11、验证优化模块。

图4是本发明实施例提供的塔架振动的螺栓松动故障动态仿真方法流程图。

图5是本发明实施例提供的塔架振动的螺栓松动故障动态仿真方法原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的技术方案与技术效果做详细说明。

如图1-图2所示，本发明实施例提供的塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台硬件装置具体包括：

所述塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台硬件装置包括塔架1模型、法兰2、螺栓3、基座4、摆动装置5、底座6。

所述塔架1模型由钢板焊接而成，用于根据不同风力发电机的功率和塔架型号尺寸，在通过等比例缩小建模仿真后，确定其刚度和结构满足要求下进行模型加工。

所述法兰2通过厚钢板打孔焊接的方式与塔架1连接，用于通过高强度螺栓将两塔架1进行连接，所述法兰2孔数和孔径大小根据具体要求确定。

所述螺栓3通过扭力扳手与法兰2连接。

所述基座4与底座6相连，用于防止塔架下端左右摇晃。

所述摆动装置5利用一根钢管焊接在塔架1上。

所述底座6为固定风力机塔架基座的混凝土块；用于防止底端发生摇晃。

本发明实施例提供的螺栓3具体包括：

螺栓3材料为42CrMo的高强度螺栓。

螺栓3的大小根据具体要求与法兰2上孔径的大小进行选择。

本发明实施例提供的塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台硬件装置还包括：

所述硬件装置的动力装置为摆动装置5摆锤；利用摆动装置5摆锤的重力进行左右摆动带动塔架1急性左右摇晃，产生动态振动。

如图3所示，本发明实施例提供的塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台系统具体包括：

动态模拟模块6：用于通过摆动装置的摆动带动塔架的摆动，模拟低频的塔架动态振动状态。

实时监测模块7：用于在塔架振动状态下，对预埋应变片的螺栓内部应变进行实时监测。

松动程度变换模块8：用于通改变螺栓不同扭力值表示不同的松动程度。

动态测试模块9：用于基于不同的松动程度，在摆动装置摆锤相同高度条件下进行动态测试。

数据采集分析模块10：用于对不同松动程度的罗阿核算应变值数据进行采集并分析，得到相应的特征形式和表达式。

验证优化模块11：用于通过盲拧的方式，在不知道螺栓松动的程度预紧力的情况下对得到的特征形式和表达式进行验证；并通过不断的优化参数的方式对特征函数进行完善。

如图4所示，本发明实施例提供的塔架振动的螺栓松动故障动态仿真方法具体包括：

S101，预先设定基于预埋应变的螺栓松动模拟的操作流程；同时建立动态模拟模型、尺寸，设定摆动装置。

S102，通过预先建立的模型、尺寸以及预先设定摆动装置，利用立体建模的方式进行展示；根据不同的要求，确定预埋应变片传感器的选型和布置位置；通过对法兰螺栓监测方式的不同来确定法兰连接；根据螺栓松动情况的确定施加的预紧力，将螺栓固定在法兰上；根据采集要求设定数据采集系统的参数；确定应变采集系统的初始化和采集时间。

S103，确定模拟摆动装置的高度。

S104，开启应变采集系统进行信号采集；从规定的高度释放摆锤，让其自由摆动，开启摆动装置。

S105，到达模拟采集时间，将摆锤收回不在让其的重力势能转换为摆动的动能；结束当前数据采集实验，关闭采集系统。

图5是本发明实施例提供的塔架振动的螺栓松动故障动态仿真方法原理。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案与技术效果做进一步说明。

实施例1：

本发明实施例可以进行相关螺栓松动故障的动态研究实验(划线法、振动监测法等)，比如进行基于预埋应变的螺栓松动实验，主要原理通过摆动装置的摆动可以带动塔架的摆动，从而模拟出低频的塔架动态振动状态，从而对预埋应变片的螺栓内部应变进行实时监测。通过改变螺栓不同扭力值来表示不同的松动程度，在摆动装置摆锤相同高度条件下进行动态测试。对不同松动程度的罗阿核算应变值数据进行采集后进行分析，进而得出相应的特征形式和表达式，对判断螺栓松动的状态具有重要意义。

另外，可以通过盲拧的方式，不知道螺栓松动的程度预紧力的情况下，对之前的特征形式和表达式进行验证。通过不断的优化参数的方式对特征函数进行完善。

实施例2：

参照图1，本发明实施例提供的动态模拟风力发电机塔架振动的螺栓松动故障研究实验平台主要是由塔架模型、法兰、螺栓、基座、摆动装置、底座组成。

塔架模型，主要是实验的主体，它是根据实际的风力机的功率和塔架尺寸，通过等比例缩小和强度仿真满足要求的情况下，由实际塔架相同的材料加工而成。

法兰，主要是螺栓连接的安装位置固定的部件，它的材料和实际塔架的材料一致，具体尺寸根据塔架模型强度仿真结果满足要求后决定。

螺栓，主要是高强度螺栓、主要的研究对象，材料和尺寸根据具体的实验要求而定，螺栓作为螺栓松动故障研究的主要对象，具体的实际结构监测和实验方式有实验研究人员而定。

基座，主要是实验台的固定装置与底座相连，目的是防止塔架下端左右摇晃。

摆动装置，主要是实验台的动力装置，主要通过重物的左右摆动从而产生不同方向的反作用力，从而带动塔架的摆动，从而动态模拟出风力发电机塔架的振动。

底座，主要是固定风力机塔架基座的混凝土块，主要通过其的重力来稳定底部不摇晃。

参照图2，本发明实施例提供的动态模拟风力发电机塔架振动的螺栓松动故障研究实验平台的塔筒模型建模的尺寸图。

塔架模型，主要是由钢板焊接而成，根据不同风力发电机的功率和塔架型号尺寸，在通过等比例缩小建模仿真后，确定其刚度和结构满足要求下进行模型加工。

参照图5，本发明实施例提供的动态模拟风力发电机塔架振动的螺栓松动故障研究实验平台的示例实验，基于预埋应变的螺栓松动实验的操作流程。

通过前期建立模型和尺寸的方案，以及摆动装置的设计，进行立体建模的方式进行效果的展示。实际装置通过焊接的方式进行连接，法兰连接通过对法兰螺栓监测方式的不同来确定。

预埋应变片传感器，是根据不同的实验要求，对应变片传感器的选型和布置位置会有相应的变化。

螺栓的松紧程度，是根据螺栓松动情况的多少给其施加多大的预紧力，将螺栓固定在法兰上。

应变采集系统的初始化和采集时间的确定，是针对采集实验的方案要求对数据采集系统的参数进行相应的设定。

摆动装置高度的设定，是通过设定相同的摆动高度来设定相同的实验条件，以便于不同实验的条件一致的原则，由于实验台的振动动力来源是有摆锤的重力提供，所以高度必须保持一致。

信号采集，是开启应变采集系统。

摆动装置开启，是从规定的高度释放摆锤，让其自由摆动。

摆动停止，是当实验采集时间到时，将摆锤收回不在让其的重力势能转换为摆动的动能。

信号采集结束，是当前实验的数据采集实验结束，关闭采集系统。

在本发明中，摆动装置的动力装置是由摆锤的重力进行左右摆动带动塔架进行左右摇晃，从而产生动态振动的效果。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种塔架振动的螺栓松动故障动态仿真系统，其特征在于，所述塔架振动的螺栓松动故障动态仿真系统包括：

动态模拟模块：用于通过摆动装置的摆动带动塔架的摆动，模拟低频的塔架动态振动状态；

实时监测模块：用于在塔架振动状态下，对预埋应变片的螺栓内部应变进行实时监测；

松动程度变换模块：用于通改变螺栓不同扭力值表示不同的松动程度；

动态测试模块：用于基于不同的松动程度，在摆动装置摆锤相同高度条件下进行动态测试；

数据采集分析模块：用于对不同松动程度的罗阿核算应变值数据进行采集并分析，得到相应的特征形式和表达式；

验证优化模块：用于通过盲拧的方式，在不知道螺栓松动的程度预紧力的情况下对得到的特征形式和表达式进行验证；并通过不断的优化参数的方式对特征函数进行完善。

2.一种塔架振动的螺栓松动故障动态仿真方法，其特征在于，所述塔架振动的螺栓松动故障动态仿真方法包括：

步骤一，预先设定基于预埋应变的螺栓松动模拟的操作流程；同时建立动态模拟模型、尺寸，设定摆动装置；

步骤二，通过预先建立的模型、尺寸以及预先设定摆动装置，利用立体建模的方式进行展示；根据不同的要求，确定预埋应变片传感器的选型和布置位置；确定法兰连接、预紧力、采集时间以及相关参数；

步骤三，确定模拟摆动装置的高度；

步骤四，开启应变采集系统进行信号采集；从规定的高度释放摆锤，让其自由摆动，开启摆动装置；

步骤五，到达模拟采集时间，将摆锤收回不在让其的重力势能转换为摆动的动能；结束当前数据采集实验，关闭采集系统。

3.如权利要求2所述塔架振动的螺栓松动故障动态仿真方法，其特征在于，步骤二中，所述确定法兰连接、预紧力、采集时间以及相关参数具体包括：

通过对法兰螺栓监测方式的不同来确定法兰连接；

根据螺栓松动情况的确定施加的预紧力，将螺栓固定在法兰上；

根据采集要求设定数据采集系统的参数；确定应变采集系统的初始化和采集时间。

4.一种实现权利要求2～3任意一项所述塔架振动的螺栓松动故障动态仿真方法的信息数据处理终端。

5.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求2-3任意一项所述的塔架振动的螺栓松动故障动态仿真方法。

6.一种搭载权利要求1所述塔架振动的螺栓松动故障动态仿真系统的塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台，其特征在于，所述塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台包括：塔架模型、法兰、螺栓、基座、摆动装置、底座；

所述塔架模型由钢板焊接而成，用于根据不同风力发电机的功率和塔架型号尺寸，在通过等比例缩小建模仿真后，确定其刚度和结构满足要求下进行模型加工；

所述法兰通过厚钢板打孔焊接的方式与塔架连接，用于通过高强度螺栓将两塔架进行连接，所述法兰孔数和孔径大小根据具体要求确定；

所述螺栓通过扭力扳手与法兰连接；

所述基座与底座相连，用于防止塔架下端左右摇晃；

所述摆动装置利用一根钢管焊接在塔架上；

所述底座为固定风力机塔架基座的混凝土块；用于防止底端发生摇晃。

7.如权利要求6所述塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台，其特征在于，所述螺栓材料为42CrMo的高强度螺栓；螺栓的大小根据具体要求与法兰上孔径的大小进行选择。

8.如权利要求6所述塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台，其特征在于，所述塔架振动的螺栓松动故障动态仿真平台还包括：

动力装置，为摆动装置摆锤，利用摆动装置摆锤的重力进行左右摆动带动塔架急性左右摇晃，产生动态振动。