CN112833805A - 螺栓或螺母的松动监测装置及系统 - Google Patents

螺栓或螺母的松动监测装置及系统 Download PDF

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CN112833805A CN201911153767.7A CN201911153767A CN112833805A CN 112833805 A CN112833805 A CN 112833805A CN 201911153767 A CN201911153767 A CN 201911153767A CN 112833805 A CN112833805 A CN 112833805A
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Abstract

本发明公开了一种螺栓或螺母的松动监测装置及系统，所述螺栓或螺母被用于紧固在一基座上，且所述螺栓或螺母具有非圆形头部，所述松动监测装置包括：光纤形变传感器和支撑装置；所述光纤形变传感器具有形变感应段，所述支撑装置设于所述基座上并用于支撑所述光纤形变传感器，所述光纤形变传感器的形变感应段被设置成位于所述非圆形头部的对应位置，以使得所述形变感应段在非圆形头部转动时产生形变。本发明提供的螺栓或螺母的松动监测装置及系统实现了螺栓或螺母的松动监控，能及时发现螺栓或螺母的松动及断裂情况，以便及时维修，提高了风力发电机巡检维护的科学性与可靠性，实现了螺栓或螺母状态的自动监测功能。

Description

螺栓或螺母的松动监测装置及系统
技术领域
本发明涉及固定螺栓或螺母状态监控技术，尤其涉及一种螺栓或螺母的松动监测装置及系统。
背景技术
目前风力发电行业在全世界达到大力推广，由于设置地点多为海上或沿海偏远山区等，日常维护极为不便。而且大型用螺栓或螺母极多(一台大型风力发电机上固定螺栓多达500个以上)，由于环境特别恶劣，风力发电机上固定螺栓或螺母极易产生松动，而螺栓或螺母松动将会导致风力发电机损坏甚至倒塌。风力发电机组正常运行期间，高强螺栓或螺母的巡检周期一般为半年至一年，巡检周期间隔较长，螺栓或螺母出现松动或断裂的情况不能够及时发现，且每次巡检耗费大量的时间、人力、物力，尤其对于海上风电机组，深入海岸线以内数公里，机组巡检不方便，巡检费用较高等问题比较突出。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中螺栓或螺母的松动监测的缺陷，提供一种螺栓或螺母的松动监测装置及系统。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种螺栓或螺母的松动监测装置，所述螺栓或螺母被用于紧固在一基座上，且所述螺栓或螺母具有非圆形头部，所述松动监测装置包括：
光纤形变传感器和支撑装置；
所述光纤形变传感器具有形变感应段，所述支撑装置设于所述基座上并用于支撑所述光纤形变传感器，所述光纤形变传感器的形变感应段被设置成位于所述非圆形头部的对应位置，以使得所述形变感应段在非圆形头部转动时产生形变。
较佳地，所述松动监测装置还包括安装底座，所述安装底座包括固定部和容纳部，所述固定部用于固定所述支撑装置，所述容纳部用于容纳所述螺栓或螺母。
较佳地，所述容纳部具体为一通孔，所述安装底座通过所述通孔套设于所述螺栓或螺母上。
较佳地，所述支撑装置包括两个支撑架；
所述支撑架上设置有凹槽，所述光纤形变传感器的两端设有限位部，所述光纤形变传感器的两端分别固定设置在所述支撑架的凹槽内，所述限位部与所述支撑架的凹槽的外侧壁贴合；
或，所述支撑架上设置有卡合部，所述光纤形变传感器两端固设有连接部，所述光纤形变传感器两端的连接部分别卡合在所述支撑架上的卡合部内。
较佳地，所述螺栓或螺母的头部为多边形，所述光纤形变传感器的形变感应段贴设于所述头部的一条边。
一种螺栓或螺母的松动监测系统，所述松动监测系统包括至少一个上述所述的螺栓或螺母的松动监测装置，所述松动监测系统还包括信号解析装置和激光发射装置；
所述信号解析装置和所述激光发射装置分别与所述松动监测装置中的所述光纤形变传感器通信连接；
所述激光发射装置用于向所述光纤形变传感器发射激光；所述信号解析装置用于接收并解析所述光纤形变传感器返回的光信号，并根据解析的结果判断出产生松动的螺栓或螺母。
较佳地，所述信号解析装置中预存有所述光纤形变传感器的编号与所述螺栓或螺母的编号的第一对应关系，以及所述光纤形变传感器的编号与敏感波段的第二对应关系；
所述信号解析装置用于解析所述光纤形变传感器返回的光信号的中心波长，根据所述光信号的中心波长和所述第二对应关系确定所述光纤形变传感器的编号，再根据所述光纤形变传感器的编号和所述第一对应关系，确定所述光信号对应的螺栓或螺母的编号。
较佳地，所述信号解析装置还用于根据所述解析的结果计算出所述产生松动的螺栓或螺母的松动角度；
所述信号解析装置中还预存有所述光纤形变传感器的编号与敏感波段的标准中心波长的第三对应关系；
所述信号解析装置根据所述光纤形变传感器的编号和所述第三对应关系确定所述光纤形变传感器的标准中心波长，再将所述光纤形变传感器返回的光信号的中心波长与所述标准中心波长进行比较，计算出所述光信号对应的螺栓或螺母产生的松动角度。
较佳地，所述松动监测系统还包括报警装置；所述报警装置和所述信号解析装置通信连接；
所述报警装置用于接收所述信号解析装置上传的数据，所述数据包括所述螺栓或螺母的编号和所述螺栓或螺母产生的松动角度，当所述松动角度超过阈值时，生成与所述螺栓或螺母的编号相对应的报警信号。
较佳地，所述松动监测系统还包括报警装置；所述报警装置和所述信号解析装置通信连接；
所述报警装置用于在预设时间段内未接收到所述信号解析装置上传的数据时，所述数据包括所述螺栓或螺母的编号，生成与未接收到的所述螺栓或螺母的编号相对应的报警信号。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供的螺栓或螺母的松动监测装置及系统实现了螺栓或螺母的松动监控，能及时发现螺栓或螺母的松动及断裂情况，以便及时维修，提高了风力发电机巡检维护的科学性与可靠性，实现了螺栓或螺母状态自动监测功能。
附图说明
图1为本发明的实施例1的螺栓的松动监测装置结构示意图。
图2为本发明的实施例1的安装底座结构示意图。
图3为本发明的实施例1的螺栓未发生松动时的位置结构示意图。
图4为本发明的实施例1的螺栓发生松动时的位置结构示意图。
图5a和5b为本发明的实施例1的光纤形变传感器另一种安装结构示意图。
图6为本发明的实施例1的多个螺栓的松动监测装置的结构示意图。
图7为本发明实施例2的螺栓的松动监测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
如图1所示，本发明的实施例1的螺栓的松动监测装置结构示意图，该螺栓的松动监测装置包括光纤形变传感器1和支撑装置3，光纤形变传感器1具有形变感应段12，被监测螺栓2被用于紧固在基座上，本实施例中被测螺栓2为六角螺栓，其头部为六角形，光纤形变传感器的形变感应段12被设置成紧贴六角螺栓2六角形头部的一条边，在六角螺栓2发生松动时其六角形头部做旋转运动，使得光纤形变传感器的形变感应段12产生形变，光纤形变传感器1会输出形变信号，以监测到螺栓产生松动。
本发明的螺栓的松动监测装置中被监测螺栓的头部还可以是四角形或其他任何非圆形形状。
本实施例的螺栓的松动监测装置中同时使用两个光纤形变传感器1监测同一颗螺栓的松动情况。两个光纤形变传感器1平行设置在六角螺栓2的六角形头部的相对边，两个光纤形变传感器的形变感应段12分别贴设在六角螺栓2的六角形头部的一条边上。
本实施例的螺栓的松动监测装置中光纤形变传感器1的数量和设置方式不限于本实施例，任何以光纤形变传感器的形变感应段12产生形变的方式监测螺栓松动的方式，本质上都落入本发明保护的范围。
支撑装置3设于基座上用于支撑光纤形变传感器1，支撑装置3包括两个支撑架31；支撑架31上设置有凹槽32，光纤形变传感器1的两端设有限位部11，光纤形变传感器1的两端分别固定设置在支撑架的凹槽32内，限位部11与支撑架的凹槽32的外侧壁贴合，用于固定光纤形变传感器1。
本发明的螺栓的松动监测装置，支撑架上31还可以设置有卡合部，光纤形变传感器1两端还可以固设有连接部，光纤形变传感器1的两端的连接部分别卡合在支撑架31上的卡合部内，实现固定光纤形变传感器1的目的。
本实施例的螺栓的松动监测装置还包括安装底座4，安装底座4设于基座上；支撑装置3固设在安装底座4上。
本实施例的螺栓的松动监测装置中支撑装置3还可以通过固定胶或螺栓直接固定在基座上。
如图2所示，本发明的实施例1的安装底座结构示意图。安装底座4包括固定部41和容纳部42，固定部41用于固定支撑装置3，容纳部42用于容纳螺栓2。本实施例中安装底座4上的容纳部42具体为一通孔，安装底座4通过通孔套设于螺栓2上。
本发明的实施例的螺栓的松动监测装置实现螺栓松动监测的原理如下：
如图3所示，本发明的实施例1的螺栓未发生松动时的位置结构示意图。本实施例的螺栓的松动监测装置包括两个光纤形变传感器1，光纤形变传感器1固定于安装底座4上支撑架31的两侧，且两个光纤形变传感器1平行设置，与六角螺栓2六角拧紧面相平行，在螺栓2未发生松动情况下光纤形变传感器的形变感应段12不受力，只受温度影响有微弱的热胀冷缩，此时，光纤形变传感器1输出的形变信号为无或是输出微弱的形变信号。
如图4所示，本发明的实施例1的螺栓发生松动时的位置结构示意图。在螺栓松动时，六角螺栓2平行面做旋转运动，螺栓2的六角尖角使光纤形变传感器的形变感应段12受力发生变形，甚至断裂。此时，光纤形变传感器1输出较大形变信号或输出信号缺失。例如，当螺栓2发生松动转动45°时，螺栓2的六角尖角使光纤形变传感器的形变感应段12变形3.5mm或光纤形变传感器的形变感应段12被拉断，此时，光纤形变传感器1输出较大形变信号或输出信号缺失，表明螺栓2发生松动。考虑单个传感器的不确定性，使用两个光纤形变传感器1同时监测，感应点一致，如果两个光纤形变传感器1输出的形变信号变化量相同，表明被测螺栓2发生松动，将测量结果做后台分析，以使测试结果更加可靠。
如图5a所示，本发明的实施例1的光纤形变传感器另一种安装结构示意图，光纤形变传感器1的两端弯折，形变感应段12贴设在螺栓2的头部的一边，以适应不同的安装空间。
如图5b所示，本发明的实施例1的光纤形变传感器另一种安装结构示意图，两个光纤形变传感器1并行设置在同一支撑架上，两个光纤形变传感器1的两端同时弯折，两个传感器的形变感应段12同时贴设在螺栓2的头部的一边，以适应不同的安装空间，同时提供测试可靠性。
本实施例的螺栓松动监测装置中，一个螺栓同时受到两个传感器的监测，以保证出现一个传感器失效的特殊情况下，依然可以保障监测的正常运行，实现了提高测试准确性和可靠性的目的。
本实施例的螺栓的松动监测装置同样适用于螺母的松动监测，所述螺母具有非圆形头部。
如图6所示，本发明的实施例的多个螺栓的松动监测装置的结构示意图。
该松动监测装置中包括若干个上述螺栓的松动监测装置，每个螺栓的松动监测装置均被固定在基座上，每个螺栓的松动监测装置包含两个光纤形变传感1，该两个光纤形变传感1平行设置在六角螺栓2的相对边上，两个光纤形变传感1的形变感应段12分别紧贴六角螺栓2的一条边，在六角螺栓2发生松动时使形变感应段12产生形变，光纤形变传感1输出形变信号。
一般风机上有多个螺栓，在关键螺栓处安装上述螺栓松动监测装置，可以实现螺栓状态的自动在线监测。
实施例2
本实施例公开了一种螺栓的松动监测系统。如图7所示，本发明实施例2的螺栓的松动监测系统的结构示意图，该系统中包括若干实施例1中的螺栓的松动监测装置100，该松动监测系统还包括信号解析装置200和激光发射装置300；
信号解析装置200与松动监测装置100中的光纤形变传感器通信连接；
激光发射装置300与松动监测装置100中的光纤形变传感器通信连接；
激光发射装置300用于向光纤形变传感器发射激光；信号解析装置200用于接收并解析光纤形变传感器返回的光信号，并根据解析的结果判断出产生松动的螺栓或螺母。
信号解析装置200与光纤形变传感器之间的通信连接为有线通信连接。
信号解析装置200中预存有光纤形变传感器的编号与螺栓的编号的第一对应关系、光纤形变传感器的编号与敏感波段的第二对应关系以及光纤形变传感器的编号与敏感波段的标准中心波长的第三对应关系。
每个光纤形变传感器对应特定波长的光具有敏感性，所述敏感性是指光纤形变传感器对某一特定波长的光能发生反射或衍射。
本实施例中信号解析装置200使用扫频激光器，具备波长快速扫描功能，可在任意可选波长上进行工作，从指定起始波长到指定终止波长进行指定速度的线性波长扫描，使用扫频激光器对光纤形变传感器返回的光信号进行分析，能得出该光信号的中心波长。当光纤形变传感器接收到激光发射装置300发射的激光后，对某一特定波长的光发生反射或衍射。信号解析装置200解析接收到的光纤形变传感器返回的光信号，当扫描到光纤形变传感器返回的光信号的中心波长时，会查找光纤形变传感器的编号与敏感波段的第二对应关系，查找该中心波长在哪个敏感波段内以确定出光纤形变传感器的编号。再通过查找光纤形变传感器的编号与螺栓的编号的第一对应关系确定出螺栓的编号。
螺栓在安装时设置有编号，如L1、L2到Ln；每个螺栓上的两个光纤形变传感器也同样设置有编号，如T1a和T1b、T2a和T2b到Tna和Tnb；编号为T1a的光纤形变传感器可以反射或衍射332nm的光，编号为T1b的光纤形变传感器可以反射或衍射中心波长为352nm的光。因此，当信号解析装置200解析出接收到的光纤形变传感器返回的光信号的中心波长为332nm时，查找332nm在哪个敏感波段，再通过第一对应关系可以确定是编号为T1a的光纤形变传感器，以此确定光纤形变传感器的编号，再通过查找第二对应关系确定编号T1a的光纤形变传感器对应的螺栓编号为L1。
信号解析装置200还用于根据光纤形变传感器返回的光信号计算出产生松动的螺栓的松动角度。信号解析装置200根据光纤形变传感器返回的光信号的中心波长，将光纤形变传感器返回的光信号的中心波长与敏感波段的标准中心波长进行比较，计算出对应的螺栓产生的松动角度，再通过查找光纤形变传感器的编号与敏感波段的标准中心波长的第三对应关系确定光纤形变传感器的编号，再确定对应的螺栓产生的松动角度。
例如，当某一光纤形变传感器由于对应的螺栓发生松动而受到拉力变形时，其反射回来的光信号的中心波长会发生偏移，但是每个光纤形变传感器反射的光信号的中心波长的偏移量是有限的，本实施例中确保每个光纤形变传感器反射的光信号的中心波长在发生最大偏移时，也不会相重合。因此根据信号解析装置200接收到的光纤形变传感器返回的光信号的中心波长发生偏移时，也能确定反射该光的光纤形变传感器的编号；比如信号解析装置200接收到的光纤形变传感器返回的光信号的中心波长为334nm，该波长334nm在编号为T1a的光纤形变传感器反射的光信号的中心波长的最大偏移范围，通过第一对应关系可以确认是编号为T1a的光纤形变传感器发生了形变。再通过查找第三对应关系，确定编号为T1a的光纤形变传感器的敏感波段的标准中心波长为332nm，通过将编号为T1a的光纤形变传感器返回的光信号的中心波长334nm减去其敏感波段的标准中心波长332nm得出编号为T1a的光纤形变传感器发生2nm形变，得出螺栓发生5°松动，再进一步根据光纤形变传感器与螺栓的对应编号，得到螺栓编号以确定是哪一个螺栓发生了松动。
本实施例中的螺栓的松动监测系统还包括报警装置400，报警装置400和信号解析装置200无线通信连接；信号解析装置200解析出的数据包括螺栓的编号和螺栓产生的松动角度；信号解析装置200解析出的数据上传到报警装置400，报警装置400判断螺栓产生的松动角度是否超过预设阀值，若超过预设阀值，则报警装置400会生成与螺栓的编号相对应的报警信号；报警装置400如果在预设时间段内未接收到信号解析装置200上传的数据时，假设预设时间是10秒，将会生成与未接收到的螺栓的编号相对应的报警信号。如果螺栓发生松动较小时，光纤形变传感器的形变感应段不发生断裂而发生变形，此时信号解析装置200接收到光纤形变传感器输出的形变信号，预设螺栓的松动角度阀值是5°，当报警装置400接收到的松动角度大于5°时，便认为螺栓产生松动，报警装置400会生成报警信号并发送至运营方，营运方下发维修指令，同时监控后续松动情况。如果一个螺栓松动则带动螺栓两侧的光纤形变传感器的形变感应段均发生拉伸变形，拉伸的光纤形变传感器的形变感应段的极限是传感器的形变感应段断裂，此时信号源信号丢失，信号解析装置200检测到信号丢失。如果信号解析装置200检测到光纤形变传感器输出的信号缺失，既光纤形变传感器的形变感应段被拉断了，表示对应的螺栓出现较大松动，应该进行维修并且更换传感器，此时，信号解析装置200根据收到的光纤形变传感器返回的光信号确定正常的光纤形变传感器的编号，以此确定发生断裂的光纤形变传感器的编号，再确定具体某一个或某一些编号的螺栓发生松动，报警装置400发预警给营运方，营运方下发维修指令。正常情况下一颗螺栓松动会持续，光纤形变传感器会持续检测到形变数据，所以在监测到螺栓松动角度较小时也可先做维修备案，继续进行监测。而且，一颗螺栓松动即会造成其余螺栓同时松动，此时信号解析装置200可全部记录所有螺栓的松动信息。
本实施例的螺栓的松动监测系统，在风机叶片、固定底座等关键螺栓处，加上两个光纤形变传感器，光纤形变传感器在形变感应段产生形变时输出形变信号；所有光纤形变传感器的输出信号传输给信号解析装置200，信号解析装置200把每一个点的信号通过Wi-Fi(Wireless Fidelity，行动热点)信号传输给风机运营方做数据分析，及时发现问题，预警后维修，无需盲目无目的维护。
本实施例的螺栓松动监测系统中，一个螺栓同时受到两个传感器的监测，以保证出现一个传感器失效的特殊情况下，依然可以保障监测的正常运行，实现了提高测试准确性和可靠性的目的。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种螺栓或螺母的松动监测装置，所述螺栓或螺母被用于紧固在一基座上，且所述螺栓或螺母具有非圆形头部，其特征在于，所述松动监测装置包括：
光纤形变传感器和支撑装置；
所述光纤形变传感器具有形变感应段，所述支撑装置设于所述基座上并用于支撑所述光纤形变传感器，所述光纤形变传感器的形变感应段被设置成位于所述非圆形头部的对应位置，以使得所述形变感应段在非圆形头部转动时产生形变。
2.如权利要求1所述的螺栓或螺母的松动监测装置，其特征在于，所述松动监测装置还包括安装底座，所述安装底座包括固定部和容纳部，所述固定部用于固定所述支撑装置，所述容纳部用于容纳所述螺栓或螺母。
3.如权利要求2所述的螺栓或螺母的松动监测装置，其特征在于，所述容纳部具体为一通孔，所述安装底座通过所述通孔套设于所述螺栓或螺母上。
4.如权利要求1所述的螺栓或螺母的松动监测装置，其特征在于，所述支撑装置包括两个支撑架；
所述支撑架上设置有凹槽，所述光纤形变传感器的两端设有限位部，所述光纤形变传感器的两端分别固定设置在所述支撑架的凹槽内，所述限位部与所述支撑架的凹槽的外侧壁贴合；
或，所述支撑架上设置有卡合部，所述光纤形变传感器两端固设有连接部，所述光纤形变传感器两端的连接部分别卡合在所述支撑架上的卡合部内。
5.如权利要求1所述的螺栓或螺母的松动监测装置，其特征在于，所述螺栓或螺母的头部为多边形，所述光纤形变传感器的形变感应段贴设于所述头部的一条边。
6.一种螺栓或螺母的松动监测系统，其特征在于，所述松动监测系统包括至少一个如权利要求1-5中任一项所述的螺栓或螺母的松动监测装置，所述松动监测系统还包括信号解析装置和激光发射装置；
所述信号解析装置和所述激光发射装置分别与所述松动监测装置中的所述光纤形变传感器通信连接；
所述激光发射装置用于向所述光纤形变传感器发射激光；所述信号解析装置用于接收并解析所述光纤形变传感器返回的光信号，并根据解析的结果判断出产生松动的螺栓或螺母。
7.如权利要求6所述的螺栓或螺母的松动监测系统，其特征在于，所述信号解析装置中预存有所述光纤形变传感器的编号与所述螺栓或螺母的编号的第一对应关系，以及所述光纤形变传感器的编号与敏感波段的第二对应关系；
所述信号解析装置用于解析所述光纤形变传感器返回的光信号的中心波长，根据所述光信号的中心波长和所述第二对应关系确定所述光纤形变传感器的编号，再根据所述光纤形变传感器的编号和所述第一对应关系，确定所述光信号对应的螺栓或螺母的编号。
8.如权利要求7所述的螺栓或螺母的松动监测系统，其特征在于，所述信号解析装置还用于根据所述解析的结果计算出所述产生松动的螺栓或螺母的松动角度；
所述信号解析装置中还预存有所述光纤形变传感器的编号与敏感波段的标准中心波长的第三对应关系；
所述信号解析装置根据所述光纤形变传感器的编号和所述第三对应关系确定所述光纤形变传感器的标准中心波长，再将所述光纤形变传感器返回的光信号的中心波长与所述标准中心波长进行比较，计算出所述光信号对应的螺栓或螺母产生的松动角度。
9.如权利要求8所述的螺栓或螺母的松动监测系统，其特征在于，所述松动监测系统还包括报警装置；所述报警装置和所述信号解析装置通信连接；
所述报警装置用于接收所述信号解析装置上传的数据，所述数据包括所述螺栓或螺母的编号和所述螺栓或螺母产生的松动角度，当所述松动角度超过阈值时，生成与所述螺栓或螺母的编号相对应的报警信号。
10.如权利要求7所述的螺栓或螺母的松动监测系统，其特征在于，所述松动监测系统还包括报警装置；所述报警装置和所述信号解析装置通信连接；
所述报警装置用于在预设时间段内未接收到所述信号解析装置上传的数据时，所述数据包括所述螺栓或螺母的编号，生成与未接收到的所述螺栓或螺母的编号相对应的报警信号。
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