CN112857651A - 超声波风机法兰螺栓轴力监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于风电机组安全监测技术领域，涉及一种安装便捷式的超声波风机法兰螺栓轴力监测系统。本系统主要包括探头组、系统控制机箱、计算机信息处理软件系统。本系统所用超声探头通过螺栓紧固的方式紧固于探头连接件上，探头连接件通过螺母紧固于风机法兰螺栓上。本系统控制机箱包括多通道超声波发射电路、多通道超声波接收和放大滤波电路、信号传输电路、网线接口、电源接口等；本系统中计算机信息处理软件系统包括各通道采集模块的开关控制模块、接收及显示模块、轴力计算模块、法兰面各监测螺栓分布模块、报警模块等。本发明结构简单、拆装方便，可实现对整个法兰中各螺栓轴力的实时监测。

Description

超声波风机法兰螺栓轴力监测系统

技术领域

本发明属于风电机组安全监测技术领域，设计一种基于声弹性原理的安装便捷式超声波风机法兰螺栓轴力监测系统。

背景技术

风力发电是较为成熟的可再生能源技术，越来越受到世界各国的重视。风力发电机的塔筒，叶片，轮毂，机舱等的连接均采用螺栓作为紧固件。因此，螺栓的松动与否将会对整个风机系统的稳定性有很大的影响，严重者可能会导致整个风机的损坏。螺栓的轴力能直接反应螺栓的受力状态，尤其能直接反应螺栓是否松动或断裂。因此，对其风机法兰螺栓轴力的故障诊断及在线监测十分有必要。

基于声弹性原理的超声波测量技术，在螺栓的轴力测量中已有较为广泛应用，无论实验还是实际应用均已较为成熟。因此该方案在风机法兰连接螺栓轴力测量中可以发挥较大的应用价值。

风机螺栓轴力在线监测系统，是集计算机与控制、信号处理与分析、物联网、大数据等先进技术于一体的智能化监测系统。它可以将实时采集的风机螺栓的传感信号传输到远程数据分析中心，对传感信号进行分析，判断风机螺栓实时的受力情况，再依据受力情况进行安全故障的判断。另外，也可以根据螺栓实时受力分析的数据分析，进一步判断风机的叶片载荷以及螺栓的疲劳等。可以全生命周期对螺栓进行监测，对螺栓的受力机理及破坏机理会有更深层次的认识。

在现有风机螺栓超声监测系统中，主要存在以下问题：涂抹液体耦合剂；探头与所测螺栓的连接不方便。以上问题给螺栓超声监测系统的安装及使用带来了极大的不便，本发明提供了一种机械连接的方法，将探头与所测螺栓用机械连接的方式连接起来，安装及拆卸均较为方便。另外，此连接方法将薄橡胶垫夹紧在探头与所测螺栓间作为固体耦合剂，从而省去了要经常涂抹液体耦合剂这一繁琐的工作。综上所述，本发明提供的方法能很好解决以上主要问题。

发明内容

本发明提供了一种基于声弹性原理的安装便捷式超声波风机法兰螺栓轴力监测系统。此系统主要用来解决一般监测系统无法实时监测螺栓轴力、无法方便安装超声探头以及超声探头与螺栓接触面间液体耦合剂的使用不便、发射与接收及滤波电路设计、多通道信号传输与处理、计算机处理软件系统等问题。

本发明采用的技术方案是：

基于声弹性原理的安装便捷式超声波风机法兰螺栓轴力监测系统，该系统主要包括探头组、系统控制机箱、计算机信息处理软件系统。

所述(探头组)所用超声探头外壳为带外螺纹的外壳，外壳的外螺纹有两个薄螺母紧固于探头连接件上；

所述超声探头连接件为一金属薄片折弯成型或塑料模具成型的中心带孔连接件，连接件端头两端均开有直孔，用以螺栓紧固；连接件与所测螺栓之螺丝匹配螺母用螺栓紧固连接；

所述匹配螺母边缘开螺纹孔匹配连接件两端所开直孔；连接件端头开直孔螺栓连接在匹配螺母螺纹孔中；

所述超声探头穿过连接件中心孔，通过探头上两个薄螺母夹紧连接件紧固；

所述连接件通过螺栓与匹配螺母通过螺纹孔用螺栓紧固；

所述超声探头与所测螺栓头接触面间采用橡胶垫作为固体耦合剂；

所述匹配螺母与所测螺栓螺丝匹配，螺旋紧固；

在风机螺栓轴力监测系统中，超声探头的安装便捷性是整套系统能否顺利实施的非常重要的因素，此方案的设计非常巧妙的利用了风机法兰螺栓端头带有螺纹这一固有特点，实现机械紧固，给超声探头的安装带来了极大的便利性。

所述的基于声弹性原理的安装便捷式超声波风机法兰螺栓轴力监测系统，该系统控制机箱包括多通道超声波发射电路、多通道超声波接收和放大滤波电路、信号传输电路、网线接口、电源接口等；

所述系统控制机箱中多通道超声波发射电路可以实现同时激发多路多通道超声波脉冲，并发射到不同通道的超声波探头中；

所述系统控制机箱中多通道超声波接收和放大滤波电路可以实现同时接收多路多通道超声波脉冲在螺栓中的回波，并且可以将回波放大，进而将信号通过网络传输介质传输计算机中。

所述的基于声弹性原理的安装便捷式超声波风机法兰螺栓轴力监测系统，该系统计算机信息处理软件系统包括各通道采集模块的开关控制模块、接收及显示模块、轴力计算监测模块、整个法兰各监测螺栓轴力分布模块、报警模块等。

所述计算机信息处理软件系统中各通道采集模块的开关控制模块可以控制法兰中各个超声探头的开关，打开则探头发射与接收超声波，断开则中断发射；

所述计算机信息处理软件系统中各通道采集模块的接收及显示模块可以在开关打开后实时显示当前超声探头的波形图；

所述计算机信息处理软件系统中各通道轴力计算监测模块可以在接收及显示模块基础上进行螺栓轴力的计算并实时显示于模块上；

所述计算机信息处理软件系统中整个法兰各监测螺栓轴力分布模块可以在显示区域显示整体法兰中各探头序号及在法兰中的位置，并同时显示各探头对应的实时螺栓轴力值。

所述计算机信息处理软件系统中各通道报警模块可以在轴力计算监测模块基础上进行实时对比螺栓轴力，超出固定阈值自动报警，并显示在模块上。

本发明的有益效果是：

(1)结构简单、成本低；

(2)可以实时监测法兰螺栓轴力；

(3)可以方便安装超声探头；

(4)超声探头与螺栓接触面间采用固体耦合剂，解决了液体等耦合剂使用极大不方便；

(5)发射与接收及滤波电路设计，可在此电路上直接实现多路多通道采集模块；

(6)计算机处理软件系统中解决信号采集及轴力分析等实时监测软件模块。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为探头连接线及系统控制机箱连接结构示意图；

图3为超声探头与螺栓连接结构示意图；

图4为超声探头结构示意图；

图5为超声探头连接件结构示意图；

图6为超声探头匹配螺母示意图。

图中编号：

1-系统控制机箱，2-探头与机箱连接线，3-探头与机箱连接线插头，4-系统控制机箱电源插头，5-网线，6-超声探头，7-探头外螺纹固定螺母，8-探头固定连接件，9-橡胶垫(固体耦合剂)，10-连接件固定螺丝，11-连接件固定螺母(法兰螺栓匹配螺母)，12-系统控制机箱探头线插孔，13-网线插头。

具体实施方式

本发明提供了一种基于声弹性原理的安装便捷式超声波风机法兰螺栓轴力监测系统，下面结合附图对本发明的结构原理与工作原理作进一步的说明。

如图1所示，该系统主要包括超声探头组、超声探头连接线、系统控制机箱、计算机信息处理软件系统。

如图2所示超声探头6固定于风机法兰螺栓上，探头6通过探头线2与系统控制机箱1探头线接口12相连，系统控制箱1内部设有超声脉冲发射与接收及滤波电路，脉冲发射电路可以发射脉冲到超声探头，接收电路可以接收超声波反射回波，滤波电路将接收信号放大，通过网络线缆5传输到计算机信息处理软件，计算机信息处理软件对各信号进行处理，进而计算得出各探头对应的螺栓轴力情况。

如图3所示为超声探头6与法兰螺栓的连接紧固示意图，超声探头6外壳为带外螺纹的金属外壳，金属外壳的外螺纹有两个薄螺母7紧固于探头连接件8上，探头连接件8与风机法兰所测螺栓之螺丝匹配螺母11用螺栓10紧固连接，匹配螺母拧到所测螺栓螺丝头部。超声探头6穿过探头连接件8的中心孔，通过探头上两个薄螺母7将超声探头6与探头连接件8紧固。超声探头6与所测螺栓头接触面间采用橡胶垫9作为固体耦合剂，通过拧紧匹配螺母11将超声探头6端面压紧橡胶垫9到所测螺栓端头上。

系统控制机箱连接电源，打开开关，计算机信息处理软件系统打开以后，可以实时监测各通道对应的螺栓轴力情况。

本系统的工作过程如下：

首先将匹配螺母与探头连接件用螺栓紧固，将超声探头紧固于探头连接件上，将探头及匹配螺母整体旋紧于所测螺栓头螺丝处，旋紧过程中，将橡胶垫(固体耦合剂)放在探头顶端与所测螺栓头之间，随着匹配螺母旋紧量的增加，探头顶端与所测螺栓头将橡胶垫(固体耦合剂)压紧。

探头线一端连接到超声探头，另一端连接到系统控制机箱探头连接插孔。系统控制机箱网线端口插接传输网线一端，传输网线另一端连接计算机主机。系统控制机箱电源插头插电，计算机主机电源连接，打开计算机，打开计算机信息处理软件。可实时显示各通道各探头对应螺栓的实时轴力监测情况。

Claims (3)

1.超声波风机法兰螺栓轴力监测系统，其特征主要包括探头组、系统控制机箱、计算机信息处理软件系统。

所述探头组所用超声探头外壳为带外螺纹的硬质材料外壳，硬质材料外壳的外螺纹有两个薄螺母紧固于探头连接件上；

所述超声探头连接件为一硬质材料成型的中心带孔连接件，连接件端头两端均开有直孔，用以螺栓紧固；连接件与风机法兰所测螺栓之螺丝匹配螺母用螺栓紧固连接；

所述匹配螺母边缘开螺纹孔匹配连接件两端所开直孔；连接件端头开直孔螺栓连接在匹配螺母螺纹孔中；

所述超声探头穿过连接件中心孔，通过探头上两个薄螺母夹紧连接件紧固；

所述连接件通过螺栓与匹配螺母通过螺纹孔用螺栓紧固；

所述超声探头与所测螺栓头接触面间采用橡胶垫作为固体耦合剂；

所述匹配螺母与所测螺栓螺丝匹配，螺旋紧固；

在风机螺栓轴力监测系统中，超声探头的安装便捷性是整套系统能否顺利实施的非常重要的因素，此方案的设计非常巧妙的利用了风机法兰螺栓端头带有螺纹这一固有特点，实现机械紧固，给超声探头的安装带来了极大的便利性。

2.根据权利要求1所述的超声波风机法兰螺栓轴力监测系统，其特征在于系统控制机箱包括多通道超声波发射电路、多通道超声波接收和放大滤波电路、信号传输电路、网线接口、电源接口等；

所述系统控制机箱中多通道超声波发射电路可以实现同时激发多路多通道超声波脉冲，并发射到不同通道的超声波探头中；

所述系统控制机箱中多通道超声波接收和放大滤波电路可以实现同时接收多路多通道超声波脉冲在螺栓中的回波，并且可以将回波放大，进而将信号通过网络传输介质传输计算机中。

3.根据权利要求1所述的超声波风机法兰螺栓轴力监测系统，其特征在于计算机信息处理软件系统包括各通道采集模块的开关控制模块、接收及显示模块、轴力计算监测模块、整个法兰各监测螺栓轴力分布模块、报警模块等。

所述计算机信息处理软件系统中各通道采集模块的开关控制模块可以控制法兰中各个超声探头的开关，打开则探头发射与接收超声波，断开则中断发射；

所述计算机信息处理软件系统中各通道采集模块的接收及显示模块可以在开关打开后实时显示当前超声探头的波形图；

所述计算机信息处理软件系统中各通道轴力计算监测模块可以在接收及显示模块基础上进行螺栓轴力的计算并实时显示于模块上；

所述计算机信息处理软件系统中整个法兰各监测螺栓轴力分布模块可以在显示区域显示整体法兰中各探头序号及在法兰中的位置，并同时显示各探头对应的实时螺栓轴力值。

所述计算机信息处理软件系统中各通道报警模块可以在轴力计算监测模块基础上进行实时对比螺栓轴力，超出固定阈值自动报警，并显示在模块上。

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