CN114427929A - 用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法、系统及其终端 - Google Patents

Abstract

本发明属于螺栓松动实时监测技术领域，公开了一种用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法、系统及其终端，用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法包括：通过将螺母和螺栓之间的相对位移量转换为磁铁磁力的变化，并利用压力传感器实时监测压力信号的变化，判断螺栓松动位移量，进行螺栓的松动监测。本发明提出了一种用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法，通过将螺母和螺栓之间的相对位移量转换为磁铁磁力的变化，进而转化为压力信号的变化，以实现螺栓的松动监测。本发明可用来解决现有监测手段效率低、周期长、自动化水平不高等问题，为风力机的安全可靠运行提供科学性指导。

Description

用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法、系统及其终端

技术领域

本发明属于螺栓松动实时监测技术领域，尤其涉及一种用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法、系统及其终端。

背景技术

目前，发展可再生能源、推动能源行业向绿色转型是实现这一目标过程中不可或缺的环节。近年来，风电行业在全球范围内发展迅速，而我国的风能资源十分丰富，风能资源总储量约为30亿kw。2020年，全国并网风电装机容量达28153万千瓦，同比增长34.6％，占全部装机容量的12.79％。风能已经成为了我国电力的重要来源，在发电中的占比仅次于火力和水力发电。

然而，风力资源的不确定性，会使得塔筒的连接螺栓长期受动载荷的作用，引起螺栓预紧力降低，产生松动。螺栓松动会导致塔筒间的连接力不足，遇到大风天气容易倒塌。风机倒塌不仅带来严重的财产损失，还有可能出现人员伤亡的安全隐患。2016年，某风电场发生一起风电机组倒塌事故，机组直接报废。事故发生的原因是风电机组中下段塔架的法兰连接处的螺栓发生了松动，但运维人员并没有及时发现这一问题，最终因为螺栓断裂导致塔架倒塌。

在这个背景下，需要寻找一种应用于风力机塔筒螺栓松动监测的低成本、高效的方法，以便及时发现螺栓松动的微小位移，提高风力机运行的安全性，减少因倒塌事故带来的经济损失。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)目前，关于螺栓松动监测技术的研究，主要有振动法、应变法、声发射法等。这些方法均需要配备精密的检测仪器或设备，在风力机塔架复杂的运行环境下检测精度低、使用寿命短；且风力机塔架法兰连接处螺栓数目众多，上述方法无法在保证经济性的前提下做到面面俱到。

(2)现有风场的螺栓松动监测还是依靠人力，工人会定期用力矩扳手检查螺栓预紧力，这方法费时费力，并且无法避免检查过程中出现漏检等问题。而且当螺栓承受过大的载荷时，会改变其金相组织，螺栓虽然看起来没有异样，但继续承受载荷时，螺栓很有可能会发生塑性变形，在极端情况下甚至会断裂。

(3)现有监测手段无法准确获知螺栓松动的位移量，自动化与信息化水平不高。

解决以上问题及缺陷的难度为：

风力机塔架螺栓数量众多，塔架内部电子电气干扰强，如何提高塔架螺栓松动监测的自动化与信息化水平是现有的一大难题。

解决以上问题及缺陷的意义为：

通过对风力机塔架螺栓松动监测的报警方法、系统及其终端的研究，能有效降低螺栓松动监测成本，防止倒塔事故的发生，提高风力机信息化运维水平。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法。

本发明是这样实现的，一种用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法，所述用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法包括：

通过将螺母和螺栓之间的相对位移量转换为磁铁磁力的变化，并利用压力传感器实时监测压力信号的变化，判断螺栓松动位移量，进行螺栓的松动监测。

进一步，所述用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法包括以下步骤：

步骤一，利用压力传感器实时检测风力机塔架螺栓松动监测装置的两块磁铁之间的压力信号，并对采集的压力信号进行处理；

步骤二，将处理后的压力信号进行编码传输；并对编码后的压力信号进行解码分析；

步骤三，基于压力信号的解码分析结果，判断螺栓松动位移量是否超过阈值，若超过阈值则发送报警信号进行报警。

进一步，所述对采集的压力信号进行处理包括：

利用切换矩阵采集多路应变压力传感器的信号，并将采集到的压力信号利用运算放大电路进行信号调理；同时进行现场信号模数转换及信号滤波处理。

进一步，所述基于压力信号的解码分析结果，判断螺栓松动位移量是否超过阈值之前还需进行：

通过测量不同螺栓松动位移量下的压力数值，拟合得到磁铁间压力与螺栓松动位移量之间的关系式。

进一步，所述磁铁间压力与螺栓松动位移量之间的关系式包括：

F＝a₀+a₁·δ+a₂·δ²+...+a_n·δⁿ；

其中，F表示磁铁间压力；δ表示螺栓松动位移量；n表示位移量δ的阶次；a₀,a₁,a₂,...,a_n表示待拟合的参数。

进一步，所述拟合参数的确定包括：

确定多项式系数[a₀,a₁,...a_n]表达式，如下：

采用高斯消元法、LU三角分解法、雅克比迭代法、逐次超松弛迭代法、高斯-赛德尔迭代法以及其他方法计算多项式系数[a₀,a₁,...a_n]表达式得到参数的拟合结果。

进一步，所述基于压力信号的解码分析结果，判断螺栓松动位移量是否超过阈值包括：

获取压力信号的解码分析结果，结合确定的磁铁间压力与螺栓松动位移量之间的关系式得到螺栓松动位移量数值，并判断所述螺栓松动位移量数值是否超出预设阈值。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法的风力机塔架螺栓松动监测装置，所述风力机塔架螺栓松动监测装置设置有：

两块吸附在一起的磁铁；

所述两块吸附在一起的磁铁与螺母之间通过绝缘环相连；所述螺母连接有待进行松动监测的螺栓；

所述两块吸附在一起的磁铁之间设置有压力传感器。

本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法，包括下列步骤：

步骤一，利用压力传感器实时检测风力机塔架螺栓松动监测装置的两块磁铁之间的压力信号，并对采集的压力信号进行处理；

步骤二，将处理后的压力信号进行编码传输；并对编码后的压力信号进行解码分析；

步骤三，基于压力信号的解码分析结果，判断螺栓松动位移量是否超过阈值，若超过阈值则发送报警信号进行报警。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

(1)本发明提出了一种用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法，通过将螺母和螺栓之间的相对位移量转换为磁铁磁力的变化，进而转化为压力信号的变化，以实现螺栓的松动监测。本发明可用来解决现有监测手段效率低、周期长、自动化水平不高等问题，为风力机的安全可靠运行提供科学性指导。

(2)本发明通过对压力信号的解码分析，可自动获取螺栓松动的位移量，信息化水平高。

(3)本发明提供的风力机塔筒螺栓松动监测装置，原理清晰，成本低廉、安装方便，可重复使用，且不会对螺栓造成影响。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法流程图。

图2是本发明实施例提供的风力机塔架螺栓松动监测装置结构示意图；

图中：1、螺栓；2、螺母；3、绝缘环；4、磁铁；5、压力传感器。

图3是本发明实施例提供的信号处理流程图。

图4是本发明实施例提供的风力机塔筒模型左视图。

图5是本发明实施例提供的风力机塔筒模型俯视图。

图6是本发明实施例提供的传感器所受压力变化图。

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。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例提供的用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法包括：

通过将螺母和螺栓之间的相对位移量转换为磁铁磁力的变化，并利用压力传感器实时监测压力信号的变化，判断螺栓松动位移量，进行螺栓的松动监测。

如图1所示，本发明实施例提供的用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法包括以下步骤：

S101，利用压力传感器实时检测风力机塔架螺栓松动监测装置的两块磁铁之间的压力信号，并对采集的压力信号进行处理；

S102，将处理后的压力信号进行编码传输；并对编码后的压力信号进行解码分析；

S103，基于压力信号的解码分析结果，判断螺栓松动位移量是否超过阈值，若超过阈值则发送报警信号进行报警。

本发明实施例提供的对采集的压力信号进行处理包括：

利用切换矩阵采集多路应变压力传感器的信号，并将采集到的压力信号利用运算放大电路进行信号调理；同时进行现场信号模数转换及信号滤波处理。

本发明实施例提供的基于压力信号的解码分析结果，判断螺栓松动位移量是否超过阈值之前还需进行：

通过测量不同螺栓松动位移量下的压力数值，拟合得到磁铁间压力与螺栓松动位移量之间的关系式。

本发明实施例提供的磁铁间压力与螺栓松动位移量之间的关系式包括：

F＝a₀+a₁·δ+a₂·δ²+...+a_n·δⁿ；

其中，F表示磁铁间压力；δ表示螺栓松动位移量；n表示位移量δ的阶次；a₀,a₁,a₂,...,a_n表示待拟合的参数。

本发明实施例提供的拟合参数的确定包括：

确定多项式系数[a₀,a₁,...a_n]表达式，如下：

采用高斯消元法、LU三角分解法、雅克比迭代法、逐次超松弛迭代法、高斯-赛德尔迭代法以及其他方法计算多项式系数[a₀,a₁,...a_n]表达式得到参数的拟合结果。

本发明实施例提供的基于压力信号的解码分析结果，判断螺栓松动位移量是否超过阈值包括：

获取压力信号的解码分析结果，结合确定的磁铁间压力与螺栓松动位移量之间的关系式得到螺栓松动位移量数值，并判断所述螺栓松动位移量数值是否超出预设阈值。

如图2所示，本发明实施例提供的风力机塔架螺栓松动监测装置设置有：

两块吸附在一起的磁铁4；

两块吸附在一起的磁铁4与螺母2之间通过绝缘环3相连；螺母2连接有待进行松动监测的螺栓1；

两块吸附在一起的磁铁4之间设置有压力传感器5。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1：

一种应用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)螺栓松动位移信号转换为压力信号

预警螺栓，将两块磁铁吸附在一起后与螺母之间通过绝缘环相连，磁铁与螺栓没有直接接触，磁力的作用使得磁铁与绝缘环能克服重力作用吸附在螺母下端；螺栓松动产生向下的位移会使得磁铁磁力发生变化，进而改变磁铁之间压力。

(2)获取转换后的压力信号，并进行编码传输

将压力传感器置于两块磁铁之间，压力传感器具有压力数值的实时测量、显示功能，可将实时测量的压力信号进行编码传输；

(3)解码接收到的压力信号，得出螺栓松动位移量；

对编码后的压力信号进行解码分析，判别螺栓松动位移量是否超过阈值，若超过阈值则发送报警信号进行报警。

进一步地，多路应变传感器的信号通过切换矩阵进行采集，采集到的信号经过运算放大电路进行信号调理，然后通过现场信号模数转换及信号滤波处理等，最后通过网络进入远程数据处理中心进行趋势分析，通过算法来决策是否产生了松动现象。

进一步地，所述压力传感器受到下方磁铁与上方磁铁、下方磁铁与螺栓、下方磁铁与螺母、下方磁铁与塔筒之间磁力作用。其中，磁铁吸引力大小与磁铁所产生的磁场强度和磁极强度成正比：

F＝mH

式中，m为磁极强度，H为磁场强度。磁极所产生的磁场强度与距离的3次方成反比，即距离越大，磁力越小；距离越小，磁力越大。

进一步地，所述螺栓松动监测方法中，磁力的具体数值难以通过理论计算得出，在实际运用中可通过测量不同螺栓松动位移量下的压力数值，拟合出磁铁间压力与螺栓松动位移量之间的关系式。这样，通过对压力信号进行解码分析，可以得到螺栓松动的位移量。

进一步地，所述螺栓松动监测方法中，磁铁间压力F与螺栓松动位移量δ通过多项式拟合，拟合公式为：

F＝a₀+a₁·δ+a₂·δ²+...+a_n·δⁿ

式中，n为位移量δ的阶次，一般取为3，a₀,a₁,a₂,...,a_n为待拟合的参数，通过最小二乘法拟合。最小二乘法表示的误差为

为了使目标函数最优，对每个系数求其偏导数为0：

......

整理上式，可得

求解多项式系数[a₀,a₁,...a_n]可采用多种方法，例如高斯消元法、LU三角分解法、雅克比迭代法、逐次超松弛(SOR)迭代法、高斯-赛德尔迭代法等。

如图1所示，本发明提供的风力机塔架螺栓松动的报警方法主要由螺栓松动位移信号转换为压力信号、获取转换后的压力信号并进行编码传输、解码接收到的压力信号得出螺栓松动位移量三大步骤组成。

其中，本实施例螺栓松动监测装置安装示意图如图2所示，包含有螺栓1；螺母2；绝缘环3：通过磁力与螺母紧密接触；磁铁4：与螺栓、螺母、塔筒之间存在磁力，磁力使磁铁和塑料环固定在螺母下方；压力传感器5：位于多片磁铁中间，受到下方磁铁与上方磁铁、下方磁铁与螺栓、下方磁铁与螺母、下方磁铁与塔筒之间磁力作用，并可提供具体压力数值。

图3所示是本发明信号处理流程。多路应变传感器的信号通过切换矩阵进行采集，采集到的信号经过运算放大电路进行信号调理，然后通过现场信号模数转换及信号滤波处理等，最后通过网络进入远程数据处理中心进行趋势分析，通过算法来决策是否产生了松动现象。

下面结合具体实验数据对本发明的技术方案作进一步描述。

为进一步详细说明本发明实例的实施过程，现取具体数据进行计算说明。本发明实施例实验装置如图4-图5所示，搭建的实验台架主体部分为由高强度钢经过机加工和焊接方式加工成的风力机塔架模型，法兰连接螺栓选择M16的9.9级别螺栓，选用苏州能斯达DF9-40系列柔性薄膜压力传感器测量磁铁之间压力。在实验台架螺栓上进行实验，测量8个不同距离下传感器的压力，每个距离下测量10次数据，然后计算出相同距离下的平均压力值，最后采用平均压力值进行作为最终的数据，最终得到的实验数据统计见表1。

表1不同松动距离下的压力传感器数值

距离(mm)	0	1	2	3	4	5	6	7
									第1次(N)	2.67	2.44	2.27	2.13	1.96	1.84	1.69	1.68
第2次(N)	2.59	2.45	2.29	2.05	1.96	1.92	1.74	1.59
									第3次(N)	2.47	2.45	2.23	2.02	1.93	1.81	1.75	1.73
第4次(N)	2.63	2.42	2.17	2.09	1.92	1.8	1.81	1.68
									第5次(N)	2.66	2.47	2.17	2.12	1.97	1.87	1.73	1.64
第6次(N)	2.61	2.33	2.22	2.04	1.95	1.79	1.76	1.69
									第7次(N)	2.63	2.38	2.28	2.16	1.95	1.83	1.77	1.71
第8次(N)	2.71	2.35	2.21	2.17	1.91	1.82	1.76	1.73
									第9次(N)	2.71	2.41	2.22	2.15	2.00	1.85	1.77	1.64
第10次(N)	2.59	2.32	2.31	2.05	2.03	1.82	1.71	1.69
									平均	2.627	2.402	2.237	2.098	1.958	1.835	1.749	1.678

根据实验结果绘制出了实验中压力传感器所受压力与螺母到法兰距离之间的关系如图6所示。可以看出，随着螺栓松动位移量的增加，磁铁间压力逐渐降低，也就是说，该压力传感器的数据可以反应螺栓松动状况的变化。

进一步地，采用最小二乘法拟合出来的压力-位移量公式为

F＝2.62-0.2186·δ+0.01447·δ²-0.0003636·δ³

本实施例采用高斯消元法是通用方法，在多项式拟合求解中有很多方法可以使用，高斯消元法只是其中之一。

不同螺栓松动位移量下，磁铁间压力拟合数值见表2。

表2不同松动位移量下的磁铁间压力拟合值

因此，在实际的螺栓松动监测中，通过对压力信号进行解码分析，可以得到螺栓松动的位移量数值。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法，其特征在于，所述用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法包括：

通过将螺母和螺栓之间的相对位移量转换为磁铁磁力的变化，并利用压力传感器实时监测压力信号的变化，判断螺栓松动位移量，进行螺栓的松动监测。

2.如权利要求1所述用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法，其特征在于，所述用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法包括以下步骤：

步骤一，利用压力传感器实时检测风力机塔架螺栓松动监测装置的两块磁铁之间的压力信号，并对采集的压力信号进行处理；

步骤二，将处理后的压力信号进行编码传输；并对编码后的压力信号进行解码分析；

步骤三，基于压力信号的解码分析结果，判断螺栓松动位移量是否超过阈值，若超过阈值则发送报警信号进行报警。

3.如权利要求2所述用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法，其特征在于，所述对采集的压力信号进行处理包括：

利用切换矩阵采集多路应变压力传感器的信号，并将采集到的压力信号利用运算放大电路进行信号调理；同时进行现场信号模数转换及信号滤波处理。

4.如权利要求2所述用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法，其特征在于，所述基于压力信号的解码分析结果，判断螺栓松动位移量是否超过阈值之前还需进行：

通过测量不同螺栓松动位移量下的压力数值，拟合得到磁铁间压力与螺栓松动位移量之间的关系式。

5.如权利要求4所述用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法，其特征在于，所述磁铁间压力与螺栓松动位移量之间的关系式包括：

F＝a₀+a₁·δ+a₂·δ²+...+a_n·δⁿ；

其中，F表示磁铁间压力；δ表示螺栓松动位移量；n表示位移量δ的阶次；a₀,a₁,a₂,...,a_n表示待拟合的参数。

6.如权利要求5所述用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法，其特征在于，所述拟合参数的确定包括：

确定多项式系数[a₀,a₁,...a_n]表达式，如下：

采用高斯消元法、LU三角分解法、雅克比迭代法、逐次超松弛迭代法、高斯-赛德尔迭代法以及其他方法计算多项式系数[a₀,a₁,...a_n]表达式得到参数的拟合结果。

7.如权利要求2所述用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法，其特征在于，所述基于压力信号的解码分析结果，判断螺栓松动位移量是否超过阈值包括：

获取压力信号的解码分析结果，结合确定的磁铁间压力与螺栓松动位移量之间的关系式得到螺栓松动位移量数值，并判断所述螺栓松动位移量数值是否超出预设阈值。

8.一种实施如权利要求1-7任意一项所述用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法的风力机塔架螺栓松动监测装置，其特征在于，所述风力机塔架螺栓松动监测装置设置有：

两块吸附在一起的磁铁；

所述两块吸附在一起的磁铁与螺母之间通过绝缘环相连；所述螺母连接有待进行松动监测的螺栓；

所述两块吸附在一起的磁铁之间设置有压力传感器。

9.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行如权利要求1-7任意一项所述用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法，包括下列步骤：

步骤一，利用压力传感器实时检测风力机塔架螺栓松动监测装置的两块磁铁之间的压力信号，并对采集的压力信号进行处理；

步骤二，将处理后的压力信号进行编码传输；并对编码后的压力信号进行解码分析；

步骤三，基于压力信号的解码分析结果，判断螺栓松动位移量是否超过阈值，若超过阈值则发送报警信号进行报警。

10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1-7任意一项所述用于风力机塔架螺栓松动监测的报警方法。

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