CN206208823U - 旋转构件裂纹在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种旋转构件裂纹在线监测系统，包括一个或多个数据采集装置，数据采集装置包括：裂纹检测传感器，设置于待测旋转构件的应力集中位置，用于检测旋转构件上的裂纹情况并生成阻值信号；数据采集模块，设置于待测旋转构件上，用于采集裂纹检测传感器生成的阻值信号；无线发射模块，与数据采集模块电连接，用于发射数据采集模块采集到的阻值信号。本实用新型实施例的旋转构件裂纹在线监测系统能够对旋转构件实施在线监测，以及时发现裂纹并防止裂纹扩展、形变，保证旋转构件的安全运转。

Description

旋转构件裂纹在线监测系统

技术领域

本实用新型涉及损伤监测技术领域，具体涉及一种旋转构件裂纹在线监测系统。

背景技术

风能作为清洁能源，人们一直在尝试制造各种风能利用装置。随着科技的发展，近现代社会，人们制造出风力发电机，以对风能进行开发利用。

风力发电机是将风能转化为电能的装置，主要包括机舱、轮毂、塔架和叶片等部件。为了更好地利用风能，需要叶片以最佳的位置获取风力，因此叶片与轮毂之间安装有旋转机构(例如，变桨轴承)，从而能够调整叶片的位置，以使得叶片更好地被风力驱动。在长期使用后，旋转机构的旋转构件(例如轴承的外圈)容易出现裂纹，而这会直接影响到设备的正常运行，甚至造成不可估量的损失。裂纹产生的原因，主要为旋转构件的某一部分承受的应力较为集中，超过了设计载荷。因此，需要对旋转构件的应力集中的位置监测，以及时发现裂纹并进行处理。

对于实时运行的风力发电机组而言，需要对旋转机构的旋转构件(例如变桨轴承、偏航轴承等)进行实时监测，以及时发现裂纹并防止裂纹扩展、形变。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种旋转构件裂纹在线监测系统，能够对轴承等旋转构件的表面裂纹情况进行实时地在线监测，以及时发现裂纹并防止裂纹扩展、形变，保证旋转构件的安全运转。

针对上述问题，根据本实用新型实施例一方面提出了一种旋转构件裂纹在线监测系统，包括一个或多个数据采集装置，所述数据采集装置包括：裂纹检测传感器，设置于待测旋转构件的应力集中位置，用于检测旋转构件上的裂纹情况并生成阻值信号；数据采集模块，设置于待测旋转构件上，用于采集裂纹检测传感器生成的阻值信号；无线发射模块，与数据采集模块电连接，用于发射数据采集模块采集到的阻值信号。

根据本实用新型实施例的一个方面，旋转构件裂纹在线监测系统进一步还包括数据接收装置，数据接收装置包括无线接收模块，用于接收无线发射模块发射的阻值信号。

根据本实用新型实施例的一个方面，数据接收装置进一步还包括数据接收模块，与无线接收模块电连接，用于接收无线接收模块传输的阻值信号。

根据本实用新型实施例的一个方面，数据接收装置进一步还包括报警模块，与数据接收模块电连接，用于根据接收数据接收模块接收到的阻值信号生成报警信号。

根据本实用新型实施例的一个方面，数据采集装置进一步包括电池模块，设置于待测旋转构件，电池模块用于向数据采集模块和无线发射模块供电。

根据本实用新型实施例的一个方面，数据采集装置进一步还包括控制器，与无线发射模块电连接，用于控制无线发射模块在工作状态和待机状态之间切换。

根据本实用新型实施例的一个方面，裂纹检测传感器包括一个裂纹应变片或者多个相互串联的裂纹应变片，阻值信号包括裂纹应变片的导通和断开时的阻值信号。

根据本实用新型实施例的一个方面，裂纹应变片包括一根电阻丝。

根据本实用新型实施例的一个方面，电阻丝包括第一端部、第二端部以及设置在第一端部和第二端部之间的弯折段，其中，转动轴弯折段从第一端部起始沿第一方向直线延伸一段距离后再沿与第一方向垂直的第二方向延伸一段距离，然后在沿与第一方向相反的第三方向延伸一段距离，依次循环直至第二端部停止延伸。

根据本实用新型实施例的一个方面，数据采集模块和无线发射模块通过磁性支座或者粘接剂安装到旋转构件的表面上，或者，数据采集模块和无线发射模块通过中间固定件与旋转构件固定连接。

根据本实用新型实施例提供的旋转构件裂纹在线监测系统，其能够通过裂纹检测传感器的阻值信号来判断旋转构件的表面有无裂纹产生，并且在经过数据采集模块以及无线发射模块将阻值信号发射出去，从而使得本实用新型实施例的旋转构件裂纹在线监测系统能够对旋转构件实施在线监测，以及时发现裂纹并防止裂纹扩展、形变，保证旋转构件的安全运转。

附图说明

下面将参考附图来描述本实用新型示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本实用新型实施例的数据采集装置的结构示意图。

图2是本实用新型实施例的裂纹检测应变片的结构示意图。

图3是本实用新型实施例的旋转构件裂纹在线监测系统的结构示意图。

图4是本实用新型实施例的旋转构件裂纹在线监测系统使用状态示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

标记说明：

1、裂纹在线监测系统；1a、数据采集装置；1b、数据接收装置；

11、裂纹检测传感器；11a、裂纹检测应变片；111、基片；112、电阻丝；112a、第一端部；112b、第二端部；112c、弯折段；

12、数据采集模块；

13、无线发射模块；

14、电池模块；

15、控制器；

16、无线接收模块；

17、数据接收模块；

18、电源；

19、报警模块；

20、磁性支座；

99、轴承；991、外圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本实用新型的原理，但不能用来限制本实用新型的范围，即本实用新型不限于所描述的实施例。

本实用新型实施例的旋转构件裂纹在线监测系统1，用于对旋转构件的表面进行在线监测，以实时监测旋转构件的表面是否产生裂纹。特别是对风力发电机的变桨轴承和偏航轴承等低速旋转的轴承外圈进行在线监测，以避免由于不能及时发现变桨轴承和偏航轴承的外圈产生的裂纹而导致构件损坏的情况。当变桨轴承和偏航轴承的外圈的出现裂纹时，旋转构件裂纹在线监测系统1会及时发出警报，提醒维护人员及时进行处理，避免造成损失。以下以变桨轴承或偏航轴承等轴承构件为实施例来具体介绍，但以下实施例并不限定本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例的裂纹在线监测系统1包括一个或多个数据采集装置1a。如图1所示，数据采集装置1a包括用于安装在风力发电机组变桨轴承上应力集中位置处的裂纹检测传感器11、与裂纹检测传感器11电连接的数据采集模块12以及与数据采集模块12电连接的无线发射模块13。其中，本实施例中变桨轴承上的应力集中位置为轴承外圈。当然，在其他应用场景中，应力集中位置还可以为轴承内圈。

如图2所示，本实施例的裂纹检测传感器11包括一个或多个裂纹检测应变片11a。裂纹检测应变片11a包括基片111以及设置在基片111上的一根电阻丝112。在使用本实施例的裂纹检测应变片11a时，将基片111贴在轴承99的外圈991应力集中的位置上，以保证电阻丝112与轴承99的外圈991之间连接牢靠。电阻丝112包括第一端部112a、第二端部112b以及设置在第一端部112a和第二端部112b之间的弯折段112c。该弯折段112c的结构是往复弯折，即从第一端部111a起始沿第一方向直线延伸一段距离后再沿与第一方向垂直的第二延伸一段距离，然后在沿与第一方向相反的第三方向延伸一段距离，依次循环直至第二端部111b停止延伸。电阻丝112的弯折段112c与轴承99的轴线垂直。该电阻丝112是细长结构，其长度范围是六厘米至十厘米。优选地，电阻丝112的长度是十厘米，一方面保证裂纹检测应变片11a尽可能地覆盖更大区域，以保证覆盖应力集中位置，提高监测精度；另一方面，方便裂纹检测应变片11a贴附在轴承99的外圈991。

当轴承99的外圈991表面产生裂纹时，裂纹会对电阻丝112产生拉应力，当该拉应力超过电阻丝112的设计预应承载力时，电阻丝112会被拉断，从而使得裂纹检测应变片11a由导通状态切换至断开状态。裂纹检测应变片11a通过通/断状态来检测轴承99的外圈991的裂纹情况并生成阻值信号。裂纹检测应变片11a处于导通状态时，阻值信号是自身阻值，处于断开状态时，阻值信号是无穷大。

由于设置的电阻丝112只有一根，且电阻丝112为细长结构，因此，出现裂纹时裂纹检测应变片11a的电阻丝112容易被拉断，裂纹检测应变片11a能够监测轴承99的外圈991出现的较小的裂纹，监测精度高。当需要对轴承99的外圈991特定位置进行监测时，可以在轴承99的外圈991上粘贴一个或多个裂纹检测应变片11a，以覆盖该特定位置。当需要对轴承99的外圈991多个位置进行监测时，可以在轴承99的外圈991上粘贴多个裂纹检测应变片11a，以保证覆盖所有监测位置。这些多个裂纹检测应变片11a可以串联连接，并周向均匀分布在轴承99的外圈991表面上。采用具有一根细长结构的电阻丝112的裂纹检测应变片11a的通/断状态来对轴承99的外圈991的裂纹产生情况进行监测，灵敏度高，检测精度高。

本实施例的数据采集模块12用于采集裂纹检测应变片11a的阻值信号，其上设置有信号测量端子。裂纹检测应变片11a的两端连接在信号测量端子上，以使得数据采集模块12能够采集裂纹检测应变片11a的通/断状态产生的阻值信号。本实施例的每个数据采集模块12可以串联5至15个裂纹检测应变片11a。数据采集模块12上设置有状态指示灯。指示灯为红色时，表示裂纹检测应变片11a处于断开状态，为绿色时，表示裂纹检测应变片11a正常。

本实施例的数据采集模块12安装固定连接在轴承99的外圈991上，能够随同轴承99的外圈991同步转动。该连接方式可以是在数据采集模块12的外表面上设置四个磁性支座20。磁性支座20通过磁吸力吸附到轴承99的外圈991上以固定数据采集模块12，这样方便安装、拆卸数据采集模块12，也方便调整数据采集模块12在轴承99的外圈991表面上的位置。该连接方式也可以是数据采集模块12通过粘接剂粘附到轴承99的外圈991上进行固定，该方式简单易操作，适应范围广。该连接方式还可以是预先在与轴承99的外圈991相连接的中间固定件(例如叶片的根部)钻出螺纹孔，然后使用螺钉将数据采集模块12固定在中间固定件上，连接牢靠，保证转动过程中数据采集模块12的稳定性。

本实施例的无线发射模块13与数据采集模块12电连接，用于发射数据采集模块12接收到的阻值信号。当轴承99的外圈991在旋转状态时，无线发射模块13也可以实时发射信号而不会受到轴承99转动的影响，从而使得本实施例的裂纹在线监测系统1可以对轴承99的外圈991进行实时监测。本实施例的无线发射模块13可以是zigbee天线、蓝牙模块或者wifi模块。

如图3、图4所示，本实施例的数据采集装置1a还包括与无线发射模块13连接的控制器15。控制器15用于控制无线发射模块13在定时工作状态和定时待机状态之间切换。在控制器15的控制下，无线发射模块13可以定时开启一段时间，然后进入待机状态。在一个实施例中，控制器15能够控制无线发射模块13定时启动且每次启动工作60秒，然后进入待机状态。

如图3、图4所示，本实施例的数据采集装置1a还包括电池模块14。电池模块14用于对数据采集模块12和无线发射模块13进行较长时间地独立供电，从而在轴承99的外圈991转动状态下，独立的电池模块14能够正常地为数据采集模块12和无线发射模块13提供电能。电池模块14与安装固定连接在轴承99的外圈991上，能够随同轴承99的外圈991同步转动。该连接方式可以是在电池模块14的外表面上设置四个磁性支座20，磁性支座20吸附到轴承99的外圈991上以固定电池模块14，这样方便安装、拆卸电池模块14，也方便调整电池模块14在轴承99的外圈991表面上的位置。该连接方式也可以是电池模块14通过粘接剂粘附到轴承99的外圈991上进行固定，该方式简单易操作。该连接方式还可以是预先在与轴承99的外圈991相连接的叶片的根部钻出螺纹孔，然后使用螺钉将电池模块14固定在叶片根部，连接牢靠，保证转动过程中电池模块14的稳定性。

电池模块14可以是锂电池，在保证电池容量较大的情况下，可以减轻整个电池模块14的重量。电池模块14还可以是干电池。在温度偏低的环境下，干电池依然可以正常地释放电能，提升了裂纹在线监测系统1的适应能力，扩大了其应用范围。

当轴承99的外圈991出现裂纹且该裂纹能够使得覆盖该裂纹的裂纹检测应变片11a断开时，本实施例的裂纹在线监测系统1的数据采集模块12能够及时采集到裂纹检测应变片11a的断开阻值信号，并且将该断开阻值信号转换成数字阻值信号发送到无线发射模块13，最后经由无线发射模块13将该数字阻值信号发射出去。

本实施例中，由于裂纹的产生过程需要一定的时间，因此不需要无线发射模块13二十四小时处于工作状态。控制器15能够控制无线发射模块13定时启动且每次启动工作60秒，然后进入待机状态。这样，一方面，在满足监测要求，不出现漏检情况下，合理利用裂纹在线监测系统1，避免不必要的部件损耗，另一方面，可以节约电能，延长电池模块14的使用时间，延长电池模块14的更换周期。本实施例的控制器15可以是定时器。

本实施例的裂纹检测应变片11a通过导通状态或断开状态的阻值信号来反映出轴承99的外圈991是否出现裂纹。数据采集模块12检测到裂纹检测应变片11a导通或断开时，会将表示裂纹检测应变片11a导通或断开状态的阻值信号发送到无线发射模块13。无线发射模块13会将阻值信号发射出去。

如图3、图4所示，本实用新型实施例的裂纹在线监测系统1还包括数据接收装置1b。数据接收装置1b包括无线接收模块16。无线接收模块16能够接收无线发射模块13发出的阻值信号。由于轴承外圈在工作时会处于转动状态，因此裂纹在线监测系统1通过这种无线传输的方式实现信号的传输可以对转动状态下的轴承进行实时监测。无线接收模块16可以是zigbee天线、蓝牙模块或者wifi模块。

本实用新型实施例的数据接收装置1b还包括数据接收模块17。数据接收模块17与无线接收模块16相连接。数据接收模块17能够接收由无线接收模块16传输过来的阻值信号。

本实施例的数据接收模块17和无线接收模块16均使用220V/24V的电源18供电，避免数据接收模块17和无线接收模块16出现断电情况而导致漏检，也使得数据接收模块17和无线接收模块16可以二十四小时不间断工作。数据接收模块17和无线接收模块16每二十四小时进行一次逻辑判断，只要能够采集到30秒的连续信号，即可认为轴承99外圈991的监测点没有出现裂纹。

本实施例中，在风力发电机组的三个变桨轴承上分别设置一套如图1所示的数据采集装置1a，每套数据采集装置1a中的无线发射模块13发射的信号，均可以由数据接收装置1b接收，数据接收模块17可以同时处理由无线接收模块16接收到的三个无线发射模块13发出的阻值信号。

不限于此，对于其他的应用场景而言，可以设置一套或者多套数据采集装置1a，与一套数据接收装置1b进行无线通信。

数据接收模块17根据接收到的阻值信号生成电平信号。当数据接收模块17确定三个无线发射模块13发出的信号全部正常时，数据接收模块17根据接收到的阻值信号判断电阻丝为导通状态，数据接收模块17输出24伏的高电平信号。高电平信号被输出到报警模块19，报警模块19判断为正常信号，表示所有裂纹检测应变片11a处于正常导通状态，阻值正常，轴承外圈无裂纹产生，无需停机检修。当三个无线发射模块13发出的信号中有至少一个信号出现异常时，数据接收模块17根据接收到的阻值信号判断电阻丝为断开状态，数据接收模块17输出0伏的低电平信号。低电平信号被输出到报警模块19，报警模块19判断为异常信号，表示所有裂纹检测应变片11a中存在已经发生断开的裂纹检测应变片11a，轴承外圈产生裂纹，此时需要停机检修，避免出现严重事故。报警模块19通过高、低电平信号来及时判断轴承外圈是否出现裂纹的方式，准确度高。

报警模块19包括报警单元。接收到的信号为高电平信号时，报警单元不工作。当报警模块19收到的信号为低电平信号时，报警模块19向报警单元发出报警信号，报警单元及时发出警示，以引起操作者的注意，避免疏忽遗漏。警示的方式可以是指示灯的颜色变化、闪断或者可以是蜂鸣。

本实施例的报警模块19可以理解为设置于控制器中的功能模块，也可以理解为与控制器分离地进行设置，作为独立的硬件单元。优选地，报警模块19可以设置在工控机中。

本实用新型实施例的裂纹在线监测系统1通过采用与轴承外圈相连接的裂纹检测应变片11a、数据采集模块12、无线发射模块13以及电池模块14和无线接收模块16、数据接收模块17以来对轴承外圈进行在线监测，通过报警模块19显示监测结果，从而当轴承外圈产生裂纹时，操作人员能够及时发现并进行处理，避免因未及时处理裂纹情况而导致构件损坏发生严重事故。

尤其是，风力发电机组中安装变桨轴承或者偏航轴承的区域空间狭小，而且轴承外圈处于实时转动状态，无法安装整体体积较大或对安装方式有特殊要求或者只能采用有线传输数据方式的监测设备。由于本实施例的数据采集模块12、无线发射模块13以及电池模块14均与轴承外圈上，并通过无线发射模块13来向外传送信号，因此本实施例的数据采集模块12、无线发射模块13以及电池模块14能够对轴承外圈进行监测，且可以进行实时监测，保证轴承的安全性。

虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种旋转构件裂纹在线监测系统(1)，其特征在于，包括一个或多个数据采集装置(1a)，所述数据采集装置(1a)包括：

裂纹检测传感器(11)，设置于待测旋转构件的应力集中位置，用于检测所述旋转构件上的裂纹情况并生成阻值信号；

数据采集模块(12)，设置于所述待测旋转构件上，用于采集所述裂纹检测传感器(11)生成的阻值信号；

无线发射模块(13)，与所述数据采集模块(12)电连接，用于发射所述数据采集模块(12)采集到的所述阻值信号。

2.根据权利要求1所述的旋转构件裂纹在线监测系统(1)，其特征在于，进一步还包括数据接收装置(1b)，所述数据接收装置(1b)包括无线接收模块(16)，用于接收所述无线发射模块(13)发射的所述阻值信号。

3.根据权利要求2所述的旋转构件裂纹在线监测系统(1)，其特征在于，所述数据接收装置(1b)进一步还包括数据接收模块(17)，与所述无线接收模块(16)电连接，用于接收所述无线接收模块(16)传输的所述阻值信号。

4.根据权利要求3所述的旋转构件裂纹在线监测系统(1)，其特征在于，所述数据接收装置(1b)进一步还包括报警模块(19)，与所述数据接收模块(17)电连接，用于根据所述数据接收模块(17)接收到的所述阻值信号生成报警信号。

5.根据权利要求1所述的旋转构件裂纹在线监测系统(1)，其特征在于，所述数据采集装置(1a)进一步包括电池模块(14)，设置于所述待测旋转构件上，所述电池模块(14)用于向所述数据采集模块(12)和所述无线发射模块(13)供电。

6.根据权利要求1所述的旋转构件裂纹在线监测系统(1)，其特征在于，所述数据采集装置(1a)进一步还包括控制器(15)，与所述无线发射模块(13)电连接，用于控制所述无线发射模块(13)在定时工作状态和定时待机状态之间切换。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的旋转构件裂纹在线监测系统(1)，其特征在于，所述裂纹检测传感器(11)包括一个裂纹应变片(11a)，或者多个相互串联的裂纹应变片(11a)，所述阻值信号包括所述裂纹应变片(11a)的导通和断开时的阻值信号。

8.根据权利要求7所述的旋转构件裂纹在线监测系统(1)，其特征在于，所述裂纹应变片(11a)包括一根电阻丝(112)。

9.根据权利要求8所述的旋转构件裂纹在线监测系统(1)，其特征在于，所述电阻丝(112)包括第一端部(112a)、第二端部(112b)以及设置在所述第一端部(112a)和所述第二端部(112b)之间的弯折段(112c)，其中，所述弯折段(112c)从所述第一端部(112a)起始沿第一方向直线延伸一段距离后再沿与第一方向垂直的第二方向延伸一段距离，然后在沿与第一方向相反的第三方向延伸一段距离，依次循环直至所述第二端部(112b)停止延伸。

10.根据权利要求1所述的旋转构件裂纹在线监测系统(1)，其特征在于，所述数据采集模块(12)和所述无线发射模块(13)通过磁性支座(20)或者粘接剂安装到所述旋转构件的表面上，或者，所述数据采集模块(12)和所述无线发射模块(13)通过中间固定件与所述旋转构件固定连接。