CN209148192U - 风力发电机螺栓紧固应力监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种风力发电机螺栓紧固应力监测系统，监测系统包括依次连通的监测探头、通道采集器、通讯控制器、主控器、网络管理平台、电站工作站、云端/后台服务器、远程监控站；所述监测探头安装在风力发电机的叶片根部整圈联接螺栓的端部；所述通讯控制器包括依次连通的回波带通滤波器、高通/低通滤波器、阈值电路板、超声声时采集器。本实用新型的监测系统通过实时在线监测风力发电机螺栓紧固应力，为风力发电机的故障分析诊断提供有效手段和设备。

Description

风力发电机螺栓紧固应力监测系统

技术领域

本实用新型涉及监测设备技术领域，具体来说，涉及一种风力发电机螺栓紧固应力监测系统。

背景技术

风力发电是大规模利用可再生新能源的重要途径，随着全球风电产业的迅猛发展，装机规模和单机容量不断扩大。风电叶片是风力发电机捕获风能的核心部件，多采用10.9级高强度螺栓与主机联接。风电叶片的联接螺栓在运转中承受交变载荷，工作载荷大、受力复杂，常因振动松脱、疲劳甚至断裂而导致风电机组运行事故，给国家和企业造成巨大的经济损失。此外，由于螺栓安装操作不规范、螺栓质量差等因素导致的风电机组运行故障也屡见不鲜。早期安装的风电机组，螺栓联接零件已经进入损耗周期，因此导致的故障也逐渐显现。目前，各个风场运维人员对螺栓只进行定期检查，常因人为差错而遗留事故隐患。在现有风力发电机组中，还缺乏集螺栓工作状态实时监测及故障分析诊断于一体的有效手段和设备。

CN201310378100.3提供了一种测量螺栓组预紧力的方法，它克服了现有普通轴力计螺栓预紧力测量装置只能对单个螺纹紧固件使用的不足，能够测量多个螺栓的预紧力，但是不能实时在线的监测螺栓的预紧力。CN201310235117.3公开了一种能够实时在线的监测螺栓预紧力的新方法，通过在紧固件和被紧固物体之间安装一个螺纹紧固件预紧力测量装置来监测螺栓预紧力的变化，但是该方法不利于小型螺栓预紧力的测量。CN200720087776.7测量预紧力的原理与CN201310235117.3相似，不过是通过垫片传感器来监测预紧力的变化，但是由于螺栓的尺寸并不固定，预紧力测量装置需要专门定做以满足测量的需要。CN201320360112.9提供了一种预紧力测量机构，包括测量装置、驱动装置和为驱动装置提供动力的动力装置，该方法是一种主动测量预紧力的方法，而不是监测连接结构正常服役状态下预紧力变化情况的方法。通过上述对象可知，没有专门的针对风力发电机螺栓紧固应力监测系统及监测方法。

实用新型内容

针对相关技术中的上述技术问题，本实用新型提供了一种风力发电机螺栓紧固应力监测系统，通过实时在线监测风力发电机螺栓紧固应力，为风力发电机的故障分析诊断提供有效手段和设备。

为实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一方面，本实用新型提供一种风力发电机螺栓紧固应力监测系统，包括依次连通的监测探头、通道采集器、通讯控制器、主控器、网络管理平台、电站工作站、云端/后台服务器、远程监控站；

所述监测探头安装在风力发电机的叶片根部整圈联接螺栓的端部；

所述通讯控制器包括依次连通的高压超声激励、回波带通滤波器、高通/低通滤波器、阈值电路板、超声声时采集器。

进一步地，所述监测探头包括叶片根部整圈联接螺栓、旋紧装置、耦合层、超声波传感器和传感器接线端；

所述旋紧装置从上至下依次包括安装孔、嵌套孔和螺栓孔；

所述超声波传感器探头底部的凸出外缘嵌套在旋紧装置嵌套孔内；

所述超声波传感器本体贯穿安装在安装孔内；

所述耦合层涂覆在超声波传感器探头底部，并与叶片根部整圈联接螺栓端面接触；

所述叶片根部整圈联接螺栓与旋紧装置的螺栓孔螺纹连接；

所述传感器接线端设置在超声波传感器内，并与通道采集器连接。

进一步地，若干个所述监测探头组成监测探头阵列。

进一步地，所述超声波传感器至少有8个，且均匀安装在叶片根部整圈联接螺栓的端部。

进一步地，所述监测探头还与高压超声激励、高压脉冲发生器、高压调节电路依次连通。

进一步地，所述主控器还与通讯控制器、温度采集器、存储器连通。

进一步地，所述叶片根部整圈联接螺栓表面磁吸有温度补偿用传感器。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供一种风力发电机螺栓紧固应力监测系统，通过实时监控风力发电机的风叶根部整圈联接螺栓的紧固应力，结合温度补偿，判断螺栓是否出现松脱或断裂情况，并及时进行预警和故障判断，让运维人员能随时掌握叶根螺栓健康状况，填补了目前风力发电机螺栓无在线实时监测系统的空白。

本实用新型的监测探头采用超声波传感器依据声弹性原理实时探测螺栓紧固轴向应力，可不破坏螺栓结构，不影响螺栓拧紧及拆装操作。

本实用新型的超声波传感器安装稳定好，还可与被测螺栓的紧密贴合，能保证螺栓预紧力检测时的精确要求，减少测试结果的误差，甚至避免测试结果的错误。

本实用新型通过提供风力发电机组的螺栓监测，利于增加风电场的正常运行时间，降低锋利发电机组的维修费用，提供风力发电机组运行的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型优选实施例的监测探头的结构示意图。

图2为本实用新型优选实施例的旋紧装置剖面结构示意图。

图3为本实用新型优选实施例的螺栓安装位点排列的结构示意图。A表示安装了监测探头的螺栓位点；B表示未安装监测探头的螺栓位点。

图4是本实用新型优选实施例的螺栓时变应力曲线图。

图5为本实用新型优选实施例的系统拓扑图。6A探头；6B通道采集器；6C通讯控制器；6D主控制器；6E网络管理平台；6F电站工作站；6G云端、后台服务；6H远程监控站；6I机头内部；6J风机内部。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本实用新型的保护范围。

实施例1

如图1～5所示，本实用新型提供一种风力发电机螺栓紧固应力监测系统，包括依次连通的监测探头、通道采集器、通讯控制器、主控器、网络管理平台、电站工作站、云端/后台服务器、远程监控站。

所述监测探头包括叶片根部整圈联接螺栓1、旋紧装置2、耦合层3、超声波传感器4和传感器接线端5；所述旋紧装置2从上至下依次包括安装孔21、嵌套孔22和螺栓孔23；所述安装孔21内径小于嵌套孔22内径，以此保证超声波传感器探头底部的凸出外缘能嵌套在嵌套孔22内，超声波传感器4能够安装固定在安装孔21内，实现超声波传感器4的固定安装；所述叶片根部整圈联接螺栓1表面磁吸有温度补偿用传感器；温度补偿用传感器磁吸在螺杆任意部位，能感应到螺杆或周围温度即可，无特殊安装要求；

所述超声波传感器4探头底部的凸出外缘嵌套在旋紧装置嵌套孔22内；所述超声波传感器4本体贯穿安装在安装孔21内，实现超声波传感器的固定安装；所述螺栓孔23内径小于嵌套孔22内径，以此保证超声波传感器4探头底部与螺栓1的接触，嵌套孔22的内径可满足不同规格凸出外缘的需求；所述安装孔21内径小于螺栓孔23内径，实现超声波传感器4的固定安装，提高安装的稳定性；所述耦合层3涂覆在超声波传感器探头4底部，并与叶片根部整圈联接螺栓1端面接触，实现超声波传感器探头与叶片根部整圈联接螺栓之间通过耦合层的耦合胶/耦合剂进行耦合；所述叶片根部整圈联接螺栓1与旋紧装置2的螺栓孔23螺纹连接，通过旋转旋紧装置实现叶片根部整圈联接螺栓1与超声波传感器探头4之间的紧固；所述螺栓孔23内设置有与叶片根部整圈联接螺栓1相匹配的旋紧螺纹；所述传感器接线端5设置在超声波传感器4内，并与通道采集器连接；实现对预紧力的长时间监测；所述嵌套孔22内径大于所述超声波传感器4探头底部的凸出外缘的外径，保证安装的稳定性；所述嵌套孔22的深度大于所述超声波传感器4探头底部的凸出外缘的厚度，保证安装的稳定性；所述旋紧装置2的外围设置有防滑纹，且所述旋紧装置2的结构呈六面体状或环状，便于安装紧固。

若干个所述监测探头组成监测探头阵列，优选地，所述超声波传感器至少有8个，且均匀安装在叶片根部整圈联接螺栓的端部，(如图3所示)。通过监测探头阵列的均匀排布，利于实时均匀检测叶根螺栓的应力。

所述通讯控制器包括依次连通的高压超声激励、回波带通滤波器、高通/低通滤波器、阈值电路板、超声声时采集器，利于对检测的数据进行分析和确认；所述监测探头还与高压超声激励、高压脉冲发生器、高压调节电路依次连通；所述主控器还与通讯控制器、温度采集器、存储器连通；通过通讯控制器与网络管理平台连通；通过温度采集器采集补充温度；通过存储器对检测的数据进行存储，不断完善数据库。

主控制器进行数据处理和数据分析，将所监控的所有数据进行处理并生成报表，引导工作人员及时进行维护。工作人员也可自己根据数据报表判断各个螺栓的编号趋势，及时发现隐藏事故点，提前进行维护。

工作方法：首先，将超声波传感器4探头底部涂覆耦合胶形成耦合层3，涂覆均匀后，将其压在叶片根部整圈联接螺栓1的端面，将旋紧装置2从下至上贯穿嵌套在超声波传感器4上，实现嵌套孔22刚好嵌套在超声波传感器4探头底部的凸出外缘上，然后顺时针旋紧旋紧装置2与叶片根部整圈联接螺栓1，实现超声波传感器的固定安装，保证数据监测的稳定性；将传感器接线端5与通道采集器连接即可。

在监测前，当风力发电机叶片处于垂直位置时，安装该叶片螺栓上的八个探头，用液压力矩扳手预紧整圈全部螺栓，此时八个探头探测的螺栓静态紧固应力基本一致，为紧固应力与叶片重力的叠加。选择风力发电机组停机时的理想静止应力、不同变桨位置、不同风速运行时的正常时变应力曲线为依据，测量螺栓预紧力和温度，作为紧固应力监测的基础应力传输给主控器；

正常运转时，超声波传感器和温度补偿用传感器将测量的应力和温度传入通道采集器，通过通道控制器对数据进行滤波处理，进一步传输给主控器进行数据收集处理；系统会将实时测量绘制的螺栓紧固应力曲线与历史曲线对比，当实时测量曲线发现偏移时，系统依据内置程序判别偏移量是否超过安全范围并发出安全警报信号。

当预紧力超出许用应力值[σ](最高标准值或低于最低标准值)时，某一螺栓发生松脱或疲劳断裂，这一螺栓和其余螺栓承受的紧固应力变化且超出允许值的范围，主控制器接收数据，将实时测量绘制的螺栓紧固应力曲线与历史曲线对比，当实时测量曲线发现偏移时，系统依据内置程序判别偏移量是否超过安全范围并通过网络管理平台向电站工作站、云端/后台服务器、远程监控站立即发出警告或故障信号；目前安全警报分为两级，二级为一般危险，在风力发电机停机时予以处置；一级警报为重大危险，应当立即停机处置。警告或故障信号可代表某一螺栓出现松脱或疲劳断裂；风力发电机组运维人员可根据螺栓松动程度采取相应处置措施，如松动不大，可在下次停机时对相应螺栓进行拧紧操作；若松动过大甚至判断为断裂故障时，可及时停机对螺栓进行拧紧或更换维护。这一过程通过对风力发电机叶根螺栓紧固应力的实时监测，改变过去定期螺栓巡检为视情维护，让运维人员能随时掌握叶根螺栓健康状况，填补了目前风力发电机螺栓无在线实时监测系统的空白。

螺栓紧固应力的测量是基于超声纵波声弹性原理，即当各向同性固体材料受某一方向应力、且超声波同应力方向一致时，声速与应力为线性关系。对于某型风力发电机，在实验室标定获取该型号螺栓应力系数及温度补偿系数(在不同温度下测试温度导致的应力误差偏移量，用于修正系数)。实际测量到某螺栓超声纵波声时即可计算出其实际承受的应力值。采用2KHz频率采样，即可监测并绘制该螺栓时变应力曲线，如图4所示，采样频率高则曲线更为精细，采样频率低则线条是大致逼近的曲线。采样频率不直接反映螺栓松动，采样出的螺栓紧固应力曲线要与历史曲线比较：若某一监测点螺栓松脱，则偏移比较大；若某两个监测点之间的螺栓发生松脱或者断裂，则是相邻两个监测点的螺栓紧固应力都会发生变化，与松脱螺栓更接近的监测点变化更大。

如图3所示，沿叶根整圈螺栓均匀安装8个监测探头(不限于8个)。当其中任一螺栓松动或者断裂，其承受的轴向载荷减小甚至为零，这些轴向载荷必将由临近的螺栓分担，因而引起监测点螺栓轴向载荷发生相应变化。系统监测到这些变化后能实时判断整圈螺栓工作状态，发出螺栓松动或断裂预警。

本实用新型的监测探头通过旋紧装置的卡设安装，使得超声波传感器本体安装在安装孔内；通过旋紧装置的嵌套孔实现对超声波传感器的嵌套安装；通过旋紧装置的螺栓孔与叶片根部整圈联接螺栓的紧固，实现将超声波传感器于叶片根部整圈联接螺栓之间的固定安装，保证耦合层厚度的稳定性，由于固定安装是通过螺纹连接实现，保证压力的持续一致性。

本实用新型提供的风力发电机螺栓紧固应力监测系统，通过实时监控风力发电机的风叶根部整圈联接螺栓的紧固应力，判断螺栓是否出现松脱或断裂情况，并及时进行预警和故障判断，让运维人员能随时掌握叶根螺栓健康状况，填补了目前风力发电机螺栓无在线实时监测系统的空白。

本实用新型的监测探头采用超声波传感器依据声弹性原理实时探测螺栓紧固轴向应力，可不破坏螺栓结构，不影响螺栓拧紧及拆装操作。

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

Claims (6)

1.一种风力发电机螺栓紧固应力监测系统，其特征在于，包括依次连通的监测探头、通道采集器、通讯控制器、主控器、网络管理平台、电站工作站、云端/后台服务器、远程监控站；

所述监测探头安装在风力发电机的叶片根部整圈联接螺栓的端部；

所述通讯控制器包括依次连通的高压超声激励、回波带通滤波器、高通/低通滤波器、阈值电路板、超声声时采集器；

所述监测探头包括叶片根部整圈联接螺栓、旋紧装置、耦合层、超声波传感器和传感器接线端；

所述旋紧装置从上至下依次包括安装孔、嵌套孔和螺栓孔；

所述超声波传感器探头底部的凸出外缘嵌套在旋紧装置嵌套孔内；

所述超声波传感器本体贯穿安装在安装孔内；

所述耦合层涂覆在超声波传感器探头底部，并与叶片根部整圈联接螺栓端面接触；

所述叶片根部整圈联接螺栓与旋紧装置的螺栓孔螺纹连接；

所述传感器接线端设置在超声波传感器内，并与通道采集器连接。

2.根据权利要求1所述的风力发电机螺栓紧固应力监测系统，其特征在于，若干个所述监测探头组成监测探头阵列。

3.根据权利要求2所述的风力发电机螺栓紧固应力监测系统，其特征在于，所述超声波传感器至少有8个，且均匀安装在叶片根部整圈联接螺栓的端部。

4.根据权利要求1所述的风力发电机螺栓紧固应力监测系统，其特征在于，所述监测探头还与高压超声激励、高压脉冲发生器、高压调节电路依次连通。

5.根据权利要求1所述的风力发电机螺栓紧固应力监测系统，其特征在于，所述主控器还与通讯控制器、温度采集器、存储器连通。

6.根据权利要求1所述的风力发电机螺栓紧固应力监测系统，其特征在于，所述叶片根部整圈联接螺栓表面磁吸有温度补偿用传感器。