CN211491286U - 风力发电机组塔筒螺栓紧固装置及包括其的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种风力发电机组塔筒螺栓紧固装置及包括其的系统，塔筒螺栓穿过待连接的两个塔筒的连接法兰并与相应的螺母配合，风力发电机组塔筒螺栓紧固装置包括：力矩扳手，用于对螺母施加旋转力矩；超声探头，固定在风力发电机组塔筒螺栓紧固装置上，用于实时感测塔筒螺栓的轴力；以及控制器，从超声探头接收指示塔筒螺栓的轴力的信号并基于信号生成转速控制信号，并将转速控制信号提供给力矩扳手。

Description

风力发电机组塔筒螺栓紧固装置及包括其的系统

技术领域

本实用新型涉及风电技术领域，更具体地，涉及一种风力发电机组塔筒螺栓紧固装置以及包括该风力发电机组塔筒螺栓紧固装置的风力发电机组塔筒螺栓紧固系统。

背景技术

螺栓轴力是指螺栓预紧力，是在螺栓拧紧过程中在力矩作用下螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力。

风力发电机组塔筒采用螺栓进行连接，在塔筒吊装过程中，施工人员利用力矩扳手对螺栓逐一施加预紧力。

在工程施工中，通常利用力矩扳手的扭矩或力矩来推算出螺栓的轴力。然而，由于诸多因素影响螺纹副的摩擦，使得虽然设定了一定的扭矩，但是往往不能精确得到预估的螺栓轴力。扭矩系数K为施加于螺母上的紧固扭矩与其在螺栓轴向导入的轴向预紧力之间的比例系数。K不仅仅取决于摩擦面的摩擦系数，还取决于螺纹连接副的几何情况。实际中，螺纹连接不可避免地存在一定偏差，且预紧力并不是与摩擦系数对应的某一常数。例如，在极端情况下，螺母与螺纹表面咬合，尽管紧固扭矩足够大，但是螺栓受到的预紧力却可能很小。正是由于扭矩系数K不确定，导致紧固扭矩不能有效地表征螺栓预紧力。

此外，在现有技术中，采用力矩法进行螺栓连接的情况下，螺栓轴力离散系数大约1.4至1.5，在采用转角法进行螺栓连接的情况下，螺栓轴力离散系数大约1.3，螺栓轴力离散系数越大，设计留的安全余量就要更大。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型旨在提供一种能够实时测量塔筒螺栓轴力变化并根据轴力控制力矩扳手的操作的风力发电机组塔筒螺栓紧固装置。

根据本实用新型的一方面，提供一种风力发电机组塔筒螺栓紧固装置，塔筒螺栓穿过待连接的两个塔筒的连接法兰并与相应的螺母配合，所述风力发电机组塔筒螺栓紧固装置包括：力矩扳手，用于对所述螺母施加旋转力矩；超声探头，固定在所述风力发电机组塔筒螺栓紧固装置上，用于实时感测所述塔筒螺栓的轴力；以及控制器，从所述超声探头接收指示所述塔筒螺栓的轴力的信号并基于所述信号生成转速控制信号，并将所述转速控制信号提供给所述力矩扳手。

优选地，所述力矩扳手的旋转头部可以与所述超声探头彼此相对且分开预定距离。

优选地，所述预定距离可以大于所述塔筒螺栓的高度。

优选地，所述超声探头可以为电磁超声探头。

根据本实用新型的另一方面，提供一种风力发电机组塔筒螺栓紧固系统，所述风力发电机组塔筒螺栓紧固系统包括：如上所述的风力发电机组塔筒螺栓紧固装置；框架工装，所述风力发电机组塔筒螺栓紧固装置安装在所述框架工装上，所述框架工装能够放置在所述连接法兰上并倚靠在塔筒壁上。

优选地，所述框架工装可以具有能够在所述连接法兰的上表面上滚动的第一滚轮和能够在所述连接法兰的内侧表面上滚动的第二滚轮。

优选地，所述风力发电机组塔筒螺栓紧固系统还可以包括接近开关，所述控制器可以从所述接近开关接收指示接近所述塔筒螺栓的信号并对指示接近所述塔筒螺栓的所述信号进行计数。

优选地，所述控制器可以基于指示接近所述塔筒螺栓的所述信号生成驱动行走信号，并将所述驱动行走信号提供给所述框架工装的驱动部。

通过采用本实用新型的风力发电机组塔筒螺栓紧固装置，能够在施工中实时测量塔筒螺栓的轴力的变化，并且能够根据实时测量的塔筒螺栓的轴力来调节对塔筒螺栓施加力矩的力矩扳手的操作，从而能够使塔筒螺栓更准确地达到预设的螺栓轴力。

另外，通过使塔筒螺栓更准确地达到预设的螺栓轴力，能够降低分布在塔筒的连接法兰圆周上的各个塔筒螺栓的轴力的离散性，进一步能够提高塔筒螺栓疲劳强度，延长塔筒螺栓使用寿命；此外，对于相同节点，可以使用更少的塔筒螺栓，提高材料利用率；另外，可以减少塔筒螺栓运维次数，节约成本。

附图说明

图1示出了根据本实用新型的实施例的风力发电机组塔筒螺栓紧固装置中的力矩扳手和超声探头相对于塔筒螺栓的位置的示意图；

图2示出了根据本实用新型的实施例的风力发电机组塔筒螺栓紧固装置及风力发电机组塔筒螺栓紧固系统的示意性框图；

图3示出了根据本实用新型的实施例的框架工装的示意性透视图；

附图标记说明：

1-塔筒；2-连接法兰；10-塔筒螺栓紧固装置；11-力矩扳手；12-超声探头；13-控制器；15-接近开关；20-塔筒螺栓；21-螺母；22-螺栓头；40-框架工装；42-第一滚轮；43-第二滚轮；45-驱动部。

具体实施方式

为了使本领域技术人员能够更好地理解本实用新型的技术构思，下面将结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细描述，在附图中，相同的附图标记始终表示相同的部件。

本文提到的关于空间方位术语，诸如“上方”、“正上方”、“下方”、“正下方”等仅仅旨在便于参考附图说明装置的结构组成和各个构件之间的位置关系，其并不限制装置在实际操作、制造或运输等期间的实际方位，例如，在实际应用中，该“上方”、“正上方”、“下方”、“正下方”可能变为其它方位。

在风力发电机组中，利用多个塔筒螺栓20将两个塔筒1(也可称为塔筒段)固定连接，如图1所示，塔筒螺栓20穿过待连接的两个塔筒1的连接法兰2并与相应的螺母21配合，螺母21与连接法兰2之间可设置垫片。图1 中仅示出了一个塔筒螺栓20的截面示意图，实际上，沿着圆周方向在两个塔筒1的连接法兰2设置多个塔筒螺栓20，塔筒螺栓20的数量根据实际需求来确定。在本示例中，螺母21位于上部塔筒1的连接法兰2的上表面上，螺栓头22位于下部塔筒1的连接法兰2的下表面上。

为了在施工过程中能够准确地得知塔筒螺栓20的轴力变化，并根据塔筒螺栓20的真实轴力调节力矩扳手11的操作，如图1和图2所示，本实用新型提出的风力发电机组塔筒螺栓紧固装置10集成了力矩扳手11、超声探头12和控制器13。

力矩扳手11用于对螺母21产生旋转力矩，力矩扳手11可以是电动扳手，并且可以设置在塔筒螺栓20的正上方，以在施工过程中接纳螺母21并带动螺母21旋转。

超声探头12可以固定在塔筒螺栓紧固装置10上，用于实时感测塔筒螺栓20的轴力。超声探头12能够准确且实时地感测塔筒螺栓20的真实轴力，从而便于准确地调节力矩扳手11的操作。超声探头12可以是电磁超声探头，其利用电磁超声波技术检测螺栓的轴力，可以通过接触螺栓或不接触螺栓的方式实时地测量螺栓的轴力。

如图1所示，力矩扳手11的旋转头部与超声探头12彼此相对且分开预定距离，该预定距离大于塔筒螺栓20的高度，使得在施工过程中塔筒螺栓 20可以置于力矩扳手11的旋转头部和超声探头12之间，也就是说，使力矩扳手11的旋转头部和超声探头12位于塔筒螺栓20的轴向两侧，从而使力矩扳手11的旋转头部能够接纳螺母21，并使超声探头12能够在轴向方向上对准塔筒螺栓20的螺栓头22，以感测塔筒螺栓20的轴力。

控制器13分别与力矩扳手11和超声探头12通讯连接，可以从超声探头 12接收指示塔筒螺栓20的轴力的信号，并且基于该信号生成转速控制信号，然后将该转速控制信号提供给力矩扳手11。也就是说，塔筒螺栓紧固装置10 同时集成有力矩扳手11、超声探头12和控制器13，在紧固塔筒螺栓20期间，超声探头12能够实时地感测塔筒螺栓20的轴力，控制器13可以根据超声探头12感测到的塔筒螺栓20的轴力来控制力矩扳手11的转速。

例如，在使用塔筒螺栓紧固装置10紧固塔筒螺栓20期间，以力矩扳手 11为电动扳手且超声探头12为电磁超声探头为例，首先将电动扳手和电磁超声探头分别与控制器13连接，接通电源，力矩扳手11输出旋转力矩并将力矩传递到塔筒螺栓20的螺母21上，同时通过超声探头12利用电磁超声波技术实时地测量塔筒螺栓20上的轴力，并通过控制器13输出与轴力对应的信号(例如，输出0-10V的电压信号)。

可以设置塔筒螺栓20的期望的预设轴力，例如，可以在控制器13中存储塔筒螺栓20的期望的预设轴力。如果超声探头12测量的塔筒螺栓20的轴力达到90％的预设轴力，则可以使力矩扳手11(例如，电动扳手)的转速降低，如果超声探头12测量的塔筒螺栓20的轴力达到100％的预设轴力，则使力矩扳手11停止运转。也就是说，在施工过程中，控制器13可以判断超声探头12测量的轴力是否大于或等于预设轴力的90％，如果是，则降低力矩扳手11的转速，例如，降低为1rpm，以在接近塔筒螺栓20的预设轴力期间缓慢地施加力矩，从而能够准确地达到预设轴力。如果小于预设轴力的90％，则可以继续正常施加力矩并且实时测量轴力。

在达到预设轴力之后，力矩扳手11停止运转，可以将力矩扳手11和超声探头12从塔筒螺栓20移开，并将塔筒螺栓紧固装置10移动到下一个目标塔筒螺栓处。

参照图3，本实用新型还提出包括上述塔筒螺栓紧固装置10和框架工装 40的塔筒螺栓紧固系统，塔筒螺栓紧固装置10安装在框架工装40上，框架工装40能够放置在连接法兰2上并倚靠在塔筒壁上。如图3所示，力矩扳手 11设置在框架工装40上，框架工装40能够在力矩扳手11的重力作用下使其重心下移并靠近塔筒壁，从而使框架工装40能够稳定地倚靠在塔筒壁上。

框架工装40具有能够在连接法兰2的上表面上滚动的第一滚轮42和能够在连接法兰2的内侧表面上滚动的第二滚轮43。框架工装40不仅能够支撑力矩扳手11以及如上所述的超声探头12和控制器13(图3中未示出)，而且能够沿着连接法兰2的圆周行走，以使包括力矩扳手11、超声探头12 和控制器13的塔筒螺栓紧固装置10在预定程序下运动到预定螺栓位置。

如图2所示，风力发电机组塔筒螺栓紧固系统还可以包括接近开关15，控制器13可以从接近开关15接收指示接近塔筒螺栓20的信号并对指示接近塔筒螺栓20的信号进行计数。此外，控制器13还可以基于指示接近塔筒螺栓20的信号生成驱动行走信号，并将驱动行走信号提供给框架工装40的驱动部45，以使框架工装40行走到下一目标位置。例如，在依据十字交叉法进行螺栓预紧作业时，在一个塔筒螺栓20的预紧作业之后，控制器13可以向框架工装40的驱动部45提供驱动行走信号，以使框架工装40沿连接法兰 2的圆周行走180度，以达到与所述一个塔筒螺栓20在塔筒1的直径方向上相对的另一塔筒螺栓20的位置处。

通过采用本实用新型的风力发电机组塔筒螺栓紧固装置，能够在施工中实时测量塔筒螺栓的轴力的变化，并且能够根据实时测量的塔筒螺栓的轴力来调节对塔筒螺栓施加力矩的力矩扳手的操作，从而能够使塔筒螺栓更准确地达到预设的螺栓轴力。

另外，通过使塔筒螺栓更准确地达到预设的螺栓轴力，能够降低分布在塔筒的连接法兰圆周上的各个塔筒螺栓的轴力的离散性，通过采用超声探头 (例如，电磁超声探头)利用超声波技术(例如，电磁超声波技术)精准地控制塔筒螺栓的安装过程，使得塔筒螺栓施工后的轴力偏差分散系数可以被控制在1.2甚至更好的水平，相比现有技术中的采用力矩法或转角法的螺栓连接方法，可以将离散系数进一步降低20％以上。

由此，进一步能够提高塔筒螺栓疲劳强度，延长塔筒螺栓使用寿命；此外，对于相同节点，可以使用更少的塔筒螺栓，提高材料利用率；另外，可以减少塔筒螺栓运维次数，节约成本。

此外，通过上述塔筒螺栓紧固装置，还可以在机组正常运行后，随时停机检测塔筒螺栓的轴力，从而能够通过塔筒螺栓的真实轴力来确定何时需要拧紧螺栓，这使风力发电机组的螺栓运维进入预测性维护的新时代。

另外，通过上述塔筒螺栓紧固装置，能够确保在风力发电机组在吊装时测得螺栓安装的真实轴力，消除引设备和扭矩系数带来的轴力离散问题。

上面对本实用新型的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定其范围的本实用新型的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行组合、修改和完善(例如，可以对本实用新型的不同技术特征进行组合以得到新的技术方案)。这些组合、修改和完善也应在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种风力发电机组塔筒螺栓紧固装置，塔筒螺栓(20)穿过待连接的两个塔筒(1)的连接法兰(2)并与相应的螺母(21)配合，其特征在于，所述风力发电机组塔筒螺栓紧固装置包括：

力矩扳手(11)，用于对所述螺母(21)施加旋转力矩；

超声探头(12)，固定在所述风力发电机组塔筒螺栓紧固装置上，用于实时感测所述塔筒螺栓(20)的轴力；以及

控制器(13)，从所述超声探头(12)接收指示所述塔筒螺栓(20)的轴力的信号并基于所述信号生成转速控制信号，并将所述转速控制信号提供给所述力矩扳手(11)。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组塔筒螺栓紧固装置，其特征在于，所述力矩扳手(11)的旋转头部与所述超声探头(12)彼此相对且分开预定距离。

3.根据权利要求2所述的风力发电机组塔筒螺栓紧固装置，其特征在于，所述预定距离大于所述塔筒螺栓(20)的高度。

4.根据权利要求1所述的风力发电机组塔筒螺栓紧固装置，其特征在于，所述超声探头(12)为电磁超声探头。

5.一种风力发电机组塔筒螺栓紧固系统，其特征在于，所述风力发电机组塔筒螺栓紧固系统包括：

根据权利要求1至4中任一项所述的风力发电机组塔筒螺栓紧固装置；

框架工装(40)，所述风力发电机组塔筒螺栓紧固装置安装在所述框架工装(40)上，所述框架工装(40)能够放置在所述连接法兰(2)上并倚靠在塔筒壁上。

6.根据权利要求5所述的风力发电机组塔筒螺栓紧固系统，其特征在于，所述框架工装(40)具有能够在所述连接法兰(2)的上表面上滚动的第一滚轮(42)和能够在所述连接法兰(2)的内侧表面上滚动的第二滚轮(43)。

7.根据权利要求5所述的风力发电机组塔筒螺栓紧固系统，其特征在于，所述风力发电机组塔筒螺栓紧固系统还包括接近开关(15)，所述控制器(13)从所述接近开关(15)接收指示接近所述塔筒螺栓(20)的信号并对指示接近所述塔筒螺栓(20)的所述信号进行计数。

8.根据权利要求7所述的风力发电机组塔筒螺栓紧固系统，其特征在于，所述控制器(13)基于指示接近所述塔筒螺栓(20)的所述信号生成驱动行走信号，并将所述驱动行走信号提供给所述框架工装(40)的驱动部(45)。

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