基于塔筒振動特性識別風(fēng)機(jī)塔螺栓松動的研究

何先龍， 佘天莉， 徐　兵， 李　杰， 陳　剛， 曹國福

(1. 中國地震局工程力學(xué)研究所 地震工程與工程振動重點實驗室，哈爾濱　150080；2. 上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上?！?00434)

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基于塔筒振動特性識別風(fēng)機(jī)塔螺栓松動的研究

何先龍1， 佘天莉1， 徐兵2， 李杰2， 陳剛2， 曹國福2

(1. 中國地震局工程力學(xué)研究所 地震工程與工程振動重點實驗室，哈爾濱150080；2. 上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海200434)

摘要：法蘭盤螺栓松動是風(fēng)機(jī)塔常見的一種嚴(yán)重病害。基于大量實測試驗得出：塔筒的1階相位差特性對法蘭盤螺栓松動病害很敏感。首先對6座存在此病害的風(fēng)機(jī)塔開展了詳細(xì)的振動測試與分析，然后分析出法蘭盤螺栓松動后，其1階固有頻率值未發(fā)生變化、阻尼比變化不明顯、1階振型變化也不突出，但在各法蘭盤上、下盤之間的相位差即使在螺栓松動比例為6%時也存在明顯的突變特性，而在對法蘭盤螺栓重新緊固后，其相位差未表現(xiàn)出此特性。實測試驗表明：相比其它振動特性，風(fēng)機(jī)塔的1階相位差特性受法蘭盤螺栓松動的影響更明顯，因此能更準(zhǔn)確地反映出法蘭盤螺栓松動現(xiàn)象，可基于法蘭盤上、下盤之間的相位差絕對值是否存在突然增大的特性來識別出法蘭盤螺栓是否存在較嚴(yán)重的松動病害。本文的研究結(jié)果是基于6座風(fēng)機(jī)塔多個工況下的實測數(shù)據(jù)得出的，具有較高的可靠性，對風(fēng)機(jī)塔的法蘭盤螺栓松動病害的快速檢測方法的研究具有較大的參考價值。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)塔；法蘭盤螺栓松動；塔筒振動特性；相位差特性

最近幾年，我國風(fēng)機(jī)倒塌事故屢見不鮮，如2008年吉林某風(fēng)電場的某臺風(fēng)機(jī)使用約3年就完全倒塌；2010年，某風(fēng)電場的某臺風(fēng)機(jī)因為法蘭盤上的螺栓未及時緊固而被大風(fēng)吹倒[1-3]；2014年，甘肅某風(fēng)機(jī)服役未到1年就突然倒塌。

分析上述倒塌事故，可見風(fēng)機(jī)塔法蘭盤螺栓松動是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)塔倒塌的主要因素，也是風(fēng)機(jī)塔的常見嚴(yán)重病害之一，而導(dǎo)致法蘭盤螺栓松動的因素主要有以下幾個方面[1,4-6]：① 風(fēng)機(jī)主要運(yùn)行部件安裝存在偏差，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生的振動較大，導(dǎo)致法蘭盤里的螺栓的螺母逐步松動；② 法蘭盤里的螺栓沒有緊固到位，導(dǎo)致螺母在振動作用下，逐步松動；③ 螺栓材料特性不合格，在振動作用下，螺栓的直徑逐步被拉細(xì)，導(dǎo)致螺母逐步松動。

因此，盡早發(fā)現(xiàn)螺栓的松動情況，有利于預(yù)防風(fēng)機(jī)塔倒塌。

現(xiàn)有的方法主要是通過人工逐個螺栓檢查法來判斷法蘭盤里是否出現(xiàn)了較多的螺栓松動現(xiàn)象[1,7-9]。此方法雖然能詳細(xì)地檢查出螺栓松動情況，但是由于每座風(fēng)機(jī)塔的螺栓數(shù)量接近百個，如逐個人工檢測則既費(fèi)時也費(fèi)力。因此對風(fēng)機(jī)塔開展法蘭盤螺栓松動的快速識別方法的研究具有較大的工程價值，有利于減少風(fēng)機(jī)塔的維護(hù)成本，更有利于促進(jìn)風(fēng)機(jī)塔運(yùn)營安全監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展[10-11]。

風(fēng)機(jī)塔通常由多節(jié)塔筒疊加而成，而每節(jié)塔筒的底部和頂部都帶有法蘭盤，且通過大量高性能的螺栓把相鄰塔筒的法蘭盤連接起來。如果風(fēng)機(jī)塔不存在損傷，其結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)傳遞函數(shù)在線性工作狀態(tài)下是固定不變的，但是，當(dāng)法蘭螺栓松動時，可等效為螺栓連接構(gòu)件的剛度折減[6]，導(dǎo)致相鄰塔筒之間的相互作用力函數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而可能會導(dǎo)致相鄰塔筒之間的傳遞函數(shù)發(fā)生變化和整座風(fēng)機(jī)塔的傳遞函數(shù)發(fā)生變化。因此，理論上如風(fēng)機(jī)塔的螺栓松動比例達(dá)到一定程度，會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)塔的振動特性發(fā)生變化[11]。結(jié)構(gòu)振動模態(tài)參數(shù)是結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)表達(dá)式的重要物理參數(shù)，主要有固有頻率、振型、阻尼比、相位差、剛度、質(zhì)量[12-13]。因此，可通過對在役風(fēng)機(jī)塔的結(jié)構(gòu)振動模態(tài)參數(shù)的測試和計算，分析風(fēng)機(jī)塔動力響應(yīng)傳遞函數(shù)，特別是相鄰塔筒之間的螺栓連接構(gòu)件的動力響應(yīng)傳遞函數(shù)是否發(fā)生較大變化，進(jìn)而識別出風(fēng)機(jī)塔的螺栓松動等結(jié)構(gòu)損傷。

本論文對某6座已經(jīng)存在螺栓松動病害的風(fēng)機(jī)塔分別在對其螺栓重新緊固前后都進(jìn)行了詳細(xì)的振動測試，通過實測數(shù)據(jù)的頻譜圖發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)塔的振動能量主要集中在1階固有頻率點，而其它頻率點的頻譜特性非常不突出。因此本文的研究重點關(guān)注塔筒維修前后的1階模態(tài)參數(shù)的變化情況，對維修前后的1階固有頻率值、1階固有頻率值對應(yīng)的阻尼比的變化進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計，同時以第1個測點順風(fēng)向(塔筒最底部測點)的振動信號作為風(fēng)機(jī)塔振動輸入信號，分別做出其它測點順風(fēng)向相對第1測點順風(fēng)向的振動幅頻響應(yīng)歸一化曲線和相頻響應(yīng)曲線，然后基于各測點的振動幅頻響應(yīng)歸一化曲線得出其1階固有頻率值對應(yīng)的1階振型曲線；基于相頻響應(yīng)曲線拾取出1階固有頻率值對應(yīng)的相頻幅值，進(jìn)而得出其它各測點在1階固有頻率點處相對于第1測點的相位差值，最后以各測點的布置高程為X軸，繪制出風(fēng)機(jī)塔1階固有頻率點對應(yīng)的振型和相位差曲線。

本次測試通過數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計出了6座風(fēng)機(jī)塔的1階固有頻率值和1階固有頻率值對應(yīng)的阻尼比值、振型曲線、相位差曲線在螺栓緊固前后的變化情況，得出1階固有頻率值對應(yīng)的相位差曲線對法蘭螺栓松動病害很敏感的結(jié)論。

1風(fēng)機(jī)塔振動測試情況

某陸上風(fēng)電場位于甘肅金昌市，其大量風(fēng)機(jī)塔存在法蘭盤螺栓松動的病害，有的螺栓松動比例超過了50%，特別是某座風(fēng)機(jī)塔因未急時發(fā)現(xiàn)此病害，在使用不到1年就倒塌了。

螺栓完全擰緊是指采用扭矩法或轉(zhuǎn)角法擰緊螺栓(螺母)時，擰緊螺栓(螺母)的裝配的扭矩達(dá)到上限時(扭矩上限值主要依據(jù)螺栓和螺母的材料屈服強(qiáng)度值設(shè)定，通常取屈服強(qiáng)度對應(yīng)的扭矩的70%)，螺栓(螺母)不再產(chǎn)生位移(轉(zhuǎn)角)；而螺栓松動現(xiàn)象是指當(dāng)采用扭矩法或轉(zhuǎn)角法擰緊螺母時，擰緊螺栓(螺母的裝配的扭矩在低于上限時，螺栓(螺母)仍舊存在位移(轉(zhuǎn)角)[14]。因此，可通過扭矩法或轉(zhuǎn)角法可檢測出螺栓(螺母)是否松動和基于最開始的擰緊扭矩值定量螺栓(螺母)的松動程度。本次實驗由于在重新擰緊螺栓(螺母)時，實驗計劃不完善和現(xiàn)場工作量的巨大，因此只記錄了存在松動現(xiàn)象的螺栓(螺母)的數(shù)量，而沒有記錄擰緊初始扭矩值。

振動是引起螺栓松動的主要因素之一，反之螺栓松動也會引起風(fēng)機(jī)塔振動特性的變化。因此，本次實驗選擇了此風(fēng)電場里存在不同程度螺栓松動情況的六座風(fēng)機(jī)塔進(jìn)行詳細(xì)的振動測試，研究螺栓松動對風(fēng)機(jī)塔振動特性的影響情況。六座風(fēng)機(jī)塔的基本情況和螺栓松動比例見表1，其中1號和2號風(fēng)機(jī)塔為1.5兆瓦機(jī)組，3～6號風(fēng)機(jī)塔為2兆瓦機(jī)組，塔筒法蘭盤上的螺栓規(guī)格為M36*480的10.9級高強(qiáng)度螺栓，其特性檢測結(jié)果符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》標(biāo)準(zhǔn)要求。

在各風(fēng)機(jī)塔筒壁上由低到高布置12個測點，每個測點布置1臺由北京騰晟橋康科技有限公司生產(chǎn)的QZ2013型單分量力平衡加速度計，沿主風(fēng)向(西北向)布置，具體布置情況見表2。此加速度計頻帶范圍為0～200 Hz,具有良好的微振和強(qiáng)振拾取能力。數(shù)據(jù)采集儀采用由北京騰晟橋康科技有限公司生產(chǎn)的G01NET-2型同步動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，其AD位數(shù)為24位。

表1　6座風(fēng)機(jī)塔的螺栓松動比例統(tǒng)計

注：螺栓松動比例是指單對上、下法蘭盤之間的螺栓(螺母)存在松動現(xiàn)象的數(shù)量除以此法蘭螺栓(螺母)總數(shù)的百分比。

表2　各風(fēng)機(jī)塔主風(fēng)向水平振動測點布置說明表

為了研究風(fēng)機(jī)塔振動特性對風(fēng)機(jī)塔法蘭盤松動程度的敏感程度，我們對各風(fēng)機(jī)塔實施了如表3所示的測試工況。測試時采樣頻率統(tǒng)一為64 Hz，每個工況連續(xù)記錄20分鐘的數(shù)據(jù)，所測得的風(fēng)機(jī)塔振動典型波形如圖1和2所示。

2風(fēng)機(jī)塔振動特性分析

2.1固有頻率與阻尼比分析

對各工況下采集到的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT平均頻譜分析(平均窗為81 920×64，頻率分辨率為0.000 78 Hz)，得到風(fēng)機(jī)塔的固有頻率值；同時基于半功率譜細(xì)化法計算出固有頻率點的阻尼比，其功率譜如圖3所示。由其功率譜可見風(fēng)機(jī)塔的振動能量主要集中在1階固有頻率點，其它的固有頻率非常不突出。表4和表5分別為各風(fēng)機(jī)塔的1階固有頻率與阻尼比分析結(jié)果統(tǒng)計情況。

表3　 風(fēng)機(jī)塔振動測試工況

注：法蘭盤緊固是只對法蘭盤上的各螺栓采用扭矩法進(jìn)行重新緊固

圖1　在7～10 m/s風(fēng)速時某風(fēng)機(jī)塔工作狀態(tài)下的塔頂振動加速度時程曲線Fig.1 The acceleration time-amplitude map of a working top-tower in (7～10) m/s winds

圖2　在18～24 m/s風(fēng)速時某風(fēng)機(jī)塔工作狀態(tài)下的塔頂振動加速度時程曲線Fig.2 The acceleration time-amplitude map of a working top-tower in (8～24) m/s winds

風(fēng)機(jī)塔編號緊固前測試結(jié)果/Hz緊固后測試結(jié)果/Hz工況1工況2工況3工況4工況5工況610.3910.3910.3910.3910.3910.39120.3910.3910.3910.3910.3910.39130.3220.3220.3220.3220.3220.32240.3220.3220.3220.3220.3220.32250.3220.3220.3220.3220.3220.32260.3220.3220.3220.3220.3220.322

表5　風(fēng)機(jī)塔1階固有頻率點對應(yīng)的阻尼比分析結(jié)果

圖3某座風(fēng)機(jī)塔實測振動FFT譜圖Fig.3 The vibration FFT spectrum of a wind turbine tower

由圖3可見，風(fēng)機(jī)塔的主要振動能量集中在塔筒的1階固有頻率點處，其它固有頻率點非常不突出。因此，風(fēng)機(jī)塔的振動屬于超低頻振動，這也表明了風(fēng)機(jī)塔是一種非常柔性的高層建筑物。

由表4可知，各風(fēng)機(jī)塔的1階振動固有頻率值在法蘭盤緊固前后的值完全一樣，且在停機(jī)、正常運(yùn)轉(zhuǎn)下所測得的1階固有頻率值也完全一樣。這說明了法蘭盤的螺栓松動的松動比例雖然比較高，例如5號風(fēng)機(jī)塔的第1個法蘭盤上螺栓存在松動的比例松高達(dá)64%，但是螺栓重新緊固后的1階固有頻率值仍舊與緊固前的值完全一樣。因此，通過分析6座風(fēng)機(jī)塔的振動頻譜表面塔筒的振動能量雖然主要集中在1階固有頻率值處，但1階固有頻率值的變化對風(fēng)機(jī)塔法蘭盤螺栓松動病害很不敏感。

由表5可知，各風(fēng)機(jī)塔的1階固有頻率值對應(yīng)的阻尼比值在螺栓緊固前后所測得的值變化非常小，其中1、2、3、4、6號風(fēng)機(jī)塔的阻尼比值變化幅度都小于3%，5號風(fēng)機(jī)塔的第1個法蘭盤螺栓松動比例雖然達(dá)到了63%，但是其阻尼比值也只是變化了10%左右。因此，通過6座風(fēng)機(jī)塔振動測試表面塔筒的1階固有頻率值對應(yīng)的阻尼比值對風(fēng)機(jī)塔法蘭盤螺栓松動病害的不是很敏感。

2.2風(fēng)機(jī)塔1階振型與相位差分析

對6座風(fēng)機(jī)塔在各工況下所測得的塔筒1階振型和1階相位差曲線進(jìn)行了詳細(xì)分析，各風(fēng)機(jī)塔的1階振型和1階相位差曲線如圖4～圖9所示。

圖4　1號風(fēng)機(jī)塔的振型與相位差曲線Fig.4 The vibration mode and the phase difference of No.1 tower

圖5　2號風(fēng)機(jī)塔的振型與相位差曲線Fig.5 The vibration mode and the phase difference of No.2 tower

圖6　3號風(fēng)機(jī)塔的振型與相位差曲線Fig.6 The vibration mode and the phase difference of No.3 tower

圖7　4號風(fēng)機(jī)塔的振型與相位差曲線Fig.7 The vibration mode and the phase difference of No.4 tower

圖8　5號風(fēng)機(jī)塔的振型與相位差曲線Fig.8 The vibration mode and the phase difference of No.5 tower

由圖4～圖9可見，6座風(fēng)機(jī)塔在各工況下所測得的風(fēng)機(jī)塔1階振型變化不大，在螺栓重新緊固前的1階振型與重新緊固后的1階振型比較，非常相似。因此通過分析6座風(fēng)機(jī)塔在螺栓重新緊固前后的1階振型，表面塔筒的1階振型對法蘭盤螺栓的松動不敏感。

由圖2～圖7可見，6座風(fēng)機(jī)塔在各工況下所測得的風(fēng)機(jī)塔1階相位差曲線變化都比較大。在螺栓重新緊固前，1～4工況下所測得的相位差曲線在上螺栓的法蘭盤處存在突變現(xiàn)象，即法蘭盤下盤與上盤兩個測點之間雖然相距1米高程，但相對其它高層，相位差明顯增大或明顯減小，且每座風(fēng)機(jī)塔的3個法蘭盤上下盤附近測點之間相位差都表現(xiàn)出了此特點，如3號風(fēng)機(jī)塔的第3個法蘭盤螺栓松動比例雖然才6%，但是其上、下盤附近測點之間也明顯地出現(xiàn)了突變現(xiàn)象。在螺栓重新緊固后，5～6工況下所測得的相位差曲線相比螺栓重新緊固前的相位差曲線，變化比較平穩(wěn)，特別是在上螺栓的法蘭盤的上、下盤附近測點之間未出現(xiàn)明顯增大或減小的現(xiàn)象。因此通過分析6座風(fēng)機(jī)塔在螺栓重新緊固前后的1階相位差曲線，表明在法蘭盤螺栓松動比例即使較低時，如6%時，也會引起法蘭盤的上、下盤之間的相位差出現(xiàn)明顯變化。這充分地表明了塔筒的1階相位差曲線對法蘭盤螺栓的松動是非常敏感的。

6座風(fēng)機(jī)塔法蘭盤都存在不同程度的松動，通過對比它們的法蘭盤螺栓重新緊固前后的振動特性分析得出它們的固有頻率、阻尼比、1階振型、1階相位差的變化特性見表6。

表6　6座風(fēng)機(jī)塔螺栓緊固前后的振動特性統(tǒng)計

圖9　6號風(fēng)機(jī)塔的振型與相位差曲線Fig.9 The vibration mode and the phase difference of No.6 tower

3結(jié)論

螺栓是風(fēng)機(jī)塔的重要構(gòu)件，用于連接各節(jié)塔筒，但是由于長期處于較大的振動環(huán)境，很容易出現(xiàn)松動現(xiàn)象，嚴(yán)重時直接導(dǎo)致風(fēng)機(jī)塔倒塌。因此，連接法蘭盤的螺栓松動現(xiàn)象是風(fēng)機(jī)塔的常見嚴(yán)重病害之一，也是風(fēng)機(jī)塔日常維護(hù)的主要對象。本文通過對6座存在此病害的風(fēng)機(jī)塔在維修前后都開展了詳細(xì)的振動測試與分析，得出風(fēng)機(jī)塔的振動特性與風(fēng)機(jī)塔螺栓松動之間存在以下關(guān)系：

(1) 風(fēng)機(jī)塔的1階固有頻率一般低于0.5 Hz，且主要振動能量集中于此頻率點，但是對風(fēng)機(jī)塔法蘭盤螺栓松動很不敏感，如某法蘭盤螺栓松動比例雖然達(dá)到了64%，但是1階固有頻率值與螺栓重新緊固后所測得的值完全相同。

(2) 風(fēng)機(jī)塔的1階固有頻率對應(yīng)的阻尼比值在法蘭盤螺栓重新緊固前后出現(xiàn)了變化，但是變化較小，如5號風(fēng)機(jī)塔第1個法蘭盤螺栓雖然松動比例達(dá)到了64%，且另外兩個法蘭盤上的螺栓松動比例也分別高達(dá)24%和15%，但是相比螺栓重新緊固后的阻尼比值，變化也才10%。

(3) 與螺栓重新緊固后的1階振型曲線相比，6座風(fēng)機(jī)塔的螺栓雖然存在較高比例的松動，但是1階振型曲線變化不大。

(4) 螺栓存在一定比例松動的法蘭盤在其上、下盤之間的相位差絕對值相比螺栓重新緊固后的相位差絕對值會明顯增大，如某法蘭盤螺栓松動比例雖然才6%，但是其上、下盤之間的相位差絕對值也明顯增大了。

綜合以上所述表明：風(fēng)機(jī)塔的固有頻率、阻尼比、振型等振動特性對法蘭盤螺栓松動病害不敏感，但是風(fēng)機(jī)塔法蘭盤上、下盤的相位差絕對值對法蘭盤螺栓松動病害非常敏感，可基于風(fēng)機(jī)塔的振動特性-相位差的變化特性識別法蘭盤螺栓的松動情況。因此本文對6座存在螺栓松動病害的風(fēng)機(jī)塔進(jìn)行了詳細(xì)的振動測試，測試數(shù)據(jù)的分析結(jié)果在風(fēng)機(jī)塔法蘭盤螺栓松動快速檢測及運(yùn)營安全的實時監(jiān)測方面的研究具有一定的借鑒價值。

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基金項目：國家自然青年科學(xué)基金(51508536)；上海市科學(xué)技術(shù)科研項目(14DZ1200904)

收稿日期：2015-12-03修改稿收到日期：2016-02-23

通信作者佘天莉 女，博士，助研，1971年10月生

中圖分類號:TK83；O329

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.14.018

Method for detecting bolts looseness of a wind turbine tower based on its vibration characteristics

HE Xian-long1, SHE Tian-li1, XU Bing2, LI Jie2, CHEN Gang2, CAO Guo-fu2

(1. Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080, China；2. Shanghai Investigation, Design and Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200434, China)

Abstract:The bolt looseness is a usual and serious disease of wind turbine towers. Based on a large number of measurements, the conclusion was obtained that the first-order phase difference characteristic of a wind turbine tower is sensitive to the loosen bolts of its flanges. Six wind turbine towers with loosen bolts were measured and analyzed for their vibration parameters. After the bolts looseness, the first-order natural frequency keeps unchanged and the variations in its damping ratio and its first-order vibration mode are also not obvious. At the same time, there appears an obvious sudden change in the phase difference of the upper and lower flanges despite the bolts looseness ratio reaches 6%. But the phase difference of the upper and lower flanges doesn’t show the sudden change once again after their re-fastening. The measurements show that the first-order phase difference characteristic of a wind turbine tower is more affected by its loosen bolts of flanges than other vibration characteristics. As a result, the first-order phase difference characteristic can express the bolts looseness of flanges more accurately. The serious bolts looseness can be detected by the sudden increasing of the absolute values of the phase difference of upper and lower flanges. Based on the field measurements of six wind turbine towers under different working conditions, the method presented is more reliable and more effective to detect the loosen bolts of wind turbine towers rapidly.

Key words:wind turbine tower; loosen bolt of flange; vibration characteristics of tower; characteristic of phase difference

第一作者 何先龍 男，博士，助研，1981年6月生