基于超聲波和位移傳感器的風(fēng)電機組螺栓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：近些年，隨著國家能源戰(zhàn)略的調(diào)整，風(fēng)能已經(jīng)成為一種非常重要的清潔能源。全國各地都在建風(fēng)場，利用風(fēng)能發(fā)電，但隨著風(fēng)場和風(fēng)力發(fā)電機數(shù)量的增加，風(fēng)機事故也頻頻發(fā)生，其中最嚴(yán)重的就是風(fēng)機倒塌事故，究其主要原因：風(fēng)電機組在長期的風(fēng)力負荷下，風(fēng)機上的螺栓容易松動導(dǎo)致其預(yù)緊力消減，螺栓斷裂，若發(fā)現(xiàn)不及時可致風(fēng)機倒塌，發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。針對螺栓斷裂引起的倒塌事故，提出一種基于超聲波位移傳感器的風(fēng)電機組螺栓監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過實時采集器采集螺栓上的超聲波和位移傳感器數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)經(jīng)過算法處理后實現(xiàn)對螺栓預(yù)緊力和螺栓橫向偏轉(zhuǎn)位移的實時測量，通過設(shè)立閾值實現(xiàn)對風(fēng)機螺栓的實時監(jiān)測，并提供預(yù)警和告警。此舉對于保障風(fēng)電機組的安全運行以及風(fēng)電企業(yè)人身和財產(chǎn)安全起到了非常重要的作用。

關(guān)鍵詞：螺栓預(yù)緊力；螺栓斷裂；超聲波位移傳感器；螺栓橫向偏轉(zhuǎn)位移；螺栓監(jiān)測系統(tǒng)；風(fēng)電機組

中圖分類號：TP13 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-000-02

0 引 言

隨著風(fēng)力發(fā)電機數(shù)量的增加，風(fēng)機事故頻頻發(fā)生，其中，螺栓斷裂是引起風(fēng)機倒塌事故最常見的原因[1]。因此，監(jiān)測風(fēng)機相關(guān)螺栓工作狀態(tài)對于保障風(fēng)機的安全運行尤其重要，國內(nèi)外研究人員對風(fēng)機螺栓斷裂的情況做了大量工作。作者通過大量閱讀關(guān)于螺栓狀態(tài)研究的文獻，將國內(nèi)外對風(fēng)機螺栓的研究現(xiàn)狀概括為以下兩點：

（1）通過對風(fēng)機螺栓建模受力分析，進而對螺栓疲勞損傷等問題進行深入研究[2]。

（2）在第一點理論的基礎(chǔ)上，利用超聲波傳感器等關(guān)鍵技術(shù)對風(fēng)機螺栓使用情況進行監(jiān)測，并采集螺栓相關(guān)數(shù)據(jù)進行存儲和分析研究[3-4]。

因為風(fēng)機內(nèi)部環(huán)境較為復(fù)雜，普通的螺栓監(jiān)控方式已經(jīng)不能滿足風(fēng)機螺栓實時監(jiān)測和多螺栓同時監(jiān)控的需求，還不能對風(fēng)機螺栓提供預(yù)警[5]。所以急需提供一種全新的風(fēng)機螺栓在線監(jiān)測方案。

1 風(fēng)機螺栓監(jiān)測系統(tǒng)的整體設(shè)計

1.1 風(fēng)機螺栓監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

研究主要針對風(fēng)電機組變槳軸承高強度螺栓在復(fù)雜載荷作用下螺栓失效在線監(jiān)測的問題，基于超聲波和位移傳感器，研究一種適用于風(fēng)電機組多螺栓位移在線監(jiān)測的方法和系統(tǒng)。系統(tǒng)通過采集器實時采集螺栓上的超聲波位移傳感器數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)經(jīng)過算法處理后實現(xiàn)對螺栓預(yù)緊力和螺栓橫向偏轉(zhuǎn)位移的實時測量，通過設(shè)立螺栓預(yù)緊力和橫向偏轉(zhuǎn)位移的閾值實現(xiàn)對風(fēng)機螺栓的實時監(jiān)測，并提供預(yù)警和告警[6-7]。

1.2 超聲波采集螺栓的軸向力理論計算

通過超聲探頭發(fā)出的超聲波由螺栓一端進入并傳遞到另一端時，在螺栓的端面會發(fā)生反射，再回傳給探頭。接收到螺栓另一端面的回波反射信號后，經(jīng)過帶通濾波、增益放大和過閾值測量，由超聲波測量聲波時間差，進而計算出螺栓軸向應(yīng)力。測定原理如圖1所示。

依據(jù)聲彈性原理-材料應(yīng)力影響超聲波的傳播速度，可以確定二者的關(guān)系：

（1）

式中：C為有應(yīng)力時的聲速；C0為無應(yīng)力時的聲速；K為螺栓聲彈性系數(shù)；σ為螺栓的軸向應(yīng)力。螺栓受力前后超聲波在螺栓中傳播的時間差為：

（2）

式中：E為螺栓材料的楊氏彈性模量；L0為螺栓有效夾持長度。它們在材料固定的情況下均為已知常量，可近似將超聲與螺栓軸向應(yīng)力表達關(guān)系式定為：

（3）

式中：A為螺栓的超聲應(yīng)力系數(shù)，此系數(shù)可以通過試驗標(biāo)定得出。根據(jù)應(yīng)力與軸力之間的關(guān)系，可得：

（4）

式中：S和F分別為螺栓中間段有效面積和所受軸力。在實際應(yīng)用中，測量出螺栓受力前后超聲波的聲時差Δt后，通過試驗標(biāo)定應(yīng)力系數(shù)A，就可計算出螺栓所受的軸力。上述所有的計算算法都可以在采集終端通過相應(yīng)程序?qū)崿F(xiàn)，得到螺栓所受軸力[8-10]。

1.3 拉線傳感器采集螺栓橫向偏轉(zhuǎn)位移理論計算

將拉線位移傳感器安裝在風(fēng)機變槳軸承和葉片螺栓旁邊固定位置，因為風(fēng)機在工作中處于旋轉(zhuǎn)和變槳狀態(tài)，螺栓容易松動。因此需要將拉線位移傳感器固定在螺栓旁邊某個具體位置來實現(xiàn)螺栓橫向偏轉(zhuǎn)位移監(jiān)測。螺栓橫向偏轉(zhuǎn)測量是先將拉線位移傳感器固定在風(fēng)機螺栓周圍某個固定位置，而拉線位移傳感器的拉線需要固定六邊螺栓的某個位置。當(dāng)螺栓發(fā)生偏移時拉線位移傳感器的拉線跟隨移動，通過設(shè)計拉線位移傳感器采集終端數(shù)據(jù)，利用相應(yīng)算法最終測出螺栓的橫向偏轉(zhuǎn)距離。具體原理如圖2所示。

假設(shè)風(fēng)機螺栓因為故障出現(xiàn)橫向偏移，L1是拉線位移傳感器到螺栓固定點的距離，L2是當(dāng)螺栓產(chǎn)生移位后拉線位移傳感器到螺栓固定點的距離，θ是螺栓偏轉(zhuǎn)的角度，R是螺栓的半徑，S是螺栓橫向偏轉(zhuǎn)位移。固定在1點的拉線位移傳感器細線由1號點移動到2號點。之前螺栓到拉線位移傳感器的距離為L1，現(xiàn)在因螺栓的轉(zhuǎn)動變成L2，拉線移動ΔL，得出L2=L1+ΔL，通過由L2、R、（L1+R）組成的三角形

得到：

（5）

最終通過公式得到螺栓的橫向偏轉(zhuǎn)位移：S=θ·R。上述計算公式最終在采集終端通過相應(yīng)的程序轉(zhuǎn)化，得到螺栓的橫向偏轉(zhuǎn)位移S。

2 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

實時采集某時間段上述風(fēng)機滾筒中8個編號螺栓的數(shù)據(jù)（包括螺栓預(yù)緊力和橫向位移數(shù)據(jù)），通過這些數(shù)據(jù)對風(fēng)機螺栓進行實時告警和預(yù)警提示，并將告警參數(shù)實時傳送給風(fēng)機監(jiān)控中心和手機終端。將4個傳感器安裝在承受最惡劣工況的螺栓1#和91#及相鄰59#和60#上，其余4個均布在其余螺栓中，分別為13#、28#、43#、73#。風(fēng)機螺栓編號如

圖3所示，超聲波傳感和采集器實物如圖4所示。

試驗在湖南桂東某風(fēng)場風(fēng)機上進行，現(xiàn)場大風(fēng)大雨，天氣條件較差。測量得出的8顆螺栓平均幅值和偏差范圍見表1所列。

由表1可知，超聲測量試驗結(jié)果平均偏差約為3.43%，最大偏差小于5%，精度較高。拉線位移傳感器的偏差范圍平均約為0.042 mm，可滿足風(fēng)機螺栓實時監(jiān)測要求，達到了預(yù)期效果。

3 結(jié) 語

綜上所述，此系統(tǒng)能滿足風(fēng)機螺栓在復(fù)雜環(huán)境下的監(jiān)測和風(fēng)電場對風(fēng)機螺栓的實時監(jiān)測要求，還將對采集的螺栓數(shù)據(jù)建立模型進行故障預(yù)測分析，以提前對風(fēng)機螺栓預(yù)警。除此之外，該螺栓監(jiān)控系統(tǒng)方案還可以應(yīng)用于國產(chǎn)民航客機（例如C919客機）以及大型艦船設(shè)備（例如航母）等，對保障人員安全、設(shè)備維護維修和管理都具有巨大作用，可以為國家安全、社會發(fā)展做出貢獻[11]。

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基金項目：湖南省教育廳優(yōu)秀青年項目（22B0989）