張 磊，何建軍，程慶陽(yáng)，曾子競(jìng)，朱文娟，付 林，周偉強(qiáng)

(1.國(guó)家能源集團(tuán)湖南分公司，長(zhǎng)沙 410000；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114；3.西安中科起航測(cè)控技術(shù)有限公司，西安 712000；4.國(guó)家能源集團(tuán)龍?jiān)唇里L(fēng)力發(fā)電有限公司，長(zhǎng)沙 410000)

風(fēng)電技術(shù)迅猛發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中的各種問(wèn)題也不斷出現(xiàn)，對(duì)其關(guān)鍵設(shè)備的智能在線監(jiān)測(cè)成為了行業(yè)研究的焦點(diǎn)之一。風(fēng)機(jī)葉片關(guān)鍵部位的螺栓松動(dòng)等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致整個(gè)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的失效，從而造成極大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。近些年，隨著信號(hào)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析技術(shù)的不斷提升，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)也隨之發(fā)展。目前，風(fēng)電行業(yè)已廣泛采用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行時(shí)的故障監(jiān)控，保障機(jī)組的可靠運(yùn)行[1]。風(fēng)機(jī)螺栓損傷評(píng)價(jià)與在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究不斷取得新的進(jìn)展，文章對(duì)幾種先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了綜述。

1 基于葉片連接法蘭振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)方法

在振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究工作。閆航瑞等[2]對(duì)螺栓連接結(jié)構(gòu)施加隨機(jī)激勵(lì)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，利用小波分析法來(lái)研究螺栓在松動(dòng)情況下的信號(hào)特點(diǎn)。此方法具有良好的時(shí)頻定位特性及信號(hào)自適應(yīng)能力，能夠?qū)Ω鞣N時(shí)變信號(hào)進(jìn)行有效地分解，再對(duì)分解后相互獨(dú)立的各頻段進(jìn)行時(shí)域分析及提取特征量。

董廣明等[3]利用信號(hào)的譜矩因子結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)導(dǎo)彈支撐座連接螺栓的故障進(jìn)行診斷,依據(jù)信號(hào)功率譜特征的差異 ,提出了相應(yīng)的譜矩松動(dòng)故障特征提取方法。分析結(jié)果表明，用譜矩因子的降低作為該結(jié)構(gòu)連接螺栓松動(dòng)的診斷特征是可行的，可以近似模擬被試產(chǎn)品的工作振動(dòng)環(huán)境。屈文忠等[4]利用亞諧波共振分析法來(lái)識(shí)別螺栓松動(dòng)信號(hào)，采用多尺度方法分析了亞諧波共振現(xiàn)象，定性地模擬了螺栓松動(dòng)損傷亞諧波激勵(lì)條件。

趙建鈞等[5]提出了一種基于振動(dòng)相位差的螺栓連接狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在螺栓松動(dòng)及擰緊狀態(tài)下，分別給振動(dòng)電機(jī)通電，螺栓連接松動(dòng)及擰緊時(shí)的監(jiān)測(cè)信號(hào)如圖2所示。由圖2的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確判定螺栓的連接狀態(tài)。以相位差作為判斷螺栓連接狀態(tài)的切入點(diǎn)，與其他方法相比，其適用性更廣，實(shí)時(shí)性更好。

圖1 基于振動(dòng)相位差的螺栓連接狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖2 螺栓連接松動(dòng)及擰緊時(shí)的監(jiān)測(cè)信號(hào)

2 螺栓損傷的聲發(fā)射檢測(cè)方法

超聲檢測(cè)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的無(wú)損檢測(cè)方法之一，其根據(jù)反射回波的位置和波幅來(lái)判斷缺陷的大小和位置。由超聲波的基本特性可知，當(dāng)聲波遇到障礙時(shí)將發(fā)生反射，障礙的幾何尺寸相對(duì)于波長(zhǎng)很大時(shí)，聲波將不會(huì)向前傳播而全部反射;障礙的幾何尺寸相對(duì)于波長(zhǎng)較小時(shí)，聲波將繞過(guò)障礙物繼續(xù)向前傳播[6]。螺栓齒根存在裂紋將會(huì)增強(qiáng)齒根部位對(duì)聲波的阻擋作用，增大反射波能量，從而在屏幕上產(chǎn)生一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常波高的缺陷波，由此便可以判斷是否存在裂紋。

螺栓的聲彈響應(yīng)隨軸向應(yīng)力而變化。與聲彈響應(yīng)相關(guān)的以下3個(gè)屬性可用于計(jì)算軸向應(yīng)力水平：① 超聲沿螺栓的傳播時(shí)間;② 縱向波與剪切波的傳播時(shí)間之比;③ 螺栓中的機(jī)械共振。分別基于這3個(gè)屬性的分析方法如下所述。

2.1 飛行時(shí)間法

超聲波對(duì)材料中的殘余應(yīng)力和外加應(yīng)力均非常敏感，其傳播取決于波的方向和施加應(yīng)力的方向。在均勻同性材料中存在各向平面波的情況下，縱波和橫波的傳播方向與施加應(yīng)力的方向相同。為確定某種鋼螺栓的聲彈性系數(shù)而進(jìn)行的測(cè)量表明，聲彈性系數(shù)與熱處理對(duì)螺栓的影響無(wú)關(guān)[7]。

承受軸向載荷的螺栓的某些部位受力不均，假設(shè)初始螺栓長(zhǎng)度Li是受應(yīng)力有效長(zhǎng)度Le和無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度L0的總和(見(jiàn)圖3)。

圖3 軸向加載螺栓受力模型

超聲脈沖回波飛行時(shí)間t為

(1)

Lσ=Le(1+E-1σ0)

(2)

t0=2Li/v0

(3)

式中：Lσ為應(yīng)力作用長(zhǎng)度;σ0為彈性系數(shù);v0為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的波速;E為螺栓材料的彈性模量;t0為對(duì)應(yīng)于初始長(zhǎng)度Li中縱波和橫波的脈沖回波時(shí)間;A為材料的聲彈性系數(shù)。

式(1)表明，應(yīng)力作用下的飛行時(shí)間是施加應(yīng)力的線性函數(shù)。

HIRAO等[8]使用非接觸式橫波電磁聲換能器激發(fā)沿螺栓軸向傳播的橫波進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，負(fù)載與飛行時(shí)間或信號(hào)相位之間具有良好的線性關(guān)系。HANG等[9]采用相位檢測(cè)方法對(duì)飛行時(shí)間進(jìn)行精確測(cè)量，結(jié)果表明，聲速隨應(yīng)力的增加呈線性下降。ZHANG等[10]通過(guò)混合使用高次諧波和頻譜邊帶，提出了基于接觸聲非線性的監(jiān)測(cè)方法，可以檢測(cè)螺栓松動(dòng)并評(píng)估螺栓松動(dòng)時(shí)的殘余扭矩。

由于聲波在螺栓中的飛行時(shí)間僅為幾十納秒，所以數(shù)據(jù)采集過(guò)程對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率要求很高。大多數(shù)專家學(xué)者使用示波器捕捉信號(hào)，但這種裝置不適合風(fēng)電場(chǎng)螺栓的健康監(jiān)測(cè)。

2.2 速比法

速比法利用聲彈性系數(shù)的差異來(lái)區(qū)分螺栓連接質(zhì)量的好壞。橫波飛行時(shí)間tT與縱波飛行時(shí)間tL的比率為

(4)

式中：vL0為縱波波速；vT0為橫波波速；AT與AL分別為傳播波型為橫波與縱波時(shí)材料的聲彈性系數(shù)；F為螺栓所受應(yīng)力;Se為螺栓的有效直徑。

速比法更實(shí)用，因?yàn)檩S向載荷的計(jì)算僅僅是根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)下的飛行時(shí)間比計(jì)算的，而不需要在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下測(cè)量飛行時(shí)間。

KIM等[11]利用縱波的波型轉(zhuǎn)換，同時(shí)產(chǎn)生縱波和橫波，并將其用于獲得高壓螺栓的軸向應(yīng)力。還有的研究建立了一種基于縱波和橫波組合的螺栓預(yù)緊量超聲測(cè)量模型，依據(jù)提取節(jié)點(diǎn)在螺栓中心軸線上的軸向位置及軸向應(yīng)力，繪制軸向應(yīng)力云圖(見(jiàn)圖4)。該方法可有效地消除螺栓軸向應(yīng)力分布不均勻?qū)y(cè)量的影響，進(jìn)一步提高了預(yù)負(fù)荷的檢測(cè)精度。

圖4 螺栓軸向應(yīng)力云圖

2.3 機(jī)械共振頻移法

簡(jiǎn)單的一維隔離諧振器模型適用于超聲波沿螺栓傳播的情況。假設(shè)聲波在螺栓的平端發(fā)生完全反射，在此基礎(chǔ)上，可以合理地假定共振頻率fn為

fn=nv/Li

(5)

式中：n為諧波數(shù);v為共振頻率的聲速。

當(dāng)應(yīng)力作用于樣品時(shí)，L和v都會(huì)發(fā)生變化，引起諧振頻率的變化。共振頻率的變化量Δfn與fn的比值為

(6)

式中：ε為螺栓的應(yīng)變；Δv為聲速變化量；ΔL為樣品長(zhǎng)度的變化量;σ為螺栓所受應(yīng)力。

對(duì)于各向同性彈性介質(zhì)，聲速與應(yīng)力呈線性關(guān)系。式(6)可以表示為式(7)。

(7)

式(7)表明，共振頻率偏移率是施加應(yīng)力的線性函數(shù)，因此，可以通過(guò)測(cè)量Δfn來(lái)測(cè)定樣品中產(chǎn)生的應(yīng)力。

WANG等[12]提出了一種基于振動(dòng)聲調(diào)制的方法來(lái)監(jiān)測(cè)螺栓的早期松動(dòng)。為考慮界面粗糙度的影響，WANG建立了沖擊螺栓連接產(chǎn)生的聲學(xué)信號(hào)模型，提出了一種新的基于敲擊的分析建模和數(shù)值模擬方法。如圖5所示，當(dāng)振動(dòng)模態(tài)與機(jī)械共振頻率相匹配時(shí)，峰值聲壓級(jí)的頻率接近于固有頻率。與目前的螺栓松動(dòng)識(shí)別方法相比，沖擊聲測(cè)試法速度快且價(jià)格低，但聲波在螺栓中的飛行時(shí)間僅為幾十納秒，測(cè)量結(jié)果容易受到風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境干擾，限制了其在風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

圖5 螺栓0預(yù)載下的固有頻率響應(yīng)與輻射聲信號(hào)

綜上所述，利用超聲波對(duì)高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，雖然方法方便、反應(yīng)迅速和趨向智能化，但人為因素導(dǎo)致對(duì)缺陷的判斷準(zhǔn)確率不高，所以超聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)未來(lái)還有很大的進(jìn)步空間。

3 基于螺栓預(yù)緊力的壓電效應(yīng)檢測(cè)方法

葉片螺栓壓電阻抗技術(shù)的原理為,當(dāng)葉片螺栓連接結(jié)構(gòu)時(shí)，螺栓預(yù)緊力轉(zhuǎn)化為壓力，螺栓預(yù)緊力越大，螺栓連接界面的實(shí)際接觸面積越大，透過(guò)的超聲波越多，接收到的響應(yīng)信號(hào)也就越強(qiáng)，通過(guò)分析聚焦信號(hào)的幅值就可確定螺栓預(yù)緊力的大小，判斷螺栓的連接狀態(tài)。

LIANG等[13]提出了將阻抗測(cè)量法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的方法，其將壓電陶瓷貼片法貼合到被監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)表面，由貼片將結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞到主體結(jié)構(gòu)。該方法通過(guò)電導(dǎo)率-頻率曲線反映結(jié)構(gòu)的獨(dú)特振動(dòng)特征，通過(guò)調(diào)整感應(yīng)頻率的范圍來(lái)覆蓋不同的感應(yīng)區(qū)域。RITDUMRONGKUL等[14]基于光譜元素方法對(duì)壓電陶瓷貼片結(jié)合處的結(jié)構(gòu)阻抗進(jìn)行建模,通過(guò)測(cè)量貼片的電阻抗檢測(cè)結(jié)構(gòu)性能的變化，將螺栓的松動(dòng)定量地確定為螺栓連接處的剛度和阻尼的變化。該方法解決了螺栓連接狀態(tài)定量檢測(cè)的問(wèn)題，但由于要使用電鏡，所以難以在風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用。

WAIT等[15]通過(guò)結(jié)合阻抗方法和蘭姆波的應(yīng)用來(lái)分析螺栓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性。AN等[16]利用從表面安裝壓電換能器同時(shí)獲得的阻抗和導(dǎo)波信號(hào)來(lái)檢測(cè)螺栓松動(dòng)，說(shuō)明了集成的阻抗和基于導(dǎo)波的損傷檢測(cè)技術(shù)的適用性。圖6所示為螺栓在擰緊狀態(tài)下不同溫度條件時(shí)測(cè)得的導(dǎo)納和導(dǎo)波信號(hào)；圖7所示為螺栓在松動(dòng)和擰緊狀態(tài)下，-10 ℃時(shí)測(cè)得的導(dǎo)納和導(dǎo)波信號(hào)。圖6和圖7表明，在溫度變化的條件下進(jìn)行損傷診斷是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)閷?dǎo)納和導(dǎo)波信號(hào)對(duì)損傷和溫度均較敏感。

圖6 螺栓在擰緊狀態(tài)、不同溫度條件下測(cè)得的導(dǎo)納和導(dǎo)波信號(hào)

圖7 螺栓在松動(dòng)和擰緊狀態(tài)下，-10 ℃時(shí)測(cè)得的導(dǎo)納和導(dǎo)波信號(hào)

因精密阻抗分析儀成本高，MASCARENAS[17]等設(shè)計(jì)了基于AD5933型阻抗測(cè)量芯片的無(wú)線阻抗設(shè)備，并將其用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，降低了成本，但是，阻抗芯片有限的掃描面積和采樣頻率限制了其應(yīng)用。

所有上述阻抗方法都通過(guò)阻抗信號(hào)分析來(lái)確定螺栓的連接狀態(tài)，缺乏對(duì)螺栓結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性(尤其是局部高頻動(dòng)力)的研究，因此尚未形成有效的監(jiān)測(cè)理論。阻抗法具有很高的激勵(lì)頻率和可調(diào)節(jié)的感應(yīng)面積，因此非常適合局部動(dòng)態(tài)特性的研究。如果解決了螺栓連接狀態(tài)對(duì)局部動(dòng)態(tài)影響的表征問(wèn)題，阻抗方法在在線監(jiān)測(cè)螺栓連接方面將具有良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 基于葉片螺栓微變形的光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)

光纖傳感檢測(cè)法使用的光纖技術(shù)分為3類：光纖光柵傳感技術(shù)；光纖微機(jī)電傳感技術(shù)；光纖分布式傳感技術(shù)。這些技術(shù)可測(cè)量結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)變、應(yīng)力、加速度、傾角、位移等參數(shù)，在先進(jìn)制造、航天國(guó)防、資源環(huán)境和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

風(fēng)機(jī)葉片螺栓的監(jiān)測(cè)主要應(yīng)用光纖微機(jī)電傳感技術(shù)。該技術(shù)將光柵與螺栓緊密貼附，螺栓的形變導(dǎo)致光信號(hào)發(fā)生變化，這種變化被解調(diào)器解析后可實(shí)現(xiàn)螺栓形變的監(jiān)測(cè)[18]。光纖微機(jī)電傳感器的硅基敏感結(jié)構(gòu)采用微機(jī)電技術(shù)集成制造，采用光纖檢測(cè)技術(shù)讀取信號(hào)，因此，該技術(shù)具有光纖微機(jī)電傳感器和光纖傳感器的共同優(yōu)點(diǎn)。光纖微機(jī)電傳感器通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)螺栓的受力數(shù)據(jù)和評(píng)估螺栓松動(dòng)引起的損傷，克服了現(xiàn)有傳感器“寬頻”和“高精度”的制約，消除了雷擊損傷和電磁干擾，降低了電子傳感器和電纜引燃葉片的安全隱患。

5 基于葉片螺栓材料及結(jié)構(gòu)特征的檢測(cè)技術(shù)

隨著科技發(fā)展，傳統(tǒng)檢測(cè)方法不斷進(jìn)步的同時(shí)，新技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)，新興的檢測(cè)方法主要如下所述。

(1) 角度傳感器法。在指定的被監(jiān)測(cè)螺母上安裝一個(gè)角度傳感器與接收器，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得出螺母逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度信號(hào)，將螺栓的最大預(yù)緊力作為初始狀態(tài)，傳感器的計(jì)數(shù)值設(shè)為0，隨著螺栓的蠕動(dòng)，螺母會(huì)發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，傳感器隨之計(jì)數(shù)，即可監(jiān)測(cè)到螺栓的連接狀態(tài)[19]。

(2) 磁附法。該方法應(yīng)用于塔機(jī)螺栓的安全檢測(cè)，主要由帶號(hào)碼的磁塊和塑料環(huán)片組成[20]。工作原理為，當(dāng)螺栓受力，螺母松動(dòng)下移并推動(dòng)塑料和磁塊環(huán)向下移動(dòng)時(shí)，磁塊脫離螺栓底部，此時(shí)磁塊受到的磁力小于其自身重力，與塑料環(huán)一起掉落。工作人員可根據(jù)掉落的磁塊或者塑料環(huán)鎖定問(wèn)題螺栓。

(3) 氫脆檢測(cè)法。 氫脆是高強(qiáng)度螺栓質(zhì)量隱患的主要來(lái)源，文獻(xiàn)[21]歸納了適用于航天產(chǎn)品的螺栓氫脆檢測(cè)法：氫含量檢測(cè)法；應(yīng)力持久法；分步加載法。

(4) 氫含量檢測(cè)法。氫含量檢測(cè)法可以分為物理法和電化學(xué)法兩種。螺栓氫脆源于螺栓產(chǎn)品中吸入的氫，氫含量檢測(cè)法通過(guò)控制螺栓產(chǎn)品或制造工藝過(guò)程中的氫含量以實(shí)現(xiàn)對(duì)氫脆風(fēng)險(xiǎn)的控制。

(5) 應(yīng)力持久法。存在氫脆傾向的高強(qiáng)度鋼及其制品在小于正常拉斷力的持續(xù)作用下會(huì)發(fā)生氫脆斷裂。應(yīng)力持久法的基本特征就是對(duì)試樣施加持續(xù)一定時(shí)間的應(yīng)力。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)螺栓結(jié)構(gòu)連接監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和介紹，重點(diǎn)介紹了基于振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)、聲彈性效應(yīng)技術(shù)、壓電效應(yīng)檢測(cè)技術(shù)、光纖傳感技術(shù)和材料及結(jié)構(gòu)特征檢測(cè)方法等的風(fēng)機(jī)連接螺栓在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展，分析了這些技術(shù)的特點(diǎn)及其在風(fēng)機(jī)螺栓監(jiān)測(cè)中的適用性，為風(fēng)力機(jī)組螺栓的監(jiān)測(cè)研究提供參考。目前，風(fēng)力機(jī)組螺栓監(jiān)測(cè)技術(shù)還處在從探索到應(yīng)用的過(guò)渡階段，未來(lái)的螺栓監(jiān)測(cè)技術(shù)將會(huì)朝著精細(xì)化和智能化的方向發(fā)展。