摘 要：近些年，隨著國(guó)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(guó)各地都在建風(fēng)場(chǎng)，利用風(fēng)能發(fā)電，但隨著風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)量的增加，風(fēng)機(jī)事故也頻頻發(fā)生，其中最嚴(yán)重的就是風(fēng)機(jī)倒塌事故，究其主要原因：風(fēng)電機(jī)組在長(zhǎng)期的風(fēng)力負(fù)荷下，風(fēng)機(jī)上的螺栓容易松動(dòng)導(dǎo)致其預(yù)緊力消減，螺栓斷裂，若發(fā)現(xiàn)不及時(shí)可致風(fēng)機(jī)倒塌，發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。針對(duì)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(jī)組螺栓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓預(yù)緊力和螺栓橫向偏轉(zhuǎn)位移的實(shí)時(shí)測(cè)量，通過設(shè)立閾值實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)螺栓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并提供預(yù)警和告警。此舉對(duì)于保障風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行以及風(fēng)電企業(yè)人身和財(cái)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(cè)系統(tǒng)；風(fēng)電機(jī)組

中圖分類號(hào)：TP13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）06-000-02

0 引 言

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)量的增加，風(fēng)機(jī)事故頻頻發(fā)生，其中，螺栓斷裂是引起風(fēng)機(jī)倒塌事故最常見的原因[1]。因此，監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)相關(guān)螺栓工作狀態(tài)對(duì)于保障風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行尤其重要，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)風(fēng)機(jī)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(xiàn)，將國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)機(jī)螺栓的研究現(xiàn)狀概括為以下兩點(diǎn)：

（1）通過對(duì)風(fēng)機(jī)螺栓建模受力分析，進(jìn)而對(duì)螺栓疲勞損傷等問題進(jìn)行深入研究[2]。

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

因?yàn)轱L(fēng)機(jī)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(jī)螺栓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和多螺栓同時(shí)監(jiān)控的需求，還不能對(duì)風(fēng)機(jī)螺栓提供預(yù)警[5]。所以急需提供一種全新的風(fēng)機(jī)螺栓在線監(jiān)測(cè)方案。

1 風(fēng)機(jī)螺栓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

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

研究主要針對(duì)風(fēng)電機(jī)組變槳軸承高強(qiáng)度螺栓在復(fù)雜載荷作用下螺栓失效在線監(jiān)測(cè)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(jī)組多螺栓位移在線監(jiān)測(cè)的方法和系統(tǒng)。系統(tǒng)通過采集器實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓預(yù)緊力和螺栓橫向偏轉(zhuǎn)位移的實(shí)時(shí)測(cè)量，通過設(shè)立螺栓預(yù)緊力和橫向偏轉(zhuǎn)位移的閾值實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)螺栓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(jì)算

通過超聲探頭發(fā)出的超聲波由螺栓一端進(jìn)入并傳遞到另一端時(shí)，在螺栓的端面會(huì)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(hào)后，經(jīng)過帶通濾波、增益放大和過閾值測(cè)量，由超聲波測(cè)量聲波時(shí)間差，進(jìn)而計(jì)算出螺栓軸向應(yīng)力。測(cè)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(shí)的聲速；C0為無應(yīng)力時(shí)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(shí)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(zhǎng)度。它們?cè)诓牧瞎潭ǖ那闆r下均為已知常量，可近似將超聲與螺栓軸向應(yīng)力表達(dá)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(yàn)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(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量出螺栓受力前后超聲波的聲時(shí)差Δt后，通過試驗(yàn)標(biāo)定應(yīng)力系數(shù)A，就可計(jì)算出螺栓所受的軸力。上述所有的計(jì)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(jì)算

將拉線位移傳感器安裝在風(fēng)機(jī)變槳軸承和葉片螺栓旁邊固定位置，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)在工作中處于旋轉(zhuǎn)和變槳狀態(tài)，螺栓容易松動(dòng)。因此需要將拉線位移傳感器固定在螺栓旁邊某個(gè)具體位置來實(shí)現(xiàn)螺栓橫向偏轉(zhuǎn)位移監(jiān)測(cè)。螺栓橫向偏轉(zhuǎn)測(cè)量是先將拉線位移傳感器固定在風(fēng)機(jī)螺栓周圍某個(gè)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(gè)位置。當(dāng)螺栓發(fā)生偏移時(shí)拉線位移傳感器的拉線跟隨移動(dòng)，通過設(shè)計(jì)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(cè)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(jī)螺栓因?yàn)楣收铣霈F(xiàn)橫向偏移，L1是拉線位移傳感器到螺栓固定點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的拉線位移傳感器細(xì)線由1號(hào)點(diǎn)移動(dòng)到2號(hào)點(diǎn)。之前螺栓到拉線位移傳感器的距離為L(zhǎng)1，現(xiàn)在因螺栓的轉(zhuǎn)動(dòng)變成L2，拉線移動(dòng)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(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

實(shí)時(shí)采集某時(shí)間段上述風(fēng)機(jī)滾筒中8個(gè)編號(hào)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(duì)風(fēng)機(jī)螺栓進(jìn)行實(shí)時(shí)告警和預(yù)警提示，并將告警參數(shù)實(shí)時(shí)傳送給風(fēng)機(jī)監(jiān)控中心和手機(jī)終端。將4個(gè)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(gè)均布在其余螺栓中，分別為13#、28#、43#、73#。風(fēng)機(jī)螺栓編號(hào)如

圖3所示，超聲波傳感和采集器實(shí)物如圖4所示。

試驗(yàn)在湖南桂東某風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)上進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)大風(fēng)大雨，天氣條件較差。測(cè)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(cè)量試驗(yàn)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(jī)螺栓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求，達(dá)到了預(yù)期效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，此系統(tǒng)能滿足風(fēng)機(jī)螺栓在復(fù)雜環(huán)境下的監(jiān)測(cè)和風(fēng)電場(chǎng)對(duì)風(fēng)機(jī)螺栓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求，還將對(duì)采集的螺栓數(shù)據(jù)建立模型進(jìn)行故障預(yù)測(cè)分析，以提前對(duì)風(fēng)機(jī)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(guó)產(chǎn)民航客機(jī)（例如C919客機(jī)）以及大型艦船設(shè)備（例如航母）等，對(duì)保障人員安全、設(shè)備維護(hù)維修和管理都具有巨大作用，可以為國(guó)家安全、社會(huì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)[11]。

參考文獻(xiàn)

[1]楊乘勝.面向新建風(fēng)電場(chǎng)的短期風(fēng)電預(yù)測(cè)方法[J].中國(guó)科技信息，2022，34（19）：104-106.

[2]王建強(qiáng).風(fēng)電新能源發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展前景研究[J].智慧中國(guó)，2021，7（6）：92-93.

[3]任斌.新能源發(fā)電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用淺談[J].中國(guó)設(shè)備工程，2022，37（18）：196-198.

[4]聶方正，王瑞良，楊翀，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制算法測(cè)試方法及評(píng)測(cè)[J].機(jī)電信息，2022，22（18）：18-21.

[5]胡良明，張坤坤，歐陽(yáng)儒賢，等.風(fēng)機(jī)法蘭螺栓斷裂對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響分析[J].水電能源科學(xué)，2022，40（8）：208-211.

[6]趙侖，蔡暉，王志強(qiáng)，等. 2種在役風(fēng)機(jī)螺栓孔相控陣超聲檢測(cè)方法[J/OL].熱力發(fā)電：1-6 [2022-10-07].

[7]姚紅賓，姚景占，皇甫瑋，等.風(fēng)機(jī)葉根螺栓斷裂失效分析[J].設(shè)備管理與維修，2022，43（9）：49-51.

[8]龐松，王雪梅，倪文波.嵌入式風(fēng)電機(jī)組多螺栓應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2021，44（4）：166-171.

[9]蔣靖，郭濤，楊軼，等.風(fēng)電機(jī)組葉根螺栓超聲波預(yù)緊力監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].風(fēng)能，2021，12（4）：94-98.

[10]檀宇.螺栓預(yù)緊力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2021.

[11]肖文君，張宇舟，喬海祥，等.某風(fēng)電廠風(fēng)機(jī)的螺栓預(yù)緊力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界，2022，44（2）：127-129.

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目（22B0989）