基于塔筒振動特性識別風機塔螺栓松動的研究

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研究所 地震工程與工程振動重點實驗室，哈爾濱　150080；2. 上海勘測設計研究院有限公司，上海　200434)

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基于塔筒振動特性識別風機塔螺栓松動的研究

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研究所 地震工程與工程振動重點實驗室，哈爾濱150080；2. 上海勘測設計研究院有限公司，上海200434)

摘要：法蘭盤螺栓松動是風機塔常見的一種嚴重病害。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座存在此病害的風機塔開展了詳細的振動測試與分析，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，其相位差未表現出此特性。實測試驗表明：相比其它振動特性，風機塔的1階相位差特性受法蘭盤螺栓松動的影響更明顯，因此能更準確地反映出法蘭盤螺栓松動現象，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重的松動病害。本文的研究結果是基于6座風機塔多個工況下的實測數據得出的，具有較高的可靠性，對風機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。

關鍵詞：風機塔；法蘭盤螺栓松動；塔筒振動特性；相位差特性

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

分析上述倒塌事故，可見風機塔法蘭盤螺栓松動是導致風機塔倒塌的主要因素，也是風機塔的常見嚴重病害之一，而導致法蘭盤螺栓松動的因素主要有以下幾個方面[1,4-6]：① 風機主要運行部件安裝存在偏差，導致風機運行時產生的振動較大，導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，導致螺母逐步松動。

因此，盡早發現螺栓的松動情況，有利于預防風機塔倒塌。

現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了較多的螺栓松動現象[1,7-9]。此方法雖然能詳細地檢查出螺栓松動情況，但是由于每座風機塔的螺栓數量接近百個，如逐個人工檢測則既費時也費力。因此對風機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，有利于減少風機塔的維護成本，更有利于促進風機塔運營安全監測技術的發展[10-11]。

風機塔通常由多節塔筒疊加而成，而每節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。如果風機塔不存在損傷，其結構動力響應傳遞函數在線性工作狀態下是固定不變的，但是，當法蘭螺栓松動時，可等效為螺栓連接構件的剛度折減[6]，導致相鄰塔筒之間的相互作用力函數發生變化，進而可能會導致相鄰塔筒之間的傳遞函數發生變化和整座風機塔的傳遞函數發生變化。因此，理論上如風機塔的螺栓松動比例達到一定程度，會導致風機塔的振動特性發生變化[11]。結構振動模態參數是結構傳遞函數表達式的重要物理參數，主要有固有頻率、振型、阻尼比、相位差、剛度、質量[12-13]。因此，可通過對在役風機塔的結構振動模態參數的測試和計算，分析風機塔動力響應傳遞函數，特別是相鄰塔筒之間的螺栓連接構件的動力響應傳遞函數是否發生較大變化，進而識別出風機塔的螺栓松動等結構損傷。

本論文對某6座已經存在螺栓松動病害的風機塔分別在對其螺栓重新緊固前后都進行了詳細的振動測試，通過實測數據的頻譜圖發現風機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注塔筒維修前后的1階模態參數的變化情況，對維修前后的1階固有頻率值、1階固有頻率值對應的阻尼比的變化進行了詳細統計，同時以第1個測點順風向(塔筒最底部測點)的振動信號作為風機塔振動輸入信號，分別做出其它測點順風向相對第1測點順風向的振動幅頻響應歸一化曲線和相頻響應曲線，然后基于各測點的振動幅頻響應歸一化曲線得出其1階固有頻率值對應的1階振型曲線；基于相頻響應曲線拾取出1階固有頻率值對應的相頻幅值，進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，繪制出風機塔1階固有頻率點對應的振型和相位差曲線。

本次測試通過數據分析，統計出了6座風機塔的1階固有頻率值和1階固有頻率值對應的阻尼比值、振型曲線、相位差曲線在螺栓緊固前后的變化情況，得出1階固有頻率值對應的相位差曲線對法蘭螺栓松動病害很敏感的結論。

1風機塔振動測試情況

某陸上風電場位于甘肅金昌市，其大量風機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%，特別是某座風機塔因未急時發現此病害，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角法擰緊螺栓(螺母)時，擰緊螺栓(螺母)的裝配的扭矩達到上限時(扭矩上限值主要依據螺栓和螺母的材料屈服強度值設定，通常取屈服強度對應的扭矩的70%)，螺栓(螺母)不再產生位移(轉角)；而螺栓松動現象是指當采用扭矩法或轉角法擰緊螺母時，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(轉角)[14]。因此，可通過扭矩法或轉角法可檢測出螺栓(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場工作量的巨大，因此只記錄了存在松動現象的螺栓(螺母)的數量，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機塔振動特性的變化。因此，本次實驗選擇了此風電場里存在不同程度螺栓松動情況的六座風機塔進行詳細的振動測試，研究螺栓松動對風機塔振動特性的影響情況。六座風機塔的基本情況和螺栓松動比例見表1，其中1號和2號風機塔為1.5兆瓦機組，3～6號風機塔為2兆瓦機組，塔筒法蘭盤上的螺栓規格為M36*480的10.9級高強度螺栓，其特性檢測結果符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》標準要求。

在各風機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的QZ2013型單分量力平衡加速度計，沿主風向(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振拾取能力。數據采集儀采用由北京騰晟橋康科技有限公司生產的G01NET-2型同步動態數據采集儀，其AD位數為24位。

表1　6座風機塔的螺栓松動比例統計

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

表2　各風機塔主風向水平振動測點布置說明表

為了研究風機塔振動特性對風機塔法蘭盤松動程度的敏感程度，我們對各風機塔實施了如表3所示的測試工況。測試時采樣頻率統一為64 Hz，每個工況連續記錄20分鐘的數據，所測得的風機塔振動典型波形如圖1和2所示。

2風機塔振動特性分析

2.1固有頻率與阻尼比分析

對各工況下采集到的振動數據進行FFT平均頻譜分析(平均窗為81 920×64，頻率分辨率為0.000 78 Hz)，得到風機塔的固有頻率值；同時基于半功率譜細化法計算出固有頻率點的阻尼比，其功率譜如圖3所示。由其功率譜可見風機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分別為各風機塔的1階固有頻率與阻尼比分析結果統計情況。

表3　 風機塔振動測試工況

注：法蘭盤緊固是只對法蘭盤上的各螺栓采用扭矩法進行重新緊固

圖1　在7～10 m/s風速時某風機塔工作狀態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風速時某風機塔工作狀態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

風機塔編號緊固前測試結果/Hz緊固后測試結果/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　風機塔1階固有頻率點對應的阻尼比分析結果

圖3某座風機塔實測振動FFT譜圖Fig.3 The vibration FFT spectrum of a wind turbine tower

由圖3可見，風機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，風機塔的振動屬于超低頻振動，這也表明了風機塔是一種非常柔性的高層建筑物。

由表4可知，各風機塔的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、正常運轉下所測得的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號風機塔的第1個法蘭盤上螺栓存在松動的比例松高達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座風機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機塔法蘭盤螺栓松動病害很不敏感。

由表5可知，各風機塔的1階固有頻率值對應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號風機塔的阻尼比值變化幅度都小于3%，5號風機塔的第1個法蘭盤螺栓松動比例雖然達到了63%，但是其阻尼比值也只是變化了10%左右。因此，通過6座風機塔振動測試表面塔筒的1階固有頻率值對應的阻尼比值對風機塔法蘭盤螺栓松動病害的不是很敏感。

2.2風機塔1階振型與相位差分析

對6座風機塔在各工況下所測得的塔筒1階振型和1階相位差曲線進行了詳細分析，各風機塔的1階振型和1階相位差曲線如圖4～圖9所示。

圖4　1號風機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號風機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號風機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號風機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號風機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座風機塔在各工況下所測得的風機塔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座風機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座風機塔在各工況下所測得的風機塔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，且每座風機塔的3個法蘭盤上下盤附近測點之間相位差都表現出了此特點，如3號風機塔的第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了突變現象。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，特別是在上螺栓的法蘭盤的上、下盤附近測點之間未出現明顯增大或減小的現象。因此通過分析6座風機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座風機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座風機塔螺栓緊固前后的振動特性統計

圖9　6號風機塔的振型與相位差曲線Fig.9 The vibration mode and the phase difference of No.6 tower

3結論

螺栓是風機塔的重要構件，用于連接各節塔筒，但是由于長期處于較大的振動環境，很容易出現松動現象，嚴重時直接導致風機塔倒塌。因此，連接法蘭盤的螺栓松動現象是風機塔的常見嚴重病害之一，也是風機塔日常維護的主要對象。本文通過對6座存在此病害的風機塔在維修前后都開展了詳細的振動測試與分析，得出風機塔的振動特性與風機塔螺栓松動之間存在以下關系：

(1) 風機塔的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，但是對風機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) 風機塔的1階固有頻率對應的阻尼比值在法蘭盤螺栓重新緊固前后出現了變化，但是變化較小，如5號風機塔第1個法蘭盤螺栓雖然松動比例達到了64%，且另外兩個法蘭盤上的螺栓松動比例也分別高達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座風機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：風機塔的固有頻率、阻尼比、振型等振動特性對法蘭盤螺栓松動病害不敏感，但是風機塔法蘭盤上、下盤的相位差絕對值對法蘭盤螺栓松動病害非常敏感，可基于風機塔的振動特性-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機塔進行了詳細的振動測試，測試數據的分析結果在風機塔法蘭盤螺栓松動快速檢測及運營安全的實時監測方面的研究具有一定的借鑒價值。

參 考 文 獻

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基金項目：國家自然青年科學基金(51508536)；上海市科學技術科研項目(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

文獻標志碼：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