風(fēng)電機(jī)組螺栓狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

李 淼 楊 軼 李路兵

（1、中電投東北新能源（大連）駝山風(fēng)電有限公司，遼寧 大連116000 2、中電投東北新能源發(fā)展有限公司，遼寧 沈陽(yáng)110181 3、華北電力大學(xué)，北京102206）

1 概述

風(fēng)電機(jī)組主要零部件包括葉片、機(jī)架、塔筒、主軸、輪轂等，其中高強(qiáng)度螺栓是連接這些關(guān)鍵零部件的主要元件之一。由于風(fēng)電機(jī)組螺栓部件特別是葉片處輪轂的螺栓長(zhǎng)期工作在振動(dòng)、交變負(fù)荷的工況下，極易發(fā)生松動(dòng)、斷裂等故障，是導(dǎo)致葉片掉落的主要原因。由于螺栓鏈接失效導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)狀態(tài)異常，風(fēng)電機(jī)組中高強(qiáng)度螺栓的工作安全性和可靠性將直接影響整機(jī)的運(yùn)作安全性和穩(wěn)定性，使得高強(qiáng)度連接螺栓的失效問題受到廣泛關(guān)注。

螺栓連接有多種失效形式，例如螺栓在承受過大拉力之后引起的螺桿伸長(zhǎng)失效；螺紋副承受過大壓力引起的壓潰失效；鉸制孔用螺栓因剪切力引起的擠壓失效；循環(huán)荷載作用下，交變應(yīng)力引起的螺栓疲勞斷裂失效[1]。但是，大部分的螺栓失效在早期很難從外觀上直接判斷，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，故障將急劇惡化，導(dǎo)致嚴(yán)重故障的發(fā)生。常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法有：電阻應(yīng)變片電測(cè)法，壓電主動(dòng)傳感法，聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)法，壓電阻抗法等，超聲法等。傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)存在一些缺點(diǎn)限制了這些方法的推廣使用，如：需要專業(yè)人員檢測(cè)，人工費(fèi)用高并且人為判斷失效形式存在不可靠性，檢測(cè)周期長(zhǎng)，存在一定的安全隱患。

2 螺栓狀態(tài)檢測(cè)方法對(duì)比

2.1 基于振動(dòng)分析的檢測(cè)方法

基于振動(dòng)分析的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種憑據(jù)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)來(lái)識(shí)別損傷的無(wú)損檢測(cè)方法。該方法通過振動(dòng)激（轉(zhuǎn)下頁(yè)）勵(lì)螺栓，通過加速度傳感器采集分析和比較結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，提取表征結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的特征參數(shù)從而識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷[2]。但該方法結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，不太適合于野外環(huán)境螺栓狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.2 基于壓電阻抗的檢測(cè)方法

壓電阻抗技術(shù)是一種基于壓電材料（PZT）的非參數(shù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，其基本原理是：待檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷會(huì)影響結(jié)構(gòu)內(nèi)部的阻抗特性。利用PZT 的壓電效應(yīng)，給PZT 施加激勵(lì)信號(hào)使其振動(dòng)，該過程利用PZT 的逆壓電效應(yīng)。

當(dāng)給粘貼在壓電材料基體上的PZT 施加交流電場(chǎng)時(shí)，PZT產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，并引起壓電材料基體振動(dòng)；振動(dòng)信號(hào)傳播到PZT片上，通過正壓電效應(yīng)，PZT 將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，再通過阻抗分析儀測(cè)量出阻抗變化就能得到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的阻抗信息。

2.3 射線檢測(cè)

射線檢測(cè)本質(zhì)上是利用X 射線γ 射線的能量，射線穿透力強(qiáng)，在穿透物體的過程中會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用。如果被檢測(cè)物體內(nèi)部存在缺陷，在缺陷處其衰減系數(shù)不同于試件的其他位置。射線檢測(cè)應(yīng)用這一特點(diǎn)進(jìn)行缺陷檢測(cè)[3]。

相對(duì)于其他常用檢測(cè)方法，超聲波穿透力強(qiáng)，自身能量高，傳播方向性好。超聲波在大扭矩螺栓這樣的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行傳播時(shí)，螺栓裂紋，松動(dòng)等狀態(tài)會(huì)對(duì)超聲波的傳播特性造成不同的改變。利用超聲波作為傳感器對(duì)大扭矩螺栓狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是較好的選擇，同時(shí)超聲波的檢測(cè)可以通過AD 采集卡 結(jié)合上位機(jī)軟件直接采集回波數(shù)據(jù)并顯示，從而可以通過相應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理來(lái)準(zhǔn)確的判斷螺栓的缺陷類型。

3 超聲波換能器選擇

選擇超聲波換能器時(shí)，超聲波探頭激勵(lì)信號(hào)類型和中心頻率兩個(gè)關(guān)鍵需要考慮在內(nèi)。超聲波的傳播距離或者說(shuō)超聲波的衰減系數(shù)與超聲波換能器的頻率有直接關(guān)系，超聲波的頻率越高，方向性越好，但衰減越快，使得超聲波的傳輸距離受到限制[4-5]。實(shí)驗(yàn)時(shí)用到的中心頻率為200K 的探頭，衰減周期太長(zhǎng)，直接影響重復(fù)采樣頻率，并且探頭的分辨率低。頻率越低，超聲波衍射越明顯，其接收到的回波信號(hào)能量越小，在進(jìn)行回波接收時(shí)會(huì)對(duì)接收電路的放大倍數(shù)有更高的要求，硬件設(shè)計(jì)越來(lái)越困難。國(guó)內(nèi)外廠商生產(chǎn)的探頭中頻率通常在0.5MHzz-10MHz 之間。大扭矩螺栓一般尺寸和長(zhǎng)度較大，常見的主要缺陷有裂痕、松動(dòng)等可以選用較高中心頻率的超聲波探頭，考慮到中心頻率增加聲波能量衰減程度變大，因此選擇探頭的中心頻率不能無(wú)限擴(kuò)大，要根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境選用經(jīng)過分析比較，工程應(yīng)用中一般選用頻率為2.5MHz-5MHz 超聲波探頭。

圖1 超聲波壓電換能器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 超聲波換能器示意圖

4 超聲激勵(lì)信號(hào)

超聲波發(fā)射單元中，利用電容的充放電原理，是通過電容瞬間放電，產(chǎn)生的負(fù)的尖脈沖電壓激勵(lì)超聲波探頭，由內(nèi)部晶片壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波。發(fā)射單元有兩種，非諧振式和諧振式。非諧振式的發(fā)射電路發(fā)射的脈沖相對(duì)較短，頻率更寬，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生方波脈沖或尖脈沖等不同狀態(tài)的脈沖類型。

如圖3 所示。

電路產(chǎn)生的負(fù)的尖脈沖信號(hào)，脈沖峰值為-108V。該尖脈沖信號(hào)直接激勵(lì)超聲波探頭產(chǎn)生超聲波信號(hào)，脈沖持續(xù)時(shí)間約7us,可以通過輸出電阻調(diào)整脈沖，盡可能減小激勵(lì)電壓對(duì)回波信號(hào)的影響。原理圖中R6 可調(diào)節(jié)脈沖的功率和脈寬，阻值越大則脈沖功率越大（圖4）。

5 超聲回波信號(hào)處理

5.1 回波預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)

圖3 高壓脈沖激勵(lì)原理圖

圖4 高壓脈沖尖脈沖信號(hào)

超聲波在被探測(cè)對(duì)象中傳播，當(dāng)遇到裂紋、端面等非均勻介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，該反射超聲波信號(hào)經(jīng)超聲波探頭變成相應(yīng)電信號(hào)，從而形成回波信號(hào)[6]。由于回波信號(hào)中夾雜一部分高壓激勵(lì)信號(hào)，在進(jìn)行AD 采集之前需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，將回波小信號(hào)不失真的進(jìn)行放大。回波信號(hào)為微弱電壓信號(hào)，幾十毫伏到幾百毫伏，該信號(hào)的大小和噪聲信號(hào)幅度接近。需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大，增益控制在20～50db。通過AD603 芯片設(shè)計(jì)增益控制電路，以保證回波信號(hào)放大到AD 采集可接受輸入范圍內(nèi)。

5.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

由于螺栓狀態(tài)檢測(cè)中一般選用頻率為2.5MHz-5MHz 超聲波探頭，回波信號(hào)的頻率也在這個(gè)頻率范圍。根據(jù)要求，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用高速AD 采集模塊AD9226，采樣頻率最高可達(dá)65MSPS,13 位并行數(shù)據(jù)傳輸，輸入信號(hào)由前端電路提供，控制邏輯由FPGA 提供，由于多個(gè)探頭發(fā)送信號(hào)需要精確的延時(shí)控制，F(xiàn)PGA 控制應(yīng)用更加方便。

6 系統(tǒng)性能測(cè)試

6.1 超聲探頭發(fā)射性能測(cè)試

圖5 5MHz 探頭的超聲波信號(hào)

上圖是5M超聲波探頭激勵(lì)結(jié)果：圖左為超聲波信號(hào)，圖右是該信號(hào)頻譜分析結(jié)果，超聲波信號(hào)為正弦波，衰減震蕩，持續(xù)時(shí)間約5us，峰值最高5V。

6.2 回波信號(hào)采集性能測(cè)試

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)超聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，本文利用CSK-IA 標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行測(cè)試。將超聲波發(fā)射探頭和接收探頭分別放在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試塊兩端，進(jìn)行超聲波收發(fā)機(jī)回波探測(cè)實(shí)驗(yàn)。圖7是實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出情況，測(cè)試塊厚度為25mm，通道一為超聲波發(fā)射探頭信號(hào)，通道二為接收探頭信號(hào)。

超聲波在標(biāo)準(zhǔn)試塊中傳播速度5800m/s，試塊厚度0.025m，通道二接收回波的時(shí)間相對(duì)通道一應(yīng)延遲4us，圖中一次回波在時(shí)間上復(fù)合期望結(jié)果。與此同時(shí)，在信號(hào)中能夠明顯看到一次二次三次回波。實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的超聲波監(jiān)測(cè)裝置能夠?qū)Π菟ㄔ趦?nèi)的金屬塊尺寸，內(nèi)部結(jié)構(gòu)等參數(shù)進(jìn)行無(wú)損探測(cè)，可用于螺栓的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

圖6 CSK-IA 超聲波標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試塊

圖7 CSK-IA 標(biāo)準(zhǔn)試塊回波信號(hào)

7 結(jié)論

超聲波無(wú)損檢測(cè)更適合鍛件檢測(cè)，其檢測(cè)效率高，能夠同時(shí)檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面及內(nèi)部損傷。常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法一般只能檢測(cè)特定的結(jié)構(gòu)缺陷，而超聲波的強(qiáng)穿透性決定其能夠檢測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部特殊部位的缺陷。本文通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了發(fā)射模塊產(chǎn)生的負(fù)尖脈沖激勵(lì)超聲波探頭能夠達(dá)到探測(cè)系統(tǒng)的要求，超聲波信號(hào)頻率及幅度達(dá)到預(yù)期效果，并且底面回波信號(hào)明顯，降低了系統(tǒng)回波信號(hào)處理難度。