風機葉片連接螺栓損傷的在線監測

張 磊，何建軍，程慶陽，曾子競，朱文娟，付 林，周偉強

(1.國家能源集團湖南分公司，長沙 410000；2.長沙理工大學 能源與動力工程學院，長沙 410114；3.西安中科起航測控技術有限公司，西安 712000；4.國家能源集團龍源江永風力發電有限公司，長沙 410000)

風電技術迅猛發展，風電機組在運行過程中的各種問題也不斷出現，對其關鍵設備的智能在線監測成為了行業研究的焦點之一。風機葉片關鍵部位的螺栓松動等問題會導致整個風機結構的失效，從而造成極大的安全隱患和經濟損失。近些年，隨著信號監測及數據分析技術的不斷提升，在線監測技術也隨之發展。目前，風電行業已廣泛采用在線監測技術對機組的運行狀態進行實時監測，實現機組運行時的故障監控，保障機組的可靠運行[1]。風機螺栓損傷評價與在線監測技術研究不斷取得新的進展，文章對幾種先進的監測技術進行了綜述。

1 基于葉片連接法蘭振動信號的檢測方法

在振動信號檢測領域，國內外的專家學者已經進行了大量研究工作。閆航瑞等[2]對螺栓連接結構施加隨機激勵進行振動測試，利用小波分析法來研究螺栓在松動情況下的信號特點。此方法具有良好的時頻定位特性及信號自適應能力，能夠對各種時變信號進行有效地分解，再對分解后相互獨立的各頻段進行時域分析及提取特征量。

董廣明等[3]利用信號的譜矩因子結合神經網絡算法，對導彈支撐座連接螺栓的故障進行診斷,依據信號功率譜特征的差異 ,提出了相應的譜矩松動故障特征提取方法。分析結果表明，用譜矩因子的降低作為該結構連接螺栓松動的診斷特征是可行的，可以近似模擬被試產品的工作振動環境。屈文忠等[4]利用亞諧波共振分析法來識別螺栓松動信號，采用多尺度方法分析了亞諧波共振現象，定性地模擬了螺栓松動損傷亞諧波激勵條件。

趙建鈞等[5]提出了一種基于振動相位差的螺栓連接狀態監測系統，其結構如圖1所示。在螺栓松動及擰緊狀態下，分別給振動電機通電，螺栓連接松動及擰緊時的監測信號如圖2所示。由圖2的監測結果可知，該系統能夠準確判定螺栓的連接狀態。以相位差作為判斷螺栓連接狀態的切入點，與其他方法相比，其適用性更廣，實時性更好。

圖1 基于振動相位差的螺栓連接狀態監測系統結構示意

圖2 螺栓連接松動及擰緊時的監測信號

2 螺栓損傷的聲發射檢測方法

超聲檢測是當前應用最廣泛的無損檢測方法之一，其根據反射回波的位置和波幅來判斷缺陷的大小和位置。由超聲波的基本特性可知，當聲波遇到障礙時將發生反射，障礙的幾何尺寸相對于波長很大時，聲波將不會向前傳播而全部反射;障礙的幾何尺寸相對于波長較小時，聲波將繞過障礙物繼續向前傳播[6]。螺栓齒根存在裂紋將會增強齒根部位對聲波的阻擋作用，增大反射波能量，從而在屏幕上產生一個遠遠高于正常波高的缺陷波，由此便可以判斷是否存在裂紋。

螺栓的聲彈響應隨軸向應力而變化。與聲彈響應相關的以下3個屬性可用于計算軸向應力水平：① 超聲沿螺栓的傳播時間;② 縱向波與剪切波的傳播時間之比;③ 螺栓中的機械共振。分別基于這3個屬性的分析方法如下所述。

2.1 飛行時間法

超聲波對材料中的殘余應力和外加應力均非常敏感，其傳播取決于波的方向和施加應力的方向。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力的方向相同。為確定某種鋼螺栓的聲彈性系數而進行的測量表明，聲彈性系數與熱處理對螺栓的影響無關[7]。

承受軸向載荷的螺栓的某些部位受力不均，假設初始螺栓長度Li是受應力有效長度Le和無應力長度L0的總和(見圖3)。

圖3 軸向加載螺栓受力模型

超聲脈沖回波飛行時間t為

(1)

Lσ=Le(1+E-1σ0)

(2)

t0=2Li/v0

(3)

式中：Lσ為應力作用長度;σ0為彈性系數;v0為無應力狀態下的波速;E為螺栓材料的彈性模量;t0為對應于初始長度Li中縱波和橫波的脈沖回波時間;A為材料的聲彈性系數。

式(1)表明，應力作用下的飛行時間是施加應力的線性函數。

HIRAO等[8]使用非接觸式橫波電磁聲換能器激發沿螺栓軸向傳播的橫波進行試驗，結果表明，負載與飛行時間或信號相位之間具有良好的線性關系。HANG等[9]采用相位檢測方法對飛行時間進行精確測量，結果表明，聲速隨應力的增加呈線性下降。ZHANG等[10]通過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測方法，可以檢測螺栓松動并評估螺栓松動時的殘余扭矩。

由于聲波在螺栓中的飛行時間僅為幾十納秒，所以數據采集過程對數據采集系統的采樣率要求很高。大多數專家學者使用示波器捕捉信號，但這種裝置不適合風電場螺栓的健康監測。

2.2 速比法

速比法利用聲彈性系數的差異來區分螺栓連接質量的好壞。橫波飛行時間tT與縱波飛行時間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材料的聲彈性系數；F為螺栓所受應力;Se為螺栓的有效直徑。

速比法更實用，因為軸向載荷的計算僅僅是根據應力狀態下的飛行時間比計算的，而不需要在無應力狀態下測量飛行時間。

KIM等[11]利用縱波的波型轉換，同時產生縱波和橫波，并將其用于獲得高壓螺栓的軸向應力。還有的研究建立了一種基于縱波和橫波組合的螺栓預緊量超聲測量模型，依據提取節點在螺栓中心軸線上的軸向位置及軸向應力，繪制軸向應力云圖(見圖4)。該方法可有效地消除螺栓軸向應力分布不均勻對測量的影響，進一步提高了預負荷的檢測精度。

圖4 螺栓軸向應力云圖

2.3 機械共振頻移法

簡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。假設聲波在螺栓的平端發生完全反射，在此基礎上，可以合理地假定共振頻率fn為

fn=nv/Li

(5)

式中：n為諧波數;v為共振頻率的聲速。

當應力作用于樣品時，L和v都會發生變化，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為螺栓的應變；Δv為聲速變化量；ΔL為樣品長度的變化量;σ為螺栓所受應力。

對于各向同性彈性介質，聲速與應力呈線性關系。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力的線性函數，因此，可以通過測量Δfn來測定樣品中產生的應力。

WANG等[12]提出了一種基于振動聲調制的方法來監測螺栓的早期松動。為考慮界面粗糙度的影響，WANG建立了沖擊螺栓連接產生的聲學信號模型，提出了一種新的基于敲擊的分析建模和數值模擬方法。如圖5所示，當振動模態與機械共振頻率相匹配時，峰值聲壓級的頻率接近于固有頻率。與目前的螺栓松動識別方法相比，沖擊聲測試法速度快且價格低，但聲波在螺栓中的飛行時間僅為幾十納秒，測量結果容易受到風電場環境干擾，限制了其在風電場監測中的應用。

圖5 螺栓0預載下的固有頻率響應與輻射聲信號

綜上所述，利用超聲波對高強度螺栓進行監測，雖然方法方便、反應迅速和趨向智能化，但人為因素導致對缺陷的判斷準確率不高，所以超聲波監測技術未來還有很大的進步空間。

3 基于螺栓預緊力的壓電效應檢測方法

葉片螺栓壓電阻抗技術的原理為,當葉片螺栓連接結構時，螺栓預緊力轉化為壓力，螺栓預緊力越大，螺栓連接界面的實際接觸面積越大，透過的超聲波越多，接收到的響應信號也就越強，通過分析聚焦信號的幅值就可確定螺栓預緊力的大小，判斷螺栓的連接狀態。

LIANG等[13]提出了將阻抗測量法應用于結構健康監測的方法，其將壓電陶瓷貼片法貼合到被監測的結構表面，由貼片將結構振動傳遞到主體結構。該方法通過電導率-頻率曲線反映結構的獨特振動特征，通過調整感應頻率的范圍來覆蓋不同的感應區域。RITDUMRONGKUL等[14]基于光譜元素方法對壓電陶瓷貼片結合處的結構阻抗進行建模,通過測量貼片的電阻抗檢測結構性能的變化，將螺栓的松動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定量檢測的問題，但由于要使用電鏡，所以難以在風電場監測中得到應用。

WAIT等[15]通過結合阻抗方法和蘭姆波的應用來分析螺栓系統的結構完整性。AN等[16]利用從表面安裝壓電換能器同時獲得的阻抗和導波信號來檢測螺栓松動，說明了集成的阻抗和基于導波的損傷檢測技術的適用性。圖6所示為螺栓在擰緊狀態下不同溫度條件時測得的導納和導波信號；圖7所示為螺栓在松動和擰緊狀態下，-10 ℃時測得的導納和導波信號。圖6和圖7表明，在溫度變化的條件下進行損傷診斷是一項艱巨的任務，因為導納和導波信號對損傷和溫度均較敏感。

圖6 螺栓在擰緊狀態、不同溫度條件下測得的導納和導波信號

圖7 螺栓在松動和擰緊狀態下，-10 ℃時測得的導納和導波信號

因精密阻抗分析儀成本高，MASCARENAS[17]等設計了基于AD5933型阻抗測量芯片的無線阻抗設備，并將其用于結構健康監測，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用。

所有上述阻抗方法都通過阻抗信號分析來確定螺栓的連接狀態，缺乏對螺栓結構動力特性(尤其是局部高頻動力)的研究，因此尚未形成有效的監測理論。阻抗法具有很高的激勵頻率和可調節的感應面積，因此非常適合局部動態特性的研究。如果解決了螺栓連接狀態對局部動態影響的表征問題，阻抗方法在在線監測螺栓連接方面將具有良好的發展潛力。

4 基于葉片螺栓微變形的光纖傳感監測技術

光纖傳感檢測法使用的光纖技術分為3類：光纖光柵傳感技術；光纖微機電傳感技術；光纖分布式傳感技術。這些技術可測量結構的溫度、應變、應力、加速度、傾角、位移等參數，在先進制造、航天國防、資源環境和工業物聯網等領域都有廣泛的應用。

風機葉片螺栓的監測主要應用光纖微機電傳感技術。該技術將光柵與螺栓緊密貼附，螺栓的形變導致光信號發生變化，這種變化被解調器解析后可實現螺栓形變的監測[18]。光纖微機電傳感器的硅基敏感結構采用微機電技術集成制造，采用光纖檢測技術讀取信號，因此，該技術具有光纖微機電傳感器和光纖傳感器的共同優點。光纖微機電傳感器通過實時檢測螺栓的受力數據和評估螺栓松動引起的損傷，克服了現有傳感器“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構特征的檢測技術

隨著科技發展，傳統檢測方法不斷進步的同時，新技術也在不斷涌現，新興的檢測方法主要如下所述。

(1) 角度傳感器法。在指定的被監測螺母上安裝一個角度傳感器與接收器，通過實時監測得出螺母逆時針旋轉的角度信號，將螺栓的最大預緊力作為初始狀態，傳感器的計數值設為0，隨著螺栓的蠕動，螺母會發生逆時針旋轉，傳感器隨之計數，即可監測到螺栓的連接狀態[19]。

(2) 磁附法。該方法應用于塔機螺栓的安全檢測，主要由帶號碼的磁塊和塑料環片組成[20]。工作原理為，當螺栓受力，螺母松動下移并推動塑料和磁塊環向下移動時，磁塊脫離螺栓底部，此時磁塊受到的磁力小于其自身重力，與塑料環一起掉落。工作人員可根據掉落的磁塊或者塑料環鎖定問題螺栓。

(3) 氫脆檢測法。 氫脆是高強度螺栓質量隱患的主要來源，文獻[21]歸納了適用于航天產品的螺栓氫脆檢測法：氫含量檢測法；應力持久法；分步加載法。

(4) 氫含量檢測法。氫含量檢測法可以分為物理法和電化學法兩種。螺栓氫脆源于螺栓產品中吸入的氫，氫含量檢測法通過控制螺栓產品或制造工藝過程中的氫含量以實現對氫脆風險的控制。

(5) 應力持久法。存在氫脆傾向的高強度鋼及其制品在小于正常拉斷力的持續作用下會發生氫脆斷裂。應力持久法的基本特征就是對試樣施加持續一定時間的應力。

6 結語

對螺栓結構連接監測技術進行了總結和介紹，重點介紹了基于振動信號檢測技術、聲彈性效應技術、壓電效應檢測技術、光纖傳感技術和材料及結構特征檢測方法等的風機連接螺栓在線監測技術的研究進展，分析了這些技術的特點及其在風機螺栓監測中的適用性，為風力機組螺栓的監測研究提供參考。目前，風力機組螺栓監測技術還處在從探索到應用的過渡階段，未來的螺栓監測技術將會朝著精細化和智能化的方向發展。