基于超聲波和位移傳感器的風電機組螺栓監測系統設計

摘 要：近些年，隨著國家能源戰略的調整，風能已經成為一種非常重要的清潔能源。全國各地都在建風場，利用風能發電，但隨著風場和風力發電機數量的增加，風機事故也頻頻發生，其中最嚴重的就是風機倒塌事故，究其主要原因：風電機組在長期的風力負荷下，風機上的螺栓容易松動導致其預緊力消減，螺栓斷裂，若發現不及時可致風機倒塌，發生嚴重的安全事故。針對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電機組螺栓監測系統，該系統通過實時采集器采集螺栓上的超聲波和位移傳感器數據，并將該數據經過算法處理后實現對螺栓預緊力和螺栓橫向偏轉位移的實時測量，通過設立閾值實現對風機螺栓的實時監測，并提供預警和告警。此舉對于保障風電機組的安全運行以及風電企業人身和財產安全起到了非常重要的作用。

關鍵詞：螺栓預緊力；螺栓斷裂；超聲波位移傳感器；螺栓橫向偏轉位移；螺栓監測系統；風電機組

中圖分類號：TP13 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-000-02

0 引 言

隨著風力發電機數量的增加，風機事故頻頻發生，其中，螺栓斷裂是引起風機倒塌事故最常見的原因[1]。因此，監測風機相關螺栓工作狀態對于保障風機的安全運行尤其重要，國內外研究人員對風機螺栓斷裂的情況做了大量工作。作者通過大量閱讀關于螺栓狀態研究的文獻，將國內外對風機螺栓的研究現狀概括為以下兩點：

（1）通過對風機螺栓建模受力分析，進而對螺栓疲勞損傷等問題進行深入研究[2]。

（2）在第一點理論的基礎上，利用超聲波傳感器等關鍵技術對風機螺栓使用情況進行監測，并采集螺栓相關數據進行存儲和分析研究[3-4]。

因為風機內部環境較為復雜，普通的螺栓監控方式已經不能滿足風機螺栓實時監測和多螺栓同時監控的需求，還不能對風機螺栓提供預警[5]。所以急需提供一種全新的風機螺栓在線監測方案。

1 風機螺栓監測系統的整體設計

1.1 風機螺栓監控系統的整體結構

研究主要針對風電機組變槳軸承高強度螺栓在復雜載荷作用下螺栓失效在線監測的問題，基于超聲波和位移傳感器，研究一種適用于風電機組多螺栓位移在線監測的方法和系統。系統通過采集器實時采集螺栓上的超聲波位移傳感器數據，并將該數據經過算法處理后實現對螺栓預緊力和螺栓橫向偏轉位移的實時測量，通過設立螺栓預緊力和橫向偏轉位移的閾值實現對風機螺栓的實時監測，并提供預警和告警[6-7]。

1.2 超聲波采集螺栓的軸向力理論計算

通過超聲探頭發出的超聲波由螺栓一端進入并傳遞到另一端時，在螺栓的端面會發生反射，再回傳給探頭。接收到螺栓另一端面的回波反射信號后，經過帶通濾波、增益放大和過閾值測量，由超聲波測量聲波時間差，進而計算出螺栓軸向應力。測定原理如圖1所示。

依據聲彈性原理-材料應力影響超聲波的傳播速度，可以確定二者的關系：

（1）

式中：C為有應力時的聲速；C0為無應力時的聲速；K為螺栓聲彈性系數；σ為螺栓的軸向應力。螺栓受力前后超聲波在螺栓中傳播的時間差為：

（2）

式中：E為螺栓材料的楊氏彈性模量；L0為螺栓有效夾持長度。它們在材料固定的情況下均為已知常量，可近似將超聲與螺栓軸向應力表達關系式定為：

（3）

式中：A為螺栓的超聲應力系數，此系數可以通過試驗標定得出。根據應力與軸力之間的關系，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。在實際應用中，測量出螺栓受力前后超聲波的聲時差Δt后，通過試驗標定應力系數A，就可計算出螺栓所受的軸力。上述所有的計算算法都可以在采集終端通過相應程序實現，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位移理論計算

將拉線位移傳感器安裝在風機變槳軸承和葉片螺栓旁邊固定位置，因為風機在工作中處于旋轉和變槳狀態，螺栓容易松動。因此需要將拉線位移傳感器固定在螺栓旁邊某個具體位置來實現螺栓橫向偏轉位移監測。螺栓橫向偏轉測量是先將拉線位移傳感器固定在風機螺栓周圍某個固定位置，而拉線位移傳感器的拉線需要固定六邊螺栓的某個位置。當螺栓發生偏移時拉線位移傳感器的拉線跟隨移動，通過設計拉線位移傳感器采集終端數據，利用相應算法最終測出螺栓的橫向偏轉距離。具體原理如圖2所示。

假設風機螺栓因為故障出現橫向偏移，L1是拉線位移傳感器到螺栓固定點的距離，L2是當螺栓產生移位后拉線位移傳感器到螺栓固定點的距離，θ是螺栓偏轉的角度，R是螺栓的半徑，S是螺栓橫向偏轉位移。固定在1點的拉線位移傳感器細線由1號點移動到2號點。之前螺栓到拉線位移傳感器的距離為L1，現在因螺栓的轉動變成L2，拉線移動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位移：S=θ·R。上述計算公式最終在采集終端通過相應的程序轉化，得到螺栓的橫向偏轉位移S。

2 實驗數據結果分析

實時采集某時間段上述風機滾筒中8個編號螺栓的數據（包括螺栓預緊力和橫向位移數據），通過這些數據對風機螺栓進行實時告警和預警提示，并將告警參數實時傳送給風機監控中心和手機終端。將4個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個均布在其余螺栓中，分別為13#、28#、43#、73#。風機螺栓編號如

圖3所示，超聲波傳感和采集器實物如圖4所示。

試驗在湖南桂東某風場風機上進行，現場大風大雨，天氣條件較差。測量得出的8顆螺栓平均幅值和偏差范圍見表1所列。

由表1可知，超聲測量試驗結果平均偏差約為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，可滿足風機螺栓實時監測要求，達到了預期效果。

3 結 語

綜上所述，此系統能滿足風機螺栓在復雜環境下的監測和風電場對風機螺栓的實時監測要求，還將對采集的螺栓數據建立模型進行故障預測分析，以提前對風機螺栓預警。除此之外，該螺栓監控系統方案還可以應用于國產民航客機（例如C919客機）以及大型艦船設備（例如航母）等，對保障人員安全、設備維護維修和管理都具有巨大作用，可以為國家安全、社會發展做出貢獻[11]。

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基金項目：湖南省教育廳優秀青年項目（22B0989）