一种水轮机顶盖螺栓松动检测系统及检测器的设计方法与流程

1.本发明属于水泵水轮机螺栓松动检测的技术领域，特别涉及一种水轮机顶盖螺栓松动检测系统及检测器的设计方法。


背景技术：

2.水泵水轮机是抽水蓄能电站的重要设备，转轮顺时针旋转作为水轮机运行，实现水能向机械能的转换，与发电机组合实现机械能向电能的转换；转轮逆时针旋转作为水泵运行，实现机械能向水能的转换。水泵水轮机组由座环、顶盖、底环、水轮机、水导轴承、主轴密封、导叶和接力器构成，其中顶盖与座环的连接通过80颗把合螺栓固定，规格为m120*6，即牙径120mm、牙距6mm，每颗把合螺栓的预紧应力达到525mpa。
3.水泵水轮机的顶盖和座环连接的把合螺栓由人工通过液压拉伸器对螺杆拉伸，伸长量为1.4mm，然后通过手动拨杆插入到螺母的拨孔进行对螺母旋紧，然后松开螺杆形成螺栓预紧。如果在安装把合螺栓过程时，对螺杆拉伸的伸长量达不到1.4mm，又由于水泵水轮机在运行过程中存在振动，垂直方向振幅达到200um，水平方向振幅达到150um，在长时间的运行过程中，螺栓会出现松动的现象，甚至会断裂。如果一台水泵水轮机有多颗螺栓断裂会引起轴系失稳,巨大的水击压力会引起抬机和顶盖张裂，导致地下厂房淹没、人员死亡的严重事故。
4.目前针对顶盖把合螺栓松动监测的方法，是抽水蓄能电站运维人员通过记号笔在螺栓做记号，即在螺杆与螺母上分别画一根线，定期肉眼观察是否在一条线上，如果发生偏差，表明螺栓出现松动；由于肉眼观察依赖于人员的技术经验和责任心，而且问题发现具有时间滞后性，所以为了克服肉眼检测的局限性，目前行业内常用以下两种机械检测方法：
5.方法一，将传感器做成套筒形式，采用后置式安装方式，将传感器套在螺母上，其原理为霍尔传感原理，即当螺母松动出现角位移达到5
°
及以上时，传感器能够侦测到螺栓松动，发送报警；
6.方法二，将光纤传感器埋在螺杆的观察孔中，基于光纤光栅技术，测量螺杆的伸长量，当螺杆的伸长量发生变化后，变化值发送到后台管理软件。
7.对于上述的方法一，优点是安装方便，但是由于顶盖座环预紧力525mpa,当螺栓松动，预紧力会达到几十～几百mpa,螺杆牙纹与螺母牙纹紧紧贴合，在螺杆轴向出现位移，螺杆的角位移量很小，基本是小于5
°
，传感器难以侦测。
8.对于上述方法二，优点是能够定量测量出螺杆轴向位移，根据轴向位移即可换算出预紧力，但对于光纤传感器的使用，其前提是螺栓螺杆需要预留观察孔，而实际状况是一台水泵水轮机有80颗螺栓，其中只有4颗螺栓预留观察孔，这种情况难以满足80颗螺栓全部监测的要求。


技术实现要素：

9.为解决以上问题，本发明提出了一种水轮机顶盖螺栓松动检测系统及检测器的设
计方法，利用应变式压力检测器，将其套设在把合螺栓上，将螺栓预紧力变化与轴向位移形变建立联系。
10.为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
11.一种水轮机顶盖螺栓松动检测系统，其中，所述水轮机包括顶盖和座环，所述顶盖和座环通过多个把合螺栓和对应螺母固定连接，进一步的，所述水轮机顶盖螺栓松动检测系统，包括应变式压力检测器、无线传输器和诊断报警单元；其中，所述应变式压力检测器与把合螺栓一对一设置；应变式压力检测器实时采集每个把合螺栓的预紧力；所述应变式压力检测器为垫片型，包括垫片本体和应变片；其中，所述垫片本体套设在所述把合螺栓上并位于所述螺母与所述顶盖的法兰面之间；所述垫片本体，由中心到边缘依次包括中心孔、内环面、过渡槽和外环面；其中，所述内环面的受力一侧突出所述外环面，所述外环面与所述内环面侧壁连接；在所述内环面的非受力一侧，所述外环面突出所述内环面且所述过渡槽设在所述外环面的侧壁和所述内环面侧壁之间；所述应变片安装在所述过渡槽的槽底；所述应变片设置有多个并沿垫片本体的周向均匀分布；
12.所述无线传输器将所述应变式压力检测器的信号传输给所述诊断报警单元；
13.所述诊断报警单元与所述无线传输器通讯连接，用于通过无线传输器获取所述应变式压力检测器的实时检测数据，根据实时检测数据判断把合螺栓松动失效情况,得到把合螺栓松动失效诊断结果并在发生失效时产生报警信号。
14.进一步的，所述内环面的上表面受到把合螺栓的预紧力；所述外环面的下表面受到所述顶盖的法兰面的反作用力；在把合螺栓的预紧力和顶盖的法兰面的反作用力的作用下，所述过渡槽发生形变；所述应变片黏贴于所述过渡槽的槽底，所述多个应变片采用等臂电桥测量电路连接。
15.进一步的，所述无线传输器与所述应变式压力检测器通过模拟信号线连接；所述无线传输器，包括外壳和无线传输模块；其中，所述外壳上设置有磁铁，所述无线传输器通过所述磁铁安装在所述顶盖上。
16.进一步的，所述无线传输模块，包括lora通信模块和微控制器，所述微控制器对所述lora通信模块的控制方法如下：
17.步骤1、根据要求设置预紧力变化报警阈值为δf、应变式压力检测器采集时间间隔为t1、与所述诊断报警单元的通信心跳间隔为t2；
18.步骤2、记录应变式压力检测器的当前时刻把合螺栓的预紧力的数据，记为f
t
；
19.步骤3、计算预紧力变化值，记为δf
t
，具体计算公式为：
20.δf
t
＝f
t
‑
f
t
‑1，其中，f
t
‑1为上一时刻的把合螺栓的预紧力数据；
21.步骤4、若δf
t
大于等于δf，达到预紧力变化报警阈值，则跳转到步骤5，反之则跳转到步骤6；
22.步骤5、立即启动lora通信模块，发送报警值δf
t
和f
t
到诊断报警单元；
23.步骤6、计算时间是否达到应变式压力检测器采集时间间隔t1，若达到，则跳转步骤7，反之则继续步骤6；
24.步骤7、计算时间是否达到通信心跳间隔t2，若达到，则跳转步骤8，反之则跳转到步骤2；
25.步骤8、立即启动lora模块，发送当前时刻载荷f
t
到诊断报警单元，跳转到步骤1。
26.进一步的，所述无线传输器，还包括电池，所述电池为所述无线传输模块和所述应变式压力检测器供电。
27.一种水轮机顶盖螺栓松动检测器的设计方法，所述水轮机顶盖螺栓松动检测器包括如上所述的应变式压力检测器；进一步的，包括以下具体步骤：
28.步骤1、计算所述把合螺栓的初始预紧力，记为f，单位为t；
29.步骤2、根据所述顶盖的法兰面的材料，查表可知顶盖的法兰面的屈服强度，记为p，单位为mpa；
30.步骤3、计算所述垫片本体的外环面与所述顶盖的法兰面的接触最小面积，记为s，单位为mm2；具体公式如下：
31.p＝f/s；
32.步骤4、计算所述垫片本体的外环面的半径和所述垫片本体的内环面的半径的数值标准，其中，外环面的半径，设置为r，单位为mm；内环面的半径，设置为r，单位为mm；过渡槽的宽度，设置为w，单位为mm；具体公式为；
33.s≤π(r2‑
(r w)2)；
34.步骤5、根据每两个把合螺栓的中心距离和把合螺栓中心轴至装配件边缘距离，根据应变片的宽度，结合步骤4中的公式，确定外环面的半径、内环面的半径的值，确定过渡槽的宽度的值。
35.进一步的，步骤1中，计算所述把合螺栓的初始预紧力，设置为f，单位为t，其具体计算公式为：
[0036][0037]
其中，l为把合螺栓有效长度，单位：mm；e为把合螺栓材料的弹性模量，单位：n/mm2；δl
‑
初始预紧时把合螺栓的伸长值，单位：mm；a为把合螺栓的断面面积，单位：mm2。
[0038]
本发明的有益效果如下：
[0039]
第一、本发明中设置应变式压力检测器、无线传输器和诊断报警单元来实现对于水轮机顶盖螺栓的松动检测及报警，使用的应变式压力检测器采用垫片型压力传感器，通过垫片本体上设置的不同突出方向的内环面、过渡槽和外环面，在过渡槽位置形成剪切梁结构，内环面和外环面所受到的力分别作用在剪切梁的两端，从而造成剪切梁轴向形变，将螺栓预紧力变化与轴向位移形变建立联系；应变片轴向位移形变而发生应变效应，进而实现预紧力的实时定量检测；由于将应变片设置在过渡槽位置，其发生轴向位移的灵敏度高于厚度一致的垫片型压力传感器，对把合螺栓的松动检测的灵敏度高，反馈及时；通过无线传输器，诊断报警单获取所述应变式压力检测器的实时检测数据分析后自动得到把合螺栓松动失效诊断结果并在发生失效时产生报警信号，无需人工检测及分析报警；同时应变式压力检测器可以定量检测螺栓预紧力，可以检测水泵水轮机组的把合螺栓初装时预紧力是否一致。
[0040]
第二、无线传输器在外壳底部设置磁铁，通过磁铁吸附安装，安装便捷的特点有利于现场快速部署使用。
[0041]
第三、lora通信模块成本低，安全性高且输送距离远，由于lora通信模块功耗比较大，通过设置微控制器，采用定时和螺栓载荷变化计算双标准的策略进行无线传输工作，合
理使用电能。
[0042]
第四、无线传输模块和应变式压力检测器整体采用电池供电，减少现场布线的工程量。
[0043]
第五、一种水轮机顶盖螺栓松动检测器的设计方法，由于垫片直接接触顶盖的法兰面，一旦垫片本体在顶盖的法兰面上造成凹痕，会影响对轴向位移形变的检测的准确性，影响检测的灵敏度和准确性，本方案基于把合螺栓的物理特性和把合螺栓的装配要求的同时，计算出保证在法兰面上不会造成凹痕形变的垫片本体的尺寸，符合设计要求，保证检测准确性，水轮机顶盖的外观平整不影响其工作性能。
附图说明
[0044]
图1为本发明应变式压力检测器装配后的结构示意图；
[0045]
图2为应变式压力检测器的剖视图结构示意图；
[0046]
图3为应变式压力检测器仰视图的结构示意图；
[0047]
图4为应变式压力检测器与无线传输器连接的结构图示意图；
[0048]
图5为水轮机顶盖螺栓松动检测系统的系统流程图；
[0049]
图6为微控制器对所述lora通信模块的控制流程图；
[0050]
符号说明：
[0051]
1.把合螺栓、2.螺母、3.应变式压力检测器、3
‑
1.垫片本体、3
‑1‑
1.内环面、3
‑1‑
2.外环面、3
‑1‑
3.中心孔、3
‑1‑
4.过渡槽、3
‑1‑
5.引线接口、3
‑
2.应变片、4.顶盖的法兰面、5.无线传输器、5
‑
1.磁铁、6.模拟信号线、f1.把合螺栓的预紧力、f2.顶盖的法兰面的反作用。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式限制。
[0053]
如图1
‑
6所示，一种水轮机顶盖螺栓松动检测系统，用于实现对于水轮机顶盖螺栓的松动检测及报警；水轮机包括顶盖和座环，所述顶盖和座环通过多个把合螺栓1和对应螺母2固定连接；水轮机顶盖螺栓松动检测系统，包括应变式压力检测器3、无线传输器和诊断报警单元。
[0054]
其中，应变式压力检测器3与把合螺栓1一对一设置；应变式压力检测器3实时采集每个把合螺栓1的预紧力；应变式压力检测器3为垫片型压力传感器，包括垫片本体3
‑
1和应变片3
‑
2，垫片本体3
‑
1套设在把合螺栓1上并位于螺母2与顶盖的法兰面4之间；安装时，应变式压力检测器3的垫片本体3
‑
1套在顶盖把合螺栓1上，将螺母2套入把合螺栓1的螺杆；垫片本体3
‑
1，由中心到边缘依次包括中心孔3
‑1‑
3、内环面3
‑1‑
1、过渡槽3
‑1‑
4和外环面3
‑1‑
2；内环面3
‑1‑
1的上表面突出外环面3
‑1‑
2的上表面，外环面3
‑1‑
2与内环面3
‑1‑
1侧壁连接，内环面3
‑1‑
1的上表面受到把合螺栓的预紧力f1；外环面3
‑1‑
2的下表面突出内环面3
‑1‑
1下表面，外环面3
‑1‑
2的下表面受到顶盖的法兰面的反作用力f2；过渡槽3
‑1‑
4设置在垫片本体3
‑
1的下侧，设在外环面3
‑1‑
2的侧壁和内环面3
‑1‑
1侧壁之间；应变片3
‑
2安装在过渡槽3
‑1‑
4的槽底；应变片设置有多个并沿垫片本体的周向均匀分布，优选的，应变片3
‑
2采用对称形式黏贴于过渡槽的槽底，预防把合螺栓1压在垫片本体3
‑
1的内环面3
‑1‑
1时不在
同一个平面，导致把合螺栓1载荷无法监测的问题；多个应变片采用等臂电桥测量电路连接。
[0055]
通过设置过渡槽使垫片本体形成剪切梁结构，安装时，使用液压拉伸计拉伸螺杆，伸长量为1.4mm，然后通过手动拨杆插入到螺母的拨孔进行对螺母旋紧，直到旋紧为止，然后撤离液压拉伸计，因此垫片本体3
‑
1的上表面受到竖直向下的力，即把合螺栓的预紧力f1；垫片本体3
‑
1的下表面受到竖直向上的力，即顶盖的法兰面的反作用力f2；把合螺栓的预紧力f1和顶盖的法兰面的反作用力f2分别作用在剪切梁的两端，内环面3
‑1‑
1产生向下的行程量，从而造成过渡槽的槽底产生轴向形变；应变片黏贴在过渡槽的槽底，所以也随槽底产生轴向形变，其计算公式为：
[0056][0057]
其中，ε为应变片产生的应变；f1为内环面的上表面受到的把合螺栓的预紧力；s1为内环面的横截面积；e1垫片本体的材料弹性模量；
[0058]
而应变片的特性为：是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件；所以应变片可将应变ε转换成电阻相对变化，再通过等臂电桥测量电路将电阻的变化转换成电压的变化，具体公式如下：
[0059][0060]
其中，u为等臂电桥输出电压；k为应变片灵敏系数；u
ab
为等臂电桥测量电路的电势源。
[0061]
根据上述两个计算公式可以得到等臂电桥输出电压u与把合螺栓的预紧力f1之间的线性关系；当螺栓出现松动后，即f1减小，输出电压u减小，来实现对螺栓松动进行监控。
[0062]
无线传输器5将应变式压力检测器3的信号传输给诊断报警单元，应变式压力检测器3的侧壁设置引线接口3
‑1‑
5，无线传输器5与引线接口3
‑1‑
5通过模拟信号线6连接；无线传输器5，包括外壳和无线传输模块；其中，外壳上设置有磁铁5
‑
1，无线传输器5通过磁铁5
‑
1安装在所述顶盖上，安装便捷的特点有利于现场快速部署使用；无线传输器5，还包括电池，电池为无线传输模块和应变式压力检测器供电；优选的，应变式压力检测器的信号在毫伏级，无线传输器5采用恒流源对应变式压力检测器供电，有利于减少噪声干扰，提高模拟信号的分辨力。
[0063]
无线传输模块，包括lora通信模块和微控制器，lora通信模块成本低，安全性高且输送距离远，由于lora通信模块功耗比较大，通过设置微控制器，采用定时和螺栓载荷变化计算双标准的策略进行无线传输工作，合理使用电能；微控制器对lora通信模块的控制方法如下：
[0064]
步骤1、根据要求设置预紧力变化报警阈值为δf、应变式压力检测器采集时间间隔为t1、与所述诊断报警单元的通信心跳间隔为t2。
[0065]
步骤2、记录应变式压力检测器的当前时刻把合螺栓的预紧力的数据，记为f
t
。
[0066]
步骤3、计算预紧力变化值，记为δf
t
，具体计算公式为：
[0067]
δf
t
＝f
t
‑
f
t
‑1，其中，f
t
‑1为上一时刻的把合螺栓的预紧力数据。
[0068]
步骤4、若δf
t
大于等于δf，达到预紧力变化报警阈值，则跳转到步骤5，反之则跳
转到步骤6。
[0069]
步骤5、立即启动lora通信模块，发送报警值δf
t
和f
t
到诊断报警单元。
[0070]
步骤6、计算时间是否达到应变式压力检测器采集时间间隔t1，若达到，则跳转步骤7，反之则继续步骤6。
[0071]
步骤7、计算时间是否达到通信心跳间隔t2，若达到，则跳转步骤8，反之则跳转到步骤2。
[0072]
步骤8、立即启动lora模块，发送当前时刻载荷f
t
到诊断报警单元，跳转到步骤1。
[0073]
水轮机顶盖螺栓松动检测系统的流程为：应变式压力检测器通过模拟信号线将模拟电压送到无线传输模块中，无线传输模块中设置信号放大电路，经过信号放大后，再接入信号调理电路，最后输入给微控制器中的a/d转换模块，经过a/d转换后，实现模拟电压数字化，最后通过lora天线发送到诊断报警单元；实现了对于水轮机顶盖螺栓的松动检测及报警，同时应变式压力检测器可以定量检测螺栓预紧力，可以检测水泵水轮机组的80颗把合螺栓初装时预紧力是否一致，无需人工检测及分析报警。
[0074]
应变式压力检测器，采用垫片型压力传感器，为保证检测的灵敏度和准确性，过渡槽的槽底产生轴向形变的变化，需要全部是由于螺栓预紧力变化而产生的；而由于垫片本体直接接触顶盖的法兰面，一旦垫片本体在顶盖的法兰面上造成凹痕，会影响对轴向位移形变的检测的准确性；所以本发明公开了一种水轮机顶盖螺栓松动检测器的设计方法，计算出保证在法兰面上不会造成凹痕形变的垫片本体的尺寸，符合设计要求，保证检测准确性，水轮机顶盖的外观平整不影响其工作性能，包括以下具体步骤：
[0075]
步骤1、计算所述把合螺栓的初始预紧力，记为f，单位为t；具体计算公式为：
[0076][0077]
其中，l为把合螺栓有效长度，单位：mm；e为把合螺栓材料的弹性模量，单位：n/mm2；δl初始预紧时把合螺栓的伸长值，单位：mm；a为把合螺栓的断面面积，单位：mm2；根据具体水泵水轮机型号中的数值，δl＝1.4mm，把合螺栓有效长度l＝583mm，查表得知，把合螺栓材料34cr2ni2mo的弹性模量e＝221000，根据把合螺栓的有效直径为112mm，求得f＝522.6t。
[0078]
步骤2、根据所述顶盖的法兰面的材料，查表可知顶盖的法兰面的屈服强度，记为p，单位为mpa，根据具体水泵水轮机型号中的数值，法兰面材料为q345b，屈服强度p＝285mpa。
[0079]
步骤3、计算所述垫片本体的外环面与所述顶盖的法兰面的接触最小面积，记为s，单位为mm2；具体公式如下：
[0080]
p＝f/s；代入具体数值可得，s＝17970mm2。
[0081]
步骤4、计算所述垫片本体的外环面的半径、所述垫片本体的内环面的半径的数值和过渡槽的宽度的数值标准，其中，外环面的半径，设置为r，单位为mm；内环面的半径，设置为r，单位为mm；过渡槽的宽度，设置为w，单位为mm；具体公式为：
[0082]
s≤π(r2
‑
(r w)2)。
[0083]
步骤5、根据每两个把合螺栓的中心距离和把合螺栓中心轴至装配件边缘距离，根据应变片的宽度，结合步骤4中的公式，确定外环面的半径、内环面的半径的值，确定过渡槽
的宽度的值。
[0084]
本实施例中，垫片本体的材料采用40cr合金钢，查表可知，40cr合金钢的屈服强度为800mpa，由于需要承受初始预紧力522.6t，根据确定外环面的半径、内环面的半径的值以及过渡槽的宽度的值，可以确定内环面3
‑1‑
1在受到初始预紧力时产生向下的行程量，记为d；内环面底面到顶盖的法兰面的距离＞d；内环面的顶面突出外环面顶面的高度等于内环面底面到顶盖的法兰面的距离。
[0085]
上述实施例仅说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变；因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。