风电机组塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量比例关系测定方法和系统与流程

1.本发明属于法兰连接螺栓状态监测技术领域，涉及一种风电机组塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量比例关系测定方法和系统。


背景技术：

2.法兰连接是指由法兰、垫片及螺栓三者相互连接作为一种可拆结构的连接方式，法兰连接在目前风电行业中应用极为广泛，并发挥着十分重要的作用。风电机组塔筒法兰连接结构在工作中将受到各种交变载荷、冲击载荷的作用。在拉、压交变载荷作用下，螺纹可能发生塑性变形而导致螺栓松动，螺栓拉力减小。螺栓拉力过小会造成连接的不可靠，从而影响机器正常工作。如果螺栓拉力过大，可能导致螺栓在载荷作用下断裂，从而削弱了连接节点的承载力，严重时可能导致结构失稳。因此为了保证螺栓拉力处于正常状态，用力矩扳手检查螺栓的预紧力是定期维护的一项重要内容。当产品运维地处偏远地区、高处、海上或其他不方便维护的位置时，螺栓拉力的定期检查运维策略一般为半年或一年进行一次。该工作费时费力，加上工作人员个人主观和客观方面的多因素影响，并不能保证每次及时发现螺栓拉力异常的问题，所以非常有必要对塔筒法兰螺栓拉力进行在线监测。
3.目前市场上对塔筒法兰螺栓拉力进行监测的技术方案比较多，其中通过监测塔筒法兰内侧轴向相对位移来监测法兰螺栓拉力的技术方案因具有原理直观、安装方便、监测螺栓数量多等优点，得到迅速推广。该技术通过监测法兰内侧轴向相对位移来监测螺栓拉伸情况，进而推到导计算出螺栓拉力，但在实际工程应用中存在以下问题：
4.(1)法兰内侧轴向相对位移与螺栓伸长量之间可能并不是严格按照法兰、螺栓的刚度大小成固定比例关系的。
5.(2)风电塔筒法兰尺寸大，为保证风电机组运行安全，塔筒法兰的极限设计载荷非常大，在测定试验中产生、施加稳定的塔筒法兰极限设计载荷的难度非常大，目前市场上尚没有公司能够进行该项试验。
6.综上，目前市场上尚无可精确测定风电机组法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量比例关系的技术方案。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服上述现有技术中，缺乏精确测定风电机组法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量比例关系的技术，提供一种风电机组塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量比例关系测定方法和系统。
8.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
9.一种风电机组塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量比例关系测定方法，包括如下步骤：
10.步骤1)基于实际风电机组塔筒上的法兰，建立模拟试验模型；
11.步骤2)获取某一处法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系：
12.无工作载荷时，获取模拟试验模型中法兰总厚度和法兰内侧180
°
相对的两测量点的间距；
13.施加工作载荷后，获取法兰内侧轴向总位移，进而获取法兰主风向螺栓孔处的法兰轴向位移；
14.基于垫片的总钢度获取垫片沿螺栓上下方向的总位移，进而获取螺栓伸长量，得到法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系；
15.步骤3)基于某一处法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系，利用插值法获取塔筒所有法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系，换算后得到实际风电机组塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量之间的比例关系。
16.优选地，步骤1)的模拟试验模型中，首先获取试验用法兰，基于试验用法兰与实际法兰的尺寸比例关系，获取试验用法兰对应的试验用螺栓和试验用垫片。
17.优选地，步骤1)的模拟试验模型中，试验用法兰上主风向螺栓的两侧分别开设一个测试孔，用于安装位移传感器；
18.法兰内侧开设一个用于安装位移传感器的测试孔。
19.优选地，步骤2)中，分别获取塔筒顶部法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系、塔筒中间法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系、塔筒底部法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系。
20.优选地，试验用法兰尺寸与风电机组塔筒上实际法兰的尺寸之比为
21.优选地，步骤2)具体过程为：
22.法兰内侧轴向总位移为
23.法兰主风向螺栓孔处的法兰轴向位移为δl
f
＝(δl
f1
δl
f2
)/2；
24.垫片沿螺栓上下方向的总位移为
25.螺栓伸长量为
26.塔筒顶部法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系为k1[0027][0028]
其中，l1为法兰内侧两测量点间距；l2为法兰总厚度；δl
f1
为法兰内侧两测量点间距的位移值；δl
f2
为法兰总厚度位移值；c1为两个垫片的总刚度；c2为螺栓连接处上下法兰总刚度。
[0029]
一种风电机组塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量比例关系测定系统，包括：
[0030]
模型建立单元，基于实际风电机组塔筒上的法兰，建立模拟试验模型；
[0031]
数据获取单元，用于获取某一处法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关
系；
[0032]
数据处理单元，基于某一处法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系，利用插值法获取塔筒所有法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系，换算后得到实际风电机组塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量之间的比例关系。
[0033]
优选地，数据获取单元包括位移传感器，位移传感器设有三个，分别安装在法兰内侧、和法兰上主风向螺栓的两侧。
[0034]
优选地，位移传感器的精度为0.5μm。
[0035]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0036]
本发明公开了一种风电机组塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量比例关系测定方法，首先基于实际风电机组塔筒上的法兰，建立模拟试验模型，然后在无工作载荷和施加工作载荷两种情况下分别获取某一处法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系，利用插值法获取塔筒所有法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系，换算后得到实际风电机组塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量之间的比例关系。本发明方法中，试验用法兰、螺栓、垫片容易制作，且能够产生、施加试验载荷，同时可使得试验用法兰、螺栓、垫片的应力、应变与对实物法兰施加塔筒法兰极限设计载荷得到的实物法兰、螺栓、垫片的应力、应变接近相等，接近实际工程应用。具有易实施、成本低、精确度高的优点。
[0037]
进一步地，本发明中所采用的一个第一位移传感器、两个第二位移传感器采用电磁感应原理测位移，精度可达0.5μm，可实现对法兰内侧轴向位移与螺栓孔处法兰位移的精准测量，为测定塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量的比例关系提供准确数据支撑。
[0038]
进一步地，本发明采用将试验用法兰、螺栓、垫片尺寸缩小为实物尺寸的试验载荷取塔筒法兰的极限设计载荷的在容易制作试验用法兰、螺栓、垫片，容易产生、施加试验载荷。使得试验用法兰、螺栓、垫片的应力、应变与对实物法兰施加塔筒法兰极限设计载荷得到的实物法兰、螺栓、垫片的应力、应变接近相等，接近实际工程应用。
[0039]
本发明还提供了一种风电机组塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量比例关系测定系统，包括三个单元，分别为模型建立单元，基于实际风电机组塔筒上的法兰，建立模拟试验模型；数据获取单元，用于获取某一处法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系；数据处理单元，基于某一处法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系，利用插值法获取塔筒所有法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系，换算后得到实际风电机组塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量之间的比例关系。本发明系统易于搭建，并能够实现精确测定风电机组法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量比例关系的目的，且成本较低，实用性较强。
附图说明
[0040]
图1为法兰截面俯视图；
[0041]
图2为第一高精度传感器的主视图(a)和侧视图(b)；
[0042]
图3第二高精度传感器的侧视图；
[0043]
图4为第一高精度传感器和第二高精度传感器的安装位置图；
[0044]
图5为第一高精度传感器和第二高精度传感器安装后的结构示意图；
[0045]
其中：1
‑
第一高精度传感器；2
‑
第二高精度传感器；3
‑
第一限位块；4
‑
第二限位块；5
‑
上法兰；6
‑
下法兰；7
‑
第一垫片；8
‑
第二垫片；9
‑
螺栓；10
‑
第二高精度传感器安装孔。
具体实施方式
[0046]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0047]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0048]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0049]
实施例1
[0050]
一种风电机组塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量比例关系测定方法，包括如下步骤：
[0051]
步骤1)基于实际风电机组塔筒上的法兰，建立模拟试验模型；
[0052]
步骤2)获取某一处法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系：
[0053]
无工作载荷时，获取模拟试验模型中法兰总厚度和法兰内侧180
°
相对的两测量点的间距；
[0054]
施加工作载荷后，获取法兰内侧轴向总位移，进而获取法兰主风向螺栓孔处的法兰轴向位移；
[0055]
基于垫片的总钢度获取垫片沿螺栓上下方向的总位移，进而获取螺栓伸长量，得到法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系；
[0056]
步骤3)基于某一处法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系，利用插值法获取塔筒所有法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系，换算后得到实际风电机组塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量之间的比例关系。
[0057]
实施例2
[0058]
一种风电机组塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量比例关系测定方法，包括如下步骤：
[0059]
(1)三对试验用法兰，具体如下：
[0060]
选择塔筒顶部、中间、底部三个位置的法兰，共三对，按照将实际塔筒法兰尺寸缩小一定比例的方式，做出三对相应试验用法兰，记试验用法兰尺寸与对应实际法兰尺寸之
比为即试验用法兰尺寸缩小为实际法兰尺寸的k≥1。试验用法兰主风向螺栓的两侧分别设置一个测试孔，即为第二高精度传感器安装孔10，用于安装第二位移传感器2，参见图1。
[0061]
(2)与三对试验用法兰对应使用的试验用螺栓、垫片，试验用螺栓、垫片尺寸与对应实际螺栓、垫片尺寸之比为即试验用螺栓、垫片尺寸缩小为实际法兰尺寸的k同上。
[0062]
(3)一个第一位移传感器1，结构如图2所示，将第一高精度传感器1安装在主风向螺栓对应的试验用法兰内侧，如图4所示。
[0063]
(4)两个第二位移传感器2，结构如图3所示，分别安装在试验用法兰主风向螺栓的两侧，如图4所示。
[0064]
(5)如图5所示，当试验用法兰受到外部载荷作用，法兰主风向的螺栓9发生轴向位移，上法兰5和下法兰6的轴向相对位移发生变化时，安装于法兰上的第一位移传感器1的第一限位块3和第一位移传感器1本体之间发生相对位移，此时第二垫片8发生相对位移；两个第二位移传感器2上的第二限位块4和第二位移传感器2本体之间也发生相对位移，此时第一垫片7发生相对位移，进而第一位移传感器1、第二位移传感器2内部的高精密磁铁在高精度电磁感应芯片表面上发生滑动，高精度电磁感应芯片周围的磁场变化，高精度电磁感应芯片捕捉磁场的变化，并将电磁感应信号传输至单片机；温度传感芯片采集环境温度数据，并将环境温度数据传输至单片机；同时振动传感芯片采样外界的振动讯号，然后内部转化为电平信号传给单片机；
[0065]
(6)单片机将接收到的电磁感应信号进行数据转换为位移数据，将接收到的电平信号进行数据转换为振动数据，然后基于环境温度数据和振动数据对位移数据进行修正处理，可获得修正后的位移数据。
[0066]
实施例3
[0067]
一种风电机组塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量比例关系测定方法，包括如下步骤：
[0068]
(1)制作三对试验用法兰，具体如下：
[0069]
选择塔筒顶部、中间、底部三个位置的法兰，共三对，按照将实际塔筒法兰尺寸缩小一定比例的方式，做出三对相应的试验用法兰，记试验用法兰尺寸与对应实际法兰尺寸之比为即试验用法兰尺寸缩小为实际法兰尺寸的k≥1。试验用法兰主风向螺栓的两侧分别设置一个测试孔，用于安装位移传感器。
[0070]
(2)选取与三对试验用法兰对应使用的试验用螺栓、垫片，试验用螺栓、垫片尺寸与对应实际螺栓、垫片尺寸之比为即试验用螺栓、垫片尺寸缩小为实际法兰尺寸的
[0071]
(3)选取与塔筒顶部法兰相应的试验用法兰、螺栓、垫片，测定该法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量比例关系步骤如下：
[0072]
(s1)设对试验用法兰所有螺栓施加预紧力后，在无工作载荷作用时，第一位移传
感器1两测量点间距为l1，法兰总厚度为l2；
[0073]
(s2)将一个第一位移传感器1安装在主风向螺栓对应的试验用法兰内侧。将两个第二位移传感器2，分别安装在试验用法兰主风向螺栓的两侧。
[0074]
(s3)按照主风向方向施加试验载荷w，试验载荷w取塔筒法兰的极限设计载荷的试验用法兰、螺栓、垫片尺寸缩小为实物法兰、螺栓、垫片尺寸的后，试验载荷w取塔筒法兰的极限设计载荷的得到的试验用法兰、螺栓、垫片的应力、应变与对实物法兰施加塔筒法兰极限设计载荷得到的实物法兰、螺栓、垫片的应力、应变接近相等，接近实际工程应用。
[0075]
(s4)记位于法兰内侧的第一位移传感器监测到的位移为δl1，则法兰内侧轴向总位移名义值为
[0076]
(s5)记两个第二位移传感器监测到的位移分别为δl
f1
、δl
f2
，设位于法兰主风向螺栓孔处的法兰轴向位移为δl
f
，取δl
f
＝(δl
f1
δl
f2
)/2。
[0077]
(s6)设两个垫片的总刚度为c1，螺栓连接处上下法兰总刚度为c2，设两个垫片在上下方向的总位移为δl
w
，取
[0078]
(s7)则螺栓伸长量为
[0079]
(s8)则塔筒顶部法兰内侧轴向总位移名义值与螺栓伸长量比例关系为
[0080][0081]
(4)同上，可得到塔筒中间法兰内侧轴向总位移名义值与螺栓伸长量比例关系k2、塔筒底部法兰内侧轴向总位移名义值与螺栓伸长量比例关系k3。
[0082]
(5)设塔筒顶部法兰与中间法兰的间距为s1，中间法兰与底部法兰的间距为s2。采用插值法，塔筒顶部法兰与中间法兰之间、且距顶部法兰距离s的法兰内侧轴向总位移名义值与螺栓伸长量比例关系取塔筒中间法兰与底部法兰之间、且距中间法兰距离s的法兰内侧轴向总位移名义值与螺栓伸长量比例关系取
[0083]
综上，可得到该塔筒所有法兰内侧轴向总位移名义值与螺栓伸长量的比例关系。
[0084]
实施例4
[0085]
一种风电机组塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量比例关系测定系统，包括：
[0086]
模型建立单元，基于实际风电机组塔筒上的法兰，建立模拟试验模型；
[0087]
数据获取单元，用于获取某一处法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系；
[0088]
数据处理单元，基于某一处法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系，利用插值法获取塔筒所有法兰内侧轴向总位移与螺栓伸长量之间的比例关系，换算后得到实际风电机组塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量之间的比例关系。
[0089]
数据获取单元包括位移传感器，位移传感器设有三个，分别安装在法兰内侧、和法兰上主风向螺栓的两侧。
[0090]
需要说明的是，本发明中所采用的一个第一位移传感器、两个第二位移传感器均为高精度位移传感器，采用电磁感应原理测位移，精度可达0.5μm，可实现对法兰内侧轴向位移与螺栓孔处法兰位移的精准测量，为测定塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量的比例关系提供准确数据支撑。
[0091]
综上所述，采用的一个第一位移传感器、两个第二位移传感器采用电磁感应原理测位移，精度可达0.5μm，可实现对法兰内侧轴向位移与螺栓孔处法兰位移的精准测量，为测定塔筒法兰内侧轴向位移与螺栓伸长量的比例关系提供准确数据支撑；同时采用将试验用法兰、螺栓、垫片尺寸缩小为实物尺寸的试验载荷取塔筒法兰的极限设计载荷的在容易制作试验用法兰、螺栓、垫片，容易产生、施加试验载荷的同时，可使得试验用法兰、螺栓、垫片的应力、应变与对实物法兰施加塔筒法兰极限设计载荷得到的实物法兰、螺栓、垫片的应力、应变接近相等，接近实际工程应用。具有易实施、成本低、精确度高的优点。
[0092]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。