一种针对紧固螺栓的风机塔筒在线监测系统和监测方法与流程

1.本发明涉及风机塔筒监控领域，尤其涉及一种针对紧固螺栓的风机塔筒在线监测系统和监测方法。


背景技术：

2.随着风力发电的大力推广，风力发电设备的应用规模日益增大，风机功率越来越大，风机也是越树越高，几十米、甚至上百米。那么，风机塔筒的牢靠性显得尤为重要。近些年也出了不少风机折断的案例。风力发电设备主要包括叶片、轮毂、发电机、塔筒、基础结构等。其中叶片和轮毂形成风轮,风轮受风力作用而旋转,带动发电机机头转动从而产生电能。塔筒用于将风轮和发电机架设在风能资源较为丰富的空旷地带。基础结构通常是由钢筋混凝土形成的结构，用于连接地面和塔筒底部,以便于将塔筒牢牢竖立、固定在地面上。
3.运行时,由于阵风变化、风机负荷变化、机组频繁并网脱网、机组紧急停机、循环负载积累等原因，会导致风力发电设备的塔筒产生严重的晃动现象,由于基础法兰筒与塔筒通过高强度螺栓连接,因此基础法兰简也会随着塔简的晃动而晃动,导致基础法兰简对周围用于固定的混凝土结构产生相应的挤压、磨损。随着风力发电设备的运行时间不断增加,挤压、磨损现象会越来越严重,从而导致基础法兰筒会与周围用于固定的混凝土结构之间产生一定的缝隙。当雨季来临时,雨水会流入缝隙内，与磨损的混凝土形成了具有研磨作用的水泥浆液。随着塔筒不断晃动，塔筒之间的紧固螺栓松动或者断裂,失去原有的固定性能,这时风力发电设备便会存在倾斜倒塔的危险。
4.对于风机塔筒紧固螺栓的监控，传统的做法是采用人工巡检，定期复检，以及备用螺栓，即同一个位置，直接使用两颗螺栓，以降低事故风险。对于人工定期巡检，大多是依据巡检工人的经验，并且，定期巡检的时间间隔也是一大困难，设的太密，人力成本翻倍，因为每一台风机都需要工人攀爬上去；设的太稀，又不能及时发现问题。而备份螺栓是风机塔筒必备的方案，同样面临着，一旦一颗螺栓断裂或者松动后，另一颗螺栓受力陡增，跟着断裂的风险大增。


技术实现要素：

5.本发明是为了克服现有监测方法难以准确反映出风机塔筒紧固螺栓承受的的挤压力拉力状况，从而难以对风机塔筒紧固螺栓固定性能进行监测，以及监测无数量较大的问题，提供一种针对紧固螺栓应力监测掌握风机塔筒情况的风机塔筒在线监测系统和监测方法。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种针对紧固螺栓的风机塔筒在线监测系统，其特征是，包括塔筒螺栓监测传感器、传感器数据传输单元和数据中端，所述塔筒螺栓监测传感器设置在风机塔筒筒节间螺栓连接处，所述传感器数据传输单元包括信号接收电路、信号处理放大电路、无线单元、电池和主控芯片，所述信号接收电路与传感器输出端连接，所述信号接收电路输出通过信号
处理放大电路传输给主控芯片；所述无线单元一端与主控芯片相连，另一端与无线天线相连，无线单元使主控芯片具有无线通信能力，所述电池为传感器及传感器数据传输单元供电，所述主控芯片与数据中端无线通信连接，所述数据中端与服务器通信连接。塔筒螺栓为一个主螺栓一个备用螺栓形成一组螺栓对，螺栓对等弧设置塔筒螺栓监测传感器收集被测螺栓的受力数据，然后通过传感器数据传输单元将塔筒螺栓监测传感器检测数据经过电路调理、滤波、放大、以及ad采样，转成数字量。然后mcu根据用户设定的参数、协议，通过无线方式，定时将数据发送到数据中端，数据中端采用网线或者光纤将数据上传至服务器，上传至服务器的数据可调并通过诊断分析算法进行处理诊断，判断紧固螺栓的健康状况。
7.作为优选，所述塔筒螺栓监测传感器包括由四个应变片首尾连接组成的电阻桥。应变片采用电阻应变片，电阻应变片基于应变效应制作，应变效应即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。
8.作为优选，所述塔筒螺栓监测传感器包括拉力传感器，所述拉力传感器一端设置在塔筒螺栓一侧塔筒上节表面，另一端设置在与所述塔筒上节相贴靠的塔筒下节表面。塔筒上节和塔筒下节侧面的端部设有凸起安装沿，塔筒螺栓沿相贴靠的塔筒上节和塔筒下节的安装沿厚度方向贯穿，从而将塔筒上节与塔筒下节固定；拉力传感器一端贴附在筒上节安装沿表面，另一端贴附在与所述塔筒上节相贴靠的塔筒下节安装沿表面。拉力传感器检测塔筒上节和塔筒下节间距的变化转化成电信号输出。
9.作为优选，所述塔筒螺栓监测传感器包括压力传感器，所述压力传感器设置在塔筒螺栓螺帽与塔筒表面之间。压力传感器将螺栓螺帽与塔筒表面之间的压力变化转化成电信号输出。
10.作为优选，每个风机塔筒配备至少一个数据中端，所述数据中端用于将接收到的塔筒螺栓监测传感器数据汇总并上报到服务器。上传至服务器的数据被可调于判断风机塔筒情况。
11.一种针对紧固螺栓的风机塔筒在线监测方法，采用本发明所述的针对紧固螺栓的风机塔筒在线监测系统。
12.作为优选，包括提取并记录各个塔筒螺栓监测传感器应力测量数据、当下环境风速和风向数据；通过各个塔筒螺栓监测传感器应力数据组合估算相邻塔筒之间监测倾斜角度；获取历史塔筒螺栓监测传感器数据，与相同风速情况下塔筒历史倾斜角度，将历史塔筒倾斜角度与监测倾斜角度相对比，若监测倾斜角度与历史塔筒倾斜角度超过一定阈值，则预警该塔筒筒节之间螺栓需要检修。
13.作为优选，还包括提取塔筒筒节间的塔筒螺栓监测传感器的信号为a1、a2、a3、a4…an
结合塔筒直径d，得到采样时刻该塔筒筒节的中心坐标（x,y），其中x=2*d（a1 a
2-a
3-a4…
a
n-1-an）/（a1 a2 a3 a4…
an）y=2*d（a
1-a
2-a
3-a4…‑an-1
an）/（a1 a2 a3 a4…
an）；中心坐标（x,y）经过指数平滑后，得到采样时间段的中心坐标轨迹f(x,y)，并将轨
迹通过显示装置显示。
14.因此，本发明具有如下有益效果：通过应变片组成的电阻桥感知紧固螺栓上的应力情况，在线监测紧固螺栓的固定性能，检测数据通过无线加有线的网络布局上传至服务器，便于运维人员调用。
15.在线监测系统通过收集各个螺栓的应力数据，然后结合历史数据以及相关算法，预警螺栓的健康状况，描绘出塔筒的晃动轨迹，便于维护人员更好的掌握风机塔筒的情况。
附图说明
16.图1是本发明一实施例风机塔筒在线监测系统框图。
17.图2是本发明一实施例塔筒螺栓监测传感器电路图。
18.图3是本发明一实施例传感器数据传输单元结构框图。
19.图4是本发明一实施例一种塔筒螺栓监测传感器安装示意图。
20.图5是本发明一实施例又一种塔筒螺栓监测传感器安装示意图。
21.图中：1、塔筒上节2、塔筒下节3、塔筒螺栓监测传感器 4、螺栓 5、螺帽 6、应变片 7、间隙。
具体实施方式
22.下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
23.实施例：如图1~5所示的一种针对紧固螺栓4的风机塔筒在线监测系统，包括塔筒螺栓4监测传感器3、传感器数据传输单元和数据中端，所述塔筒螺栓4监测传感器3设置在风机塔筒筒节间螺栓4连接处，所述传感器数据传输单元包括信号接收电路、信号处理放大电路、无线单元、电池和主控芯片，所述信号接收电路与传感器输出端连接，塔筒螺栓4监测传感器3包括由四个应变片6首尾连接组成的电阻桥。应变片6采用电阻应变片6，电阻应变片6基于应变效应制作，应变效应即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，应变片6是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。
24.如图4和图5所示塔筒螺栓4监测传感器3包括拉力传感器和压力传感器，所述拉力传感器一端设置在塔筒螺栓4一侧塔筒上节1表面，另一端设置在与所述塔筒上节1相贴靠的塔筒下节2表面。塔筒上节1和塔筒下节2侧面的端部设有凸起安装沿，塔筒螺栓4沿相贴靠的塔筒上节1和塔筒下节2的安装沿厚度方向贯穿，从而将塔筒上节1与塔筒下节2固定；塔筒上节和下节贴靠处有间隙7，拉力传感器横跨间隙7一端贴附在筒上节安装沿表面，另一端贴附在与所述塔筒上节1相贴靠的塔筒下节2安装沿表面。拉力传感器检测塔筒上节1和塔筒下节2间距的变化转化成电信号输出。所述压力传感器设置在塔筒螺栓4螺帽5与塔筒表面之间。压力传感器将螺栓4螺帽5与塔筒表面之间的压力变化转化成电信号输出。
25.所述信号接收电路输出通过信号处理放大电路传输给主控芯片；所述无线单元一端与主控芯片相连，另一端与无线天线相连，无线单元使主控芯片具有无线通信能力，所述电池为传感器及传感器数据传输单元供电，所述主控芯片与数据中端无线通信连接，所述
数据中端与服务器通信连接。塔筒螺栓4为一个主螺栓4一个备用螺栓4形成一组螺栓4对，螺栓4对等弧设置塔筒螺栓4监测传感器3收集被测螺栓4的受力数据，然后通过传感器数据传输单元将塔筒螺栓4监测传感器3检测数据经过电路调理、滤波、放大、以及ad采样，转成数字量。然后mcu根据用户设定的参数、协议，通过无线方式，定时将数据发送到数据中端，数据中端采用网线或者光纤将数据上传至服务器，上传至服务器的数据可调并通过诊断分析算法进行处理诊断，判断紧固螺栓4的健康状况。
26.本发明还公开了一种针对紧固螺栓4的风机塔筒在线监测方法，包括提取并记录各个塔筒螺栓4监测传感器3应力测量数据、当下环境风速和风向数据；通过各个塔筒螺栓4监测传感器3应力数据组合估算相邻塔筒之间监测倾斜角度；获取历史塔筒螺栓4监测传感器3数据，与相同风速情况下塔筒历史倾斜角度，将历史塔筒倾斜角度与监测倾斜角度相对比，若监测倾斜角度与历史塔筒倾斜角度超过一定阈值，则预警该塔筒筒节之间螺栓4需要检修。
27.调用服务器中的塔筒螺栓4监测传感器3信号数据对塔筒健康状态进行分析，提取塔筒筒节间的塔筒螺栓4监测传感器3的信号为a1、a2、a3、a4…an
结合塔筒直径d，得到采样时刻该塔筒筒节的中心坐标（x,y），其中x=2*d（a1 a
2-a
3-a4…
a
n-1-an）/（a1 a2 a3 a4…
an）y=2*d（a
1-a
2-a
3-a4…‑an-1
an）/（a1 a2 a3 a4…
an）；中心坐标（x,y）经过指数平滑后，得到采样时间段的中心坐标轨迹f(x,y)，并将轨迹通过显示装置显示。便于维护人员更好的掌握风机塔筒的情况。
28.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
29.尽管本文较多地使用了应变片、传感器、塔筒等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。