监测风机叶片与变桨轴承螺栓连接件状态的方法和系统

技术领域

本发明涉及风力发电用螺栓监测技术领域，具体为一种监测风机叶片与变桨轴承螺栓连接件状态的方法和系统。

背景技术

叶片是捕风的关键部件，作为悬臂梁根部的叶根承担了很大的载荷，载荷部分通过螺栓传递，部分通过叶根与轴承的接触面传递，需要通过预紧力保障螺栓工作的安全。而预紧力的水平受到装配(如润滑)、定维及风机振动、载荷水平等多种因素的影响，在运行过程中可能发生预期之外的松弛和断裂。目前国内大部分风电场风机叶根螺栓的预紧状态和断裂检查，主要是采用人工目测、手持式液压扳手或拉伸器的方式，通过定期或不定期的人工巡检来实现。人工巡检的方式比较被动，无法及时识别螺栓是否松弛和断裂。因此如何及时发现风机连接部位螺栓状态异常显得尤为重要。

现有技术中，公开号为“CN111306011B”的一种监测风机叶片与变桨轴承螺栓连接件状态的方法及系统，方法为利用一个或多个位移传感器实时采集并确定第一监测区域内对应各螺栓连接件的距离信息；根据对应各螺栓连接件的距离信息，统计确定所述螺栓连接件的位置变化信息；根据所述螺栓连接件的位置变化信息确定所述螺栓连接件状态是否异常，实现了实时在线监测风机叶片与变桨轴承连接部位的螺栓连接件状态，有效防止螺栓连接件状态异常引发的成本损失和叶片掉落风险。

但现有技术仍存在较大缺陷，如：在风电机组的日常运行过程中螺栓长期处于拉、压交变载荷下，在拉、压交变载荷作用下螺栓可能发生永久塑性形变，从而导致螺栓失效，而上述技术只能监测到螺栓和螺母相对偏转的位置变化，而无法监测螺栓内部交变负荷的变化，存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种监测风机叶片与变桨轴承螺栓连接件状态的方法和系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种监测风机叶片与变桨轴承螺栓连接件状态的方法，包括：

监测并获取螺栓的实时轴向应变数据、实时温度数据；

根据螺栓的实时轴向应变数据计算得出螺栓的实时压强；

以螺栓在常温环境下的标准屈服强度作为基准、并以实时温度数据作为修正参数，获取螺栓的实时屈服强度；

在实时压强大于实时屈服强度时，以实时屈服强度和标准屈服强度的差值作为弥补强度，若实时压强和弥补强度之和小于实时屈服强度，则通过热交换使得螺栓的实时屈服强度达到标准屈服强度，若实时压强和弥补强度之和大于或等于实时屈服强度，则对风机设备进行停机维护。

优选的，螺栓整体采用直埋式应变计螺栓以进行获取实时轴向应变数据。

优选的，将带有电加热件的保护筒套设在螺栓外侧以对螺栓进行热交换。

优选的，采用分体式温度传感器获取螺栓的实时温度数据，且分体式温度传感器由安装在螺栓上的温度采集件、缠绕在螺栓上的信号传输线、安装在保护筒外的信号发送件组成，且信号传输线断裂时信号发送件发射报警信号使得风机设备停机维护。

优选的，所述螺栓的实时轴向应变数据也通过信号发送件进行输送。

一种监测风机叶片与变桨轴承螺栓连接件状态系统，用于上述的监测风机叶片与变桨轴承螺栓连接件状态的方法，包括信号采集单元、信号处理单元、信号分析单元和负反馈单元；

信号采集单元，所述信号采集单元用于监测并获取螺栓的实时轴向应变数据、实时温度数据，并将螺栓的实时轴向应变数据、实时温度数据传递至信号处理单元中；

信号处理单元，所述信号处理单元根据螺栓的实时轴向应变数据、实时温度数据得出螺栓的实时压强、实时屈服强度，并将螺栓的实时压强、实时屈服强度传递至信号分析单元中；

信号分析单元，所述信号分析单元结合实时压强、实时屈服强度和弥补强度对螺栓进行分析，在实时压强和弥补强度之和小于实时屈服强度时控制负反馈单元发出第一负反馈信号，并在实时压强和弥补强度之和大于实时屈服强度时控制负反馈单元发出第二负反馈信号；

负反馈单元，在信号分析单元控制下发出第一负反馈信号的所述负反馈单元使得螺栓进行热交换、以此使得螺栓的实时屈服强度达到标准屈服强度，在信号分析单元控制下发出第二负反馈信号的所述负反馈单元使得风机设备进行停机维护。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的监测风机叶片与变桨轴承螺栓连接件状态的方法和系统，以实时温度作为修正参数得到螺栓的实时屈服强度，再结合实时屈服强度、实时压强和弥补强度对螺栓进行分析，在实时压强和弥补强度之和小于实时屈服强度时，通过加热螺栓的方式使得螺栓脱离存在失效风险的状态，而不需对风机设备进行停机维护，大大降低了维护成本，并在实时压强和弥补强度之和大于或等于实时屈服强度时，对风机设备进行停机维护，避免风机设备继续工作而使得螺栓在外力作用下发生永久塑性形变进而失效的问题，提高对螺栓的监测及保护效果，避免螺栓存在问题而导致安全事故的问题。

附图说明

图1为本发明的监测风机叶片与变桨轴承螺栓连接件状态的方法流程图；

图2为本发明的监测风机叶片与变桨轴承螺栓连接件状态的系统的一种实施例示意图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：

一种监测风机叶片与变桨轴承螺栓连接件状态的方法，包括：

S101，信号采集单元201监测并获取螺栓的实时轴向应变数据、实时温度数据，具体为信号采集单元201包括直埋式应变计螺栓、温度传感器以及发送信号的信号传输装置，其中应变计预埋在螺栓中，且应变计沿螺栓轴向方向设置，以此使得应变计实时测得螺栓的实时轴向应变数据，温度传感器位于螺栓外侧并实时测得螺栓的实时温度数据，接着信号采集单元201的信号传输装置将应变计测得螺栓的实时轴向应变数据以及温度传感器测得螺栓的实时温度数据传递至信号处理单元202中；

S102，信号处理单元202根据螺栓的实时轴向应变数据计算得出螺栓的实时压强，其中信号处理单元202包括接收实时轴向应变数据的信号接收器、对实时轴向应变数据进行处理计算以得出实时压强的信号处理器、以及将实时压强传递至信号分析单元203的信号发送器，如风电机组叶片连接螺栓常用材质为42CrMoA，屈服强度为900MPa,弹性模量为210000MPa，在应变计测得螺栓的应变值为0.0043时，信号接收器将接收到的实时轴向应变数据传递至信号处理器中，信号处理器根据σ＝εE公式，得出σ＝0.00428×210000MPa＝898.8MPa，即信号处理器测得螺栓的实时压强为898.8MPa，接着信号处理器再将实时压强传递至信号发送器中；

S103，信号处理单元202以螺栓在常温环境下的标准屈服强度作为基准、并以实时温度数据作为修正参数，获取螺栓的实时屈服强度，其中信号处理单元包括接收实时温度数据的信号接收器、根据实时温度数据对标准屈服强度进行修正以得到实时屈服强度的信号处理器、以及将实时屈服强度传递至信号分析单元203的信号发送器，如螺栓900MPa的屈服强度是在常温20摄氏度测得的标准屈服强度，但螺栓在外界环境下使用时会受到外界温度的影响，因为钢结构发生脆性破坏时的名义应力随温度的下降而降低，钢材的塑性减小，脆性增加，而使得螺栓在某一温度下的实时屈服强度和标准屈服强度存在一定偏差，使得螺栓的实时压强在未达到标准屈服强度但达到实时屈服强度时便存在一定风险，直接使用标准屈服强度作为实时压强的报警阈值显而易见是存在缺陷的，因此根据螺栓的屈服强度和温度之间呈正相关的原理，信号接收器将实时温度数据传输至信号处理器中，信号处理器以实时温度数据作为修正参数，得到螺栓的实时屈服强度，再将实时屈服强度传输至信号发送器中，便于后续信号分析单元203依据实时屈服强度判断处于某一实时压强下的螺栓是否存在风险；

S104，信号分析单元203以实时屈服强度和标准屈服强度的差值作为弥补强度，并结合实时压强、实时屈服强度和弥补强度对螺栓进行分析，在实时屈服强度大于标准屈服强度时弥补强度为正值，在实时屈服强度小于标准屈服强度时弥补强度为负值，其中信号分析单元203包括接收实时屈服强度、实时压强的信号接收器、引入弥补强度并结合实时压强、实时屈服强度和弥补强度对螺栓进行分析的信号分析器、以及将分析结果传输至负反馈单元204中的信号发送器；

信号接收器将实时压强和实时屈服强度送入信号分析器中，信号分析器引入弥补强度并对螺栓进行分析，在实时压强大于实时屈服强度时，若实时压强和弥补强度之和小于实时屈服强度，信号发送器根据信号分析器的分析结果(即实时压强和弥补强度之和小于实时屈服强度)向负反馈单元204发出第一信号，在第一信号控制下发出第一负反馈信号的负反馈单元204使得螺栓进行热交换、以此使得螺栓的实时屈服强度达到标准屈服强度的数值，从而使得螺栓的实时压强小于达到标准屈服强度的实时屈服强度，即通过提高螺栓实时屈服强度的方式使得螺栓脱离存在失效风险的状态，而不需对风机设备进行停机维护，大大降低了维护成本；

同理在实时压强大于实时屈服强度时，若实时压强和弥补强度之和大于或等于实时屈服强度，信号发送器根据信号分析器的分析结果(即实时压强和弥补强度之和大于或等于实时屈服强度)向负反馈单元204发出第二信号，在第二信号控制下发出第二负反馈信号的负反馈单元204使得风机设备进行停机维护，避免风机设备继续工作而使得螺栓在外力作用下发生永久塑性形变进而失效的问题，其中负反馈单元204包括接收信号分析单元203信号的信号接收器、发出第一负反馈信号或第二负反馈信号的信号发送器、以及根据信号接收器接收的信号分析单元203信号而控制信号发送器发出第一负反馈信号或第二负反馈信号的负反馈处理器；

进一步的，将带有电加热件的保护筒套设在螺栓外侧以对螺栓进行热交换，电加热件与负反馈单元204信号连接，使得在负反馈单元204发出第一负反馈信号时电加热件工作发热，电加热件通过保护筒对螺栓进行加热，使得原本因温度过低而导致实时屈服强度较低的螺栓经加热后，实时屈服强度上升至标准屈服强度的数值，以此达到通过提高螺栓实时屈服强度的方式使得螺栓脱离失效风险状态的目的，且负反馈单元204和风机设备控制终端信号连接，使得在负反馈单元204发出第二负反馈信号时、风机设备控制终端控制风机设备停机维护；

更进一步的，采用分体式温度传感器获取螺栓的实时温度数据，且分体式温度传感器由安装在螺栓上的温度采集件、缠绕在螺栓上的信号传输线、安装在保护筒外的信号发送件组成，温度采集件采集到的实时温度数据经信号传输线传递至信号发送件中，再由信号发送件传递至信号采集单元201的信号传输装置上，且应变计测得的实时轴向应变数据也通过信号传输线传递至信号发送件中，再由信号发送件传递至信号采集单元201的信号传输装置上，且信号发送件和风机设备控制终端信号连接，在螺栓出现涨裂时撑断信号传输线，信号发送件无法接收实时温度数据而向风机设备控制终端发出报警信号，使得风机设备控制终端控制风机设备停机维护，便于工人及时更换螺栓；

其中，信号采集单元201的信号传输装置、信号处理单元202的信号接收器、信号发送器、信号分析单元203的信号接收器、信号发送器、负反馈单元204的信号接收器、信号发送器、分体式温度传感器的信号发送件均选用集成了16M内部晶振、SPI接口、串行接口和ADC数据转换的NRF24LE1GNQF32无线发送芯片，信号处理单元202的信号处理器、信号分析单元203的信号分析器、负反馈单元204的负反馈处理器均选用Cortex-M3处理器作为处理信号的MCU控制单元。

一种监测风机叶片与变桨轴承螺栓连接件状态系统，用于上述的监测风机叶片与变桨轴承螺栓连接件状态的方法，包括信号采集单元201、信号处理单元202、信号分析单元203和负反馈单元204；

信号采集单元201，信号采集单元用于监测并获取螺栓的实时轴向应变数据、实时温度数据，并将螺栓的实时轴向应变数据、实时温度数据传递至信号处理单元中；

信号处理单元202，信号处理单元根据螺栓的实时轴向应变数据、实时温度数据得出螺栓的实时压强、实时屈服强度，并将螺栓的实时压强、实时屈服强度传递至信号分析单元中；

信号分析单元203，信号分析单元结合实时压强、实时屈服强度和弥补强度对螺栓进行分析，在实时压强和弥补强度之和小于实时屈服强度时控制负反馈单元发出第一负反馈信号，并在实时压强和弥补强度之和大于实时屈服强度时控制负反馈单元发出第二负反馈信号；

负反馈单元204，在信号分析单元控制下发出第一负反馈信号的负反馈单元使得螺栓进行热交换、以此使得螺栓的实时屈服强度达到标准屈服强度，在信号分析单元控制下发出第二负反馈信号的负反馈单元使得风机设备进行停机维护。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。