风力发电机组

螺栓松动监测解决方案

应用背景

风力发电机组造价昂贵，且使用环境恶劣,工况复杂，在运行过程中，长期受振动、扭转、剪切等各种载荷的综合作用，各部件及部件间的连接紧固件会出现不同程度的损伤。各部位螺栓尤其是叶根螺栓时常发生螺栓紧固降低甚至螺栓断裂等故障。若故障发现不及时，会引发风电机组发生设备事故，造成巨大的经济损失，严重的会连带发生人身伤害事故。据统计，每年都会出现因螺栓松动、断裂等原因引发的倒塔、叶片脱落等严重设备事故。

风力发电机作业现场通常在近海和偏僻的山区，现场维护困难，费时费力，甚至需要停机维护，导致维护代价不菲。

嘉兴博感科技有限公司自2017年便开始风电机组智能螺栓及螺栓松动的探索工作，力争寻求一种经济实用的风电机组螺栓监测解决方案。多年来，我们通过大量的实验研发的螺栓松动监测系统能够及时获得螺栓的断裂、预紧力、松动状态和螺栓松动趋势，并发出预警和报警信息，预测需要维护的时间，无需维护人员现场检查。能够大大降低维护费用和成本，同时及时发现螺栓松动问题并得到维护，能延长发电机系统的寿命，减少停机时间，降低安全事故。降低了风机的维护工作量和维修成本，极大地提高了风机运行的可靠性和安全性。

技术方案介绍

针对螺栓松动的监测，我公司提供螺栓旋出角度和螺栓伸长量两种解决方案。

旋出角度监测方案：

松动监测：松动旋出角度，输出旋出角度和旋出角度曲线；

第一步，以螺栓紧固状态开始的角度为基准，通过软件可以置位；

第二步，间隔性的检测角度，和基准角度比较，计算出松动旋出角度；

第三步，在服务器端实现对螺栓松动趋势、松动点分布图、实时棒图的展示，客户可自由设定松动报警值。

伸长量监测方案：

断裂监测：超声测量螺栓的长度，在螺栓断裂的情况下，超声信号在断裂的位置返回，测量到的螺栓长度和实际长度不相符，判断螺栓是否出现断裂。

预紧力监测：

方法一：

第一步，紧固螺栓之前，安装上传感器并测量螺栓长度，获得螺栓的初始无拉伸力的长度；

第二步，紧固过程当中，测量螺栓长度，软件和初始无拉伸力测长度比较，获得螺栓伸长量；

第三步，软件通过螺栓的伸长量和公式：预紧力 = 伸长量*弹性模量*截面积/螺栓长度*校准系数，计算出螺栓的预紧力，在预紧力达到要求的时候给与提示。

第四步，在服务器端实现对螺栓预紧力趋势、预紧力分布图、实时棒图的展示，客户可自由设定预紧力报警值。

方法二：

第一步，紧固螺栓之后，安装上传感器并测量螺栓长度，获得紧固时的螺栓长度；

第二步，输入已知的螺栓紧固时的预紧力；

第三步，测量螺栓长度，软件通过和紧固时的螺栓长度比较，获得螺栓伸长量 = 紧固时的螺栓长度 - 监测时的螺栓长度；

第四步，软件通过螺栓的伸长量和公式：预紧力 = 螺栓紧固时的预紧力 - 伸长量*弹性模量*截面积/螺栓长度*校准系数，计算出螺栓的预紧力，在预紧力未达到要求时给与提示。

第五步，在服务器端实现对螺栓预紧力趋势、预紧力分布图、实时棒图的展示，客户可自由设定预紧力报警值。

松动监测：预紧力小于紧固时的预紧力。

技术原理

旋出角度监测：

利用安装在螺栓上的非侵入式传感器，如图1，实时或间隔性地获取传感信号，结合先进的信号处理技术与智能分析算法，测量螺栓的松动旋出角度(已申请专利)。从而快速、准确地判定螺栓的松动状态和螺栓松动趋势，预测需要维护的时间。

螺栓松动传感器角度误差小于2°(1/180圈)。

旋出角度检测是在螺栓紧固状态开始检测螺栓松动后旋出的角度。

螺栓伸长量监测：

通过测量螺栓的伸长量，监测螺栓的断裂、预紧力和松动状态，从而快速、准确地判定螺栓的状态。

利用安装在螺栓上的非侵入式超声波传感器，结合先进的信号处理技术和温度补偿算法，精确测量螺栓的长度，根据初始长度计算出螺栓的伸长量。 

螺栓伸长量传感器的测量精度，达到螺栓长度的万分之一，比如200mm长度的螺栓，测量精度是0.02mm。

系统架构

螺栓监测系统通过无线传输数据，并具有超低功耗、安装简单、系统免维护、适用于恶劣环境等特点。如图3，无线螺栓伸长量传感器（或者无线螺栓松动角度传感器）通过无线传输数据到网关，网关通过无线/有线上报数据到云端。

软件功能

基于Linux操作系统平台，采用SQL数据库，支持B/S数据访问模式。系统通过风场光纤环网与位于风机的网关进行通讯，获取机组监测部件螺栓监测状态数据，并进行各螺栓的综合管理，监测部位螺栓ID分配管理，初始值校准，螺栓数据图形绘制，状态报警等功能。博感智能螺栓监测系统平台软件，通过“螺栓状态图、法兰螺栓分布图”可对监测点螺栓状态进行全面的状态预警评估，并得出法兰载荷分布情况。系统监测软件平台具有如下丰富功能。

试点阶段可以选用博感的云平台实现相同功能。

l  螺栓状态总貌图

l  螺栓松动趋势图

l  螺栓分布图

l  报警显示

l  报警阈值设定

l  用户管理

l  日志查询等等

系统方案与安装

每节塔筒的螺栓上的传感器无线连接到一个安装在靠近位置的无线路由器RU100（如下图），一个RU100连接这一圈螺栓上的传感器。各个无线路由器RU100传输数据到安装于机舱的网关GU100P。 

风电顶部的叶根螺栓上的传感器，无线连接到3个无线路由器RU100（对应每个叶片1个，安装在轮毂上），3个RU100无线连接到一个安装在轮毂里面的网关GU100P。 

由于轮毂和机舱之间有金属屏蔽，轮毂的网关不能直接接入环网，可分别在轮毂网关附近和机舱内分别安装一个无线AP进行桥接，将叶根螺栓的数据接入环网。

海上风力发电机组螺栓松动监测系统安装视频：

https://www.bilibili.com/video/BV1LP4y137Zb/

螺栓预紧力监测演示视频：

https://www.bilibili.com/video/BV1uq4y1z7ZU?spm_id_from=333.999.0.0