用于监测螺栓松动状态的监测装置及监测方法、风电机组与流程

[0001]
本发明涉及螺栓防松领域，尤其涉及一种用于监测螺栓松动状态的监测装置及监测方法、风电机组。


背景技术：

[0002]
风力发电机组作为一个大型装配产品，螺栓连接是其各部件之间的主要连接方式。叶片作为风电机组核心部件，通过螺栓与风轮连接，但其固定螺栓受维护操作空间小、螺栓预紧力分散度大及长期承受复杂的交变载荷因素影响，容易出现松动，处理不及时会造成螺栓断裂、变桨轴承断裂，引发叶片掉落次生事故。
[0003]
目前，风力发电机组连接螺栓均采用人工定期检修(1年)的方式来保证螺栓紧固状态，该方式存在耗时久、效率低、费用高的缺点，且人工定期检修无法保证螺栓连接紧固程度检测的实时性，对机组运行安全保障存在非常大的安全隐患。
[0004]
为实时监测螺栓预紧状态，保证机组叶片连接的安全可靠，市面上涌现了不同类型的螺栓预紧状态实时监测系统。目前主流的监测方法有：超声波测量法、压力垫圈测量法、图像识别测量法等。不过，超声测量法主要存在价格高、打磨螺栓、有源布线安装复杂和应力标定困难的不足，压力垫圈测量法主要存在拆卸螺母增加压力垫圈影响整体受力的不足，图像识别测量法主要存在价格高、传感器布置占用环境空间大和有源布线安装复杂的不足。


技术实现要素：

[0005]
本发明要解决的技术问题是提供一种用于监测螺栓松动状态的监测装置、磁性编码器、风电机组，本发明的监测装置成本低、施工便捷，可不改变原螺栓副结构和装配关系进行螺栓松动在线状态监测，可以解决现有叶片螺栓定检模式存在隐患的客观问题。
[0006]
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
[0007]
一方面，本发明提供一种用于监测螺栓松动状态的监测装置，包括依次连接的终端传感器、通讯控制器和中控室服务器，其中：
[0008]
所述终端传感器包括磁性编码器和间隙测量传感器，所述磁性编码器用于测量待测螺栓与固定螺母的相对角度，所述间隙测量传感器用于记录待测螺栓松动引发的被夹紧件的间隙增加量；
[0009]
所述通讯控制器用于将终端传感器采集的数据传输给中控室服务器；
[0010]
所述中控室服务器包括显示器和控制器，所述显示器用于显示终端传感器采集的角度数据和间隙距离数据，所述控制器用于判断采集的数据是否超过预设的角度和距离阈值并根据判断结果发出预警信息。
[0011]
进一步地，所述磁性编码器包括编码器本体和跟随支架，所述编码器本体用于连接在待测螺栓端部，所述跟随支架包括顶部支架和与顶部支架连接的若干夹紧支腿，所述若干夹紧支腿用于紧固待测螺栓的固定螺母，所述顶部支架与编码器顶部连接，所述跟随
支架会随固定螺母旋转并带动磁性编码器旋转，所述编码器本体记录待测螺栓和固定螺母松动旋转角度值。
[0012]
进一步地，所述编码器本体包括外壳和位于外壳内的角度磁性编码器，所述外壳的顶部设有孔位，所述顶部支架上设有与所述孔位配装的顶部引脚，所述外壳的底部设有用于配装到待测螺栓上的螺纹孔。
[0013]
进一步地，所述外壳内还设有锂电池和zigbee模块，所述zigbee模块用于将角度磁性编码器输出的电信号进行zigbee无线传输。
[0014]
进一步地，每个所述夹紧支脚内侧连接有橡胶件。
[0015]
进一步地，所述顶部支架与每个夹紧支腿通过销钉铰接。
[0016]
进一步地，还包括连接在夹紧支腿和顶部支架之间的弹簧，用于通过弹簧拉力使夹紧支腿夹紧固定螺母。
[0017]
进一步地，所述间隙测量传感器包括基于fbg的光纤光栅传感器和fbg解调模块，所述光纤光栅传感器用于固定在待测螺栓与螺母夹紧件之间，所述光纤光栅传感器和fbg解调模块通过串口总线连接；
[0018]
进一步地，所述间隙测量传感器还包括锂电池和zigbee模块，所述zigbee模块用于将位移量变化进行zigbee无线传输。
[0019]
进一步地，所述中控室服务器还包括存储器和/或归零模块。
[0020]
另一方面，提供一种监测螺栓松动状态的方法，使用所述的用于监测螺栓松动状态的监测装置进行监测，包括如下步骤：
[0021]
(1)在风电叶片螺栓经常损坏的前缘与后缘区域布置所述终端传感器；
[0022]
(2)按顺序依次在叶根螺栓和螺母上装配所述磁性编码器，在对应螺栓位置的变桨轴承和叶根法兰间及叶根附近人孔板上安装所述间隙测量传感器，将通讯控制器通过rj45网口接入风电场机组通讯环网，并将中控室服务器通过rj45网口接入风电场机组通讯环网；通过终端传感器监测实时数据，并通过通讯控制器将数据传输至中控室服务器；
[0023]
(3)中控室服务器进行数据处理、显示和松动预警；中控室服务器实时收集显示所述终端传感器数据图谱，判断所述终端传感器数据是否超过设定角度和距离阈值，并对应给出预警信息。
[0024]
进一步地，步骤(2)中所述终端传感器的磁性编码器记录叶根螺栓和固定螺母松动角度，所述终端传感器的光纤光栅传感器记录螺栓和螺母松动引发夹紧件-变桨轴承和叶根法兰间隙增加量，同时能记录叶根螺栓突发断裂的特殊工况。
[0025]
再一方面，提供一种风电机组，包括所述的用于监测螺栓松动状态的监测装置，其中，
[0026]
所述磁性编码器用于测量待测叶根螺栓与固定螺母的相对角度，所述间隙测量传感器用于记录待测叶根螺栓松动引发的变桨轴承和叶根法兰之间间隙的增加量。
[0027]
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
[0028]
(1)本发明的的监测装置可实现实时监测叶片螺栓预紧状态功能，能有效规避目前定期检修模式不能及时发现和处理螺栓松动引发故障、事故问题。本发明的监测装置测量准确，使用设备价格低，占用环境空间小，不改变原螺栓副结构和装配关系，且安装、拆解便捷。
[0029]
(2)本发明通过测量叶片螺栓与固定螺母相对角度和被夹紧件之间缝隙间距两个关键物理量得出螺栓预紧状态，实现简单，测量准确，规避市面上超声波、压力垫圈等直接测螺栓应力，执行过程中存在不同规格螺栓副标定复杂、测量应力数值不准确问题。
[0030]
(3)本发明采用终端传感器包括叶片螺栓固定螺母端的磁性编码器和螺栓夹紧件-叶根法兰和变桨轴承法兰之间的间隙测量传感器(光纤光栅传感器)，两种传感器较市面上超声式、压电式(垫圈)等螺栓应力传感器具有价格低廉、安装便捷、不改变原螺栓副结构及装配关系的优势。
[0031]
(4)本发明采用终端传感器实现锂电池供电，信号传输实现风轮与机舱之间无线传输，规避目前市面上超声式、压电式(垫圈)等螺栓应力传感器，在旋转的风轮内有线供电、有线数据传输使用线缆固定、防护困难，同时在不影响原机组风轮内变桨系统和机舱内主控系统情况下实现风轮与机舱间通讯困难问题。
附图说明
[0032]
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
[0033]
图1是本发明的用于监测螺栓松动状态的监测装置的监测原理图；
[0034]
图2是本发明的用于监测螺栓松动状态的监测装置安装到待测螺栓上的一个实施例的结构示意图；
[0035]
图3是本发明的磁性编码器的一个实施例的结构示意图；
[0036]
图4是本发明的磁性编码器的一个实施例的剖面结构示意图；
[0037]
图5是本发明的磁性编码器的跟随支架的结构示意图；
[0038]
图6是本发明的终端传感器中光纤光栅传感器结构示意图。
[0039]
其中，1.终端传感器 2.机舱通讯控制器 3.中控室服务器 41.螺栓 42.固定螺母 5.变桨轴承 6.叶根法兰 7.叶根人孔板 11.磁性编码器 111编码器本体 1111.外壳 1112.角度磁性编码器 1113.zigbee模块 1114.纽扣型锂电池 112.跟随支架 1121.顶部支架 1122顶部引脚 1123销钉 1124.弹簧 1125.夹紧支腿 1126.橡胶件 12.间隙测量传感器 121.基于fbg的光纤光栅传感器 122.fbg解调模块 123.方形锂电池 124.zigbee模块。
具体实施方式
[0040]
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域技术人员。
[0041]
本发明提供一种用于监测螺栓松动状态的监测装置的实施例，如图1至图6所示，包括依次连接的终端传感器1、通讯控制器2和中控室(用户端)服务器3，其中：终端传感器1包括磁性编码器11和间隙测量传感器12，磁性编码器11用于测量待测螺栓41与固定螺母42的相对角度，间隙测量传感器12用于记录待测螺栓41松动引发的被夹紧件的间隙增加量(变桨轴承和叶根法兰之间的间隙)；通讯控制器2用于将终端传感器采集的数据传输给中
控服务器3；中控室服务器3包括显示器和控制器，显示器用于显示终端传感器采集的角度数据和间隙距离数据，控制器用于判断采集的数据是否超过预设的角度和距离阈值并根据判断结果发出预警信息。
[0042]
本发明在使用时，终端传感器位于风电机组风轮内，通讯控制器位于风电机组机舱内，中控室(用户端)服务器位于风电场升压站内；终端传感器实时记录指定位置叶片螺栓和固定螺母反旋松动角度和被夹紧件-变桨轴承和叶根法兰之间间隙两个物理量，机舱通讯控制器负责所述终端传感器输出数据的采集与处理，并将监测数据通过机组环网实时传入所述中控室客户端服务器，所述中控室服务器通过专业的分析软件完成数据的分析与存储，并通过实时测得值直观的显示螺栓是否发生松动、松动的程度分析图谱，并根据螺栓松动程度按需要发出预警信息。
[0043]
本发明的监测装置的具体使用方法如下：
[0044]
(1)在风电叶片螺栓经常损坏的前缘与后缘区域布置所述终端传感器，具体数量以涵盖风电场具体机型叶根螺栓损坏历史数量为准；
[0045]
(2)按顺序依次在叶根螺栓和螺栓上装配所述终端传感器的磁性编码器，在对应螺栓位置的变桨轴承和叶根法兰间及叶根附近人孔板上安装所述终端传感器的光纤光栅传感器，在机舱控制柜上安装机舱通讯控制器，通过rj45网口接入风电场机组通讯环网，最后在风电场升压站中控室安装中控室用户端服务器，并通过rj45网口接入风电场机组通讯环网。终端传感器监测实时数据，首先通过磁性编码器、光纤光栅传感器配置的zigbee模块，无线传输至带有zigbee接收器机舱通讯控制器，其次机舱通讯控制器处理数据以tcp/ip方式将实时数据传输至风电场机组通讯环网中，最后实时数据被同样接入风电场机组通讯环网中中控室用户端服务器获取，并进行数据处理、显示和松动预警；
[0046]
(3)中控室用户端服务器实时收集显示所述终端传感器数据图谱，判断所述终端传感器数据是否超过设定角度和距离阈值，并按需给出预警信息，及时告知运维人员进行叶根螺栓精准检修，检修后所述中控室用户端服务器执行重新标定归零设置。
[0047]
进一步地，步骤(2)中所述终端传感器的磁性编码器记录叶根螺栓和固定螺母松动角度，所述终端传感器的光纤光栅传感器记录螺栓和螺母松动引发夹紧件-变桨轴承和叶根法兰间隙增加量，同时能记录叶根螺栓突发断裂所述终端传感器的磁性编码器未识别的松动角度特殊工况，及时捕捉到螺栓断裂后变桨轴承和叶根法兰间隙增加量，准确反映螺栓和螺母运行状态。
[0048]
进一步地，步骤(3)中所述角度和距离阈值，通过实验测试不同规格叶片螺栓预紧力在不满足设计要求时螺栓与螺母相对反旋角度值，并记录此时被夹紧件间隙增量值，标定为该型号螺栓松动阈值。
[0049]
进一步地，步骤(3)中出现叶根螺栓松动后，运维人员仅需拆卸松动螺栓及附近两颗螺栓所述所述终端传感器的磁性编码器，即手动掰开所述终端传感器的磁性编码器中跟随支架，然后手动旋出磁性编码器中本体，所述终端传感器的光纤光栅传感器因不影响打力矩而不用拆卸，然后打力矩恢复叶根螺栓预紧力，再重复安装所述终端传感器的磁性编码器，最后在所述中控室用户端服务器中重新标定，整个拆卸、打力矩、安装的螺栓松动检修过程实现高效、便捷。
[0050]
本发明的监测装置的几个实施例可以为：
[0051]
实施例1一种风电叶片螺栓防松监测系统
[0052]
一种风电叶片螺栓防松监测系统，包括终端传感器1、机舱通讯控制器2和中控室用户端服务器3三部分。终端传感器1位于风电机组风轮内，所述机舱通讯控制器2位于风电机组机舱内，所述中控室用户端服务器3位于风电场升压站内；所述终端传感器1实时记录指定位置叶片螺栓和固定螺母反旋松动角度和被夹紧件-变桨轴承和叶根法兰之间间隙两个物理量，所述机舱通讯控制器2负责所述终端传感器1输出数据的采集与处理，并将监测数据通过机组环网实时传入所述中控室客户端服务器3，所述中控室服务器3通过专业的分析软件完成数据的分析与存储，并通过实时测得值直观的显示螺栓是否发生松动、松动的程度分析图谱，并根据松动程度按需要发出预警信号。
[0053]
进一步地，所述终端传感器1包括测量螺栓、螺母反旋松动角度的磁性编码器11和叶片螺栓、螺母夹紧件-变桨轴承和叶根法兰之间间隙的光纤光栅传感器12。
[0054]
进一步地，所述终端传感器的磁性编码器11由编码器本体111和跟随支架112组成，编码器本体111连接叶根螺栓，跟随支架112连接编码器本体111中磁性编码器旋转部件和紧固叶根螺栓的固定螺母，跟随支架112会随固定螺母旋转带动磁性编码器旋转部件，磁性编码器11记录叶根螺栓和固定螺母松动旋转角度值。
[0055]
具体的，所述终端传感器的磁性编码器本体111由采用工程塑料材质的外壳1111封装角度磁性编码器1112组成，外壳1111顶部配置孔位，用于跟随支架112连接角度磁性编码器1112旋转部件；外壳1111底部配置2-3p螺纹孔，用于连接叶片螺栓。
[0056]
具体的，所述终端传感器的磁性编码器本体111中角度磁性编码器1112采用纽扣型锂电池1114供电，并增加zigbee模块1113，将磁性编码器输出电信号进行zigbee无线传输，二者都封装于外壳1111中。
[0057]
具体的，所述终端传感器的磁性编码器跟随支架112由金属材质顶部三角架1121、顶部引脚1122、销钉1123、弹簧1124、夹紧支腿1125和橡胶件1126组成，其中顶部三角架1121与顶部引脚1122焊接固定，夹紧支腿1125通过销钉1123与顶部三角架1121铰连接，弹簧1124连接顶部三脚架1121和夹紧支腿1125，橡胶件1126与夹紧支腿1125胶合连接；顶部引脚1122用于连接所述终端传感器的磁性编码器11中磁性编码器旋转部件，夹紧支腿1125和橡胶件1126在弹簧1124拉力作用下用于夹持叶片螺栓固定螺母的三个面。
[0058]
进一步地，所述终端传感器的间隙测量传感器12由基于fbg(光纤布拉格)的光纤光栅位移传感器121和fbg解调模块122组成，fbg光纤光栅位移传感器121固定于叶根螺栓与螺母夹紧件-变桨轴承和叶根法兰之间，测量二者间隙距离。
[0059]
具体的，fbg光纤光栅位移传感器121平行于叶片螺栓用工业胶水粘贴于变桨轴承和叶根法兰之间，fbg解调模块122固定于叶根人孔板上，二者间采用485串口总线的通信方式；fbg解调模块122采用方形锂电池123供电，并增加zigbee模块124，将检测到位移量转化为电信号进行zigbee无线传输，二者封装于fbg解调模块122内。
[0060]
进一步地，所述机舱通讯控制器2由工业网关构成，具有zigbee信号接受、以太网功能，并配置rj45网口，用于接受风轮内所述终端传感器1监测数据，并接入风电场机组通讯环网中以tcp/ip方式进行数据传输。
[0061]
进一步地，所述中控室用户端服务器3由基于win10的工控机构成，配置专业分析软件，存储和处理环网中所述终端传感器1反馈数据。
[0062]
具体的，所述中控室用户端服务器3显示叶根螺栓、螺母松动角度值和被夹紧件-变桨轴承和叶根法兰间隙距离值图谱，分析比较存储所述终端传感器1数据是否超过设定角度和距离阈值，超出则发出螺栓松动预警信息，告知运维人员针对松动螺栓进行定点检修。
[0063]
具体，所述中控室用户端服务器3具有所述终端传感器1重新标定归零设置功能，用于螺栓出现松动所述终端传感器拆卸再安装后测量值重新标定。
[0064]
实施例2一种风电叶片螺栓防松监测方法
[0065]
本实施例提供了一种根据实施例1的用于监测螺栓松动的监测装置的监测方法，包括以下步骤：
[0066]
(1)在风电叶片螺栓经常损坏的前缘与后缘区域布置所述终端传感器1，具体数量以涵盖风电场具体机型叶根螺栓损坏历史数量为准；
[0067]
(2)按顺序依次在叶根螺栓和螺栓上装配所述终端传感器1的磁性编码器11，在对应螺栓位置的变桨轴承和叶根法兰间及叶根附近人孔板上安装所述终端传感器1的间隙测量传感器12，在机舱控制柜上安装机舱通讯控制器2，通过rj45网口接入风电场机组通讯环网，最后在风电场升压站中控室安装中控室用户端服务器3，并通过rj45网口接入风电场机组通讯环网。所述终端传感器1监测实时数据，首先通过磁性编码器11、光纤光栅传感器12配置的zigbee模块1113和124，无线传输至带有zigbee接收器机舱通讯控制器2，其次机舱通讯控制器2处理数据以tcp/ip方式将实时数据传输至风电场机组通讯环网中，最后实时数据被同样接入风电场机组通讯环网中中控室用户端服务器3获取，并进行数据处理、显示和松动预警；
[0068]
(3)所述中控室用户端服务器3实时收集显示所述终端传感器1数据图谱，判断所述终端传感器1数据是否超过设定角度和距离阈值，并按需给出预警信息，及时告知运维人员进行叶根螺栓精准检修，检修后所述中控室用户端服务器3执行重新标定归零设置。
[0069]
进一步地，步骤(2)中所述终端传感器1的磁性编码器11记录叶根螺栓和固定螺母松动角度，所述终端传感器1的间隙测量传感器12记录螺栓和螺母松动引发夹紧件-变桨轴承和叶根法兰间隙增加量，同时能记录叶根螺栓突发断裂所述终端传感器1的磁性编码器11未识别的松动角度特殊工况，及时捕捉到螺栓断裂后变桨轴承和叶根法兰间隙增加量，准确反映螺栓和螺母运行状态。
[0070]
进一步地，步骤(3)中所述角度和距离阈值，通过实验测试不同规格叶片螺栓预紧力在不满足设计要求时螺栓与螺母相对反旋角度值，并记录此时被夹紧件间隙增量值，标定为该型号螺栓松动阈值。
[0071]
进一步地，步骤(3)中出现叶根螺栓松动后，运维人员仅需拆卸松动螺栓及附近两颗螺栓所述所述终端传感器1的磁性编码器11，即手动掰开所述终端传感器1的磁性编码器11中跟随支架112，然后手动旋出磁性编码器11中本体111，所述终端传感器1的间隙测量传感器12因不影响打力矩而不用拆卸，然后打力矩恢复叶根螺栓预紧力，再重复安装所述终端传感器1的磁性编码器11，最后在所述中控室用户端服务器3中重新标定，整个拆卸、打力矩、安装的螺栓松动检修过程实现高效、便捷。
[0072]
具体使用时，本发明可在风电机组叶片螺栓故障频发的前缘与后缘区域布置多个终端传感器1，单台机组包含三只叶片，装配三套终端传感器1，然后在单台风电机组机舱控
制柜上装配一台机舱通讯控制器2，收集所在机组三只叶片螺栓松动监测数据，并接入风电机组通讯环网中，风电场其余机组采用同样方式和数量装配终端传感器1和机舱通讯控制器2，最后在风电场升压站中控室安装一台中控室用户端服务器3，接入风电场风电机组通讯环网中，接收该风电场所有机组叶片螺栓松动监测数据，进行数据处理，显示螺栓松动角度值和被夹紧件-变桨轴承和叶根法兰间距，并针对松动螺栓进行报警。
[0073]
本发明实施过程采用设备价格低廉、装配与维护操作简便，不影响原叶片螺栓副结构和装配关系，传感器锂电池供电、数据无线传输不依赖和影响原机组风轮内变桨系统和机舱内主控系统，能实现整个风电场风电机组叶片螺栓松动监测，及时准确发现螺栓松动故障，实施精准检修处理，开启叶片螺栓不报警则免维护模式，降低螺栓检修工作人力物力成本，同时有效规避螺栓松动、断裂处理不及时引发变桨轴承断裂、叶片坠落事故发生，大大提高了风力发电企业生产效益。
[0074]
本发明的有益效果还在于：
[0075]
(1)本发明通过测量叶片螺栓与固定螺母相对角度和被夹紧件之间缝隙间距两个关键物理量得出螺栓预紧状态，实现简单，测量准确；
[0076]
(2)本发明采用传感器具有价格低廉、安装与拆卸便捷、不改变原螺栓副结构及装配关系的优势；
[0077]
(3)本发明采用终端传感器实现锂电池供电，信号传输实现风轮与机舱之间无线传输，不影响原机组风轮内变桨系统和机舱内主控系统情况下解决风轮与机舱间通讯困难问题；
[0078]
(4)本发明将变革叶片螺栓现有计划检修模式，实现叶片螺栓不报警则免维护的精准检修模式，有效降低风电机组关键位置螺栓检修成本。
[0079]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。