风力发电机组螺栓在线检测及紧固装置的制作方法

本实用新型涉及一种风力发电机组螺栓在线检测及紧固装置。

背景技术：

螺栓连接具有工艺要求较低，结构简单、装拆方便，且结构可靠，强度高，是应用极为广泛的一类机械零件。在各种机械、设备、车辆、船舶、铁路、桥梁、建筑、结构、工具、仪器、仪表和用品等上面，都可以看到各式各样的螺栓。

然而对于重大工程及重型机械设备而言，螺栓的检测防松问题已经成为全世界范围内的重大科学瓶颈。因为对于大中型风力发电机组而言螺栓数量十分巨大，且通常在位置狭小不易检查的位置，抑或在风险很高的危险处。

根据国内外参考文献，风力发电机组容易出现很多常见的问题，例如法兰螺丝松动等。然而在目前风力发电领域中，利用自动装置检测并紧固螺栓仍是空白，国内外大部分的螺栓检测及紧固方法都是利用人力完成。由于风力发电机组过高，给维修人员检修造成了巨大风险与困难。风力发电机组因为长期工作在野外、暴晒和雷雨等恶劣环境中，其损坏率高达40％-50％。同时，由于风力发电设备的维护技术跟不上风力发电的发展速度，一旦其关键零部件（如齿轮、轴承、叶片等）发生故障，将会使设备损坏、发电机停机，带来严重的经济损失。

为保证风力发电系统可靠稳定运行，降低系统的维护成本，保证每个螺栓都处在标准扭矩范围内是十分必要的。目前国内的风力发电企业依旧通过人工攀爬来逐一检测紧固螺栓。人员攀爬检测主要采取简单的扳手检测，检测难度大风险高，效率低，此外由于是人工检测其效率和精度都难以保障，且受天气的客观因素影响较大，受环境及工程技术人员水平限制，检测及紧固质量难以保证。且此类维护技术复杂、工作量大、工期长、耗用器材多、费用高或者需对系统设备做出重大调整。

技术实现要素：

实用新型目的：

本实用新型提供一种风力发电机组螺栓在线检测及紧固装置，其目的是解决以往所存在的问题。

技术方案：

该装置主要包括两大系统，螺栓检测及紧固系统和运动系统；螺栓检测及紧固系统主要包括检测及紧固装置和扭矩输出装置；运动系统主要包括动力机构、链传动机构和运动挡块；

螺栓检测及紧固系统和运动系统均连接至PLC控制器，PLC控制器通过现场总线及现场总线转化器连接至现场计算机。

扭矩输出装置包括摆杆一、转动曲杆、摆杆二和紧固步进电机；紧固步进电机通过转动曲杆连接摆杆一和摆杆二的一端；摆杆一和摆杆二的另一端连接至检测及紧固装置；通过紧固步进电机及转动曲杆使得摆杆一与摆杆二向相反的方向摆动；

检测及紧固装置包括旋转主轴、花键套、上外旋转体和下外旋转体，上外旋转体的下端伸进下外旋转体内且上外旋转体和下外旋转体之间能发生相对转动，旋转主轴的上部通过上棘轮机构连接摆杆一，旋转主轴的下部穿过花键套伸进由上外旋转体和下外旋转体连接后构成的空腔内，在旋转主轴的底端形成紧固装置上腔，下外旋转体的底部形成紧固装置下腔，紧固装置下腔设置在紧固装置上腔的下方且与之对应；紧固装置下腔下方为对应螺栓的工位！

花键套的下部套在上外旋转体的上部且花键套与上外旋转体之间键配合，使得花键套与上外旋转体之间能做轴向相对移动，（即旋转主轴的轴向）花键套的上部分套在旋转主轴的上部的外围，在旋转主轴的上部设置有能与花键套上部的键配合的键套，花键套的下部外围套有下棘轮机构，该下棘轮机构与摆杆二连接，花键套的下部设置有外花键，当花键套上升后，花键套的上端与键套脱离，同时，花键套下部的外花键与下棘轮机构键啮合完成连接，使得花键套与下棘轮机构连动，当花键套下降后，花键套的上端与键套键啮合使得键套与旋转主轴共同转动，同时，花键套下部的外花键与下棘轮机构脱离啮合完成分离；

该装置还包括传感器和紧固控制器，传感器连接紧固步进电机和控制器，紧固步进电机连接PLC控制系统，传感器为扭矩传感器，扭矩传感器设置在摆杆一和摆杆二上，设置在位置靠近上棘轮机构和下棘轮机构（如图12和13所示）。图12中的36为信号传输导线导出孔。 当传感器监测的力达到给定值时，说明紧固动作完成，则有控制系统控制电磁控制器调节电磁拨叉的位置，从而改变齿轮套的啮合状态，进而切换两种工作状态，即螺栓的同向紧固和反向放松。

花键套的上部通过拨叉一与电磁拨叉控制器连接，通过电磁拨叉控制器实现花键套的沿旋转主轴的轴向的上升和下降移动。拨叉一通过紧固控制器控制。

下外旋转体的上部通过拨叉二连接滑块，滑块套在丝杠上且与丝杠螺纹配合，丝杠通过伞齿轮连接提升步进电机，通过提升步进电机控制滑块沿丝杠轴向升降，进而完成整个紧固装置的升降。拨叉二通过紧固控制器控制。

运动系统连接螺栓检测及紧固系统底部的基座，运动系统主要由动力系统、传动链和运动挡块组成；动力系统连接并驱动由传动链构成的传动环，运动挡块按序设置传动链外围，使用时传动链经数个张紧链轮的支撑按一定的路径运转形成传动环，当运动挡块与螺栓接触后，运动挡块就会带动基座与螺栓形成相对运动，从而达到带动整个装置向前运行的目的。此处是挡块遇到螺栓后利用反作用力使的设备沿螺栓布置方向运动。

其中外旋转体上体的固定套连接在防尘罩8上，防尘罩8与设备主体基座相连接，从而实现紧固装置与设备主体基座的连接。

在紧固装置下腔下方对应的螺栓工位的侧面设置有监测螺栓位置的位置传感器，该位置传感器连接至位置控制器，位置控制器连接动力系统和PLC控制系统。

该系统还包括辅助系统，辅助系统包括探伤检测系统、喷漆定位仪、损伤标记仪、报警系统和控制器；探伤检测系统、喷漆定位仪和损伤标记仪均设置在紧固装置下腔下方对应的螺栓工位的侧面，探伤检测系统、喷漆定位仪和损伤标记仪均连接至辅助控制器，辅助控制器连接至PLC控制系统。

优点效果：

本实用新型提供一种风力发电机组螺栓在线检测及紧固装置，本实用新型针对的是解决大中型风力发电机组螺栓松动紧固问题及螺栓损伤检测报警问题，保障了风力发电机组的可靠性、安全性。将检测技术与运动机械技术及远程控制技术进行了创新的融合。使风力发电机组的螺栓检测及紧固问题得到了突破性的解决。本实用新型可以对风力发电机组的螺栓进行逐一检测紧固，可以让设备保持最佳状态，并延长风机的使用寿命。又可解决人力定期维修存在的维修不足、维修过剩问题。因为能节省大量的人力，既保障了人员的安全，又降低了维修的成本。在风能行业蓬勃发展的今天，此设备将会拥有广阔的未开辟的市场，简单方便的螺栓检测紧固方法将有助于风能行业更加广泛地推进。所以螺栓检测及紧固装置的研制有很大的必要性，并且前景长远而光明。本实用新型还特别设计了螺栓重大损伤标记报警装置，有效的处理了上述问题，此外本实用新型还设置无线传输装置，实现了探伤设备和工程技术人员实现实时互动、信息交流及实时控制等技术突破。填补了国内此技术领域的空白。本实用新型采用的是逐一检测紧固的方式，由于风力发电机组塔筒中的螺栓数量众多且空间狭小，常规的检测紧固手段主要是人工逐一检测紧固，很难满足高效、快捷、全覆盖的检测紧固要求，本实用新型设计了螺栓检测及紧固系统可以准确的检测出螺栓的工作状态是否松动或损坏，如果出现松动则可以立即进行紧固处理，如果出现损坏则可以进行报警标记处理。

本实用新型还有自身的运动系统可以实现自动化操作，自行完成工作任务。减轻了工程技术人员的工作强度。此外本实用新型还配备了功能强大的辅助系统，如远程监控系统：工程技术人员可以远程控制和监督设备运行，损伤标记及报警系统：当设备发现损伤的螺栓则会进行报警并进行损伤位置标记。通过将传统的检测技术与运动机械技术相融合，实现对于风力发电机组塔筒螺栓的快速检测及紧固操作。

附图说明：

图1为检测原理图；

图2也为检测原理图；

图3为装置整体图；

图4为扭矩输出装置；

图5为 螺栓检测及紧固装置；

图6为上棘轮机构原理图；

图7为下棘轮机构原理图；

图8为螺栓检测及紧固装置的紧固装置状态一；

图9为螺栓检测及紧固装置的紧固装置状态二；

图10运动系统示意图；其中10-1为系统使用状态图，10-2为运动系统的主要部件图；10-3为系统主要部件的侧视图；

图11为信息及控制流程说明图；

图12为扭矩传感器放大示意图；

图13为扭矩传感器安装的具体位置示意图；

具体实施方式：

本实用新型提供一种风力发电机组螺栓在线检测及紧固装置，其特征在于：该装置主要包括两大系统，螺栓检测及紧固系统和运动系统；螺栓检测及紧固系统主要包括检测及紧固装置和扭矩输出装置；运动系统主要包括动力机构、链传动机构和运动挡块；

螺栓检测及紧固系统和运动系统均连接至PLC控制器，PLC控制器通过现场总线及现场总线转化器连接至现场计算机。

扭矩输出装置包括摆杆一1、转动曲杆2、摆杆二3和紧固步进电机4；紧固步进电机4通过转动曲杆2连接摆杆一1和摆杆二3的一端；摆杆一1和摆杆二3的另一端连接至检测及紧固装置；通过紧固步进电机4及转动曲杆2使得摆杆一1 与摆杆二3向相反的方向摆动；

检测及紧固装置包括旋转主轴11、花键套19、上外旋转体12和下外旋转体16，上外旋转体12的下端伸进下外旋转体16内且上外旋转体12和下外旋转体16之间能发生相对转动，旋转主轴11的上部通过上棘轮机构10连接摆杆一1，旋转主轴11的下部穿过花键套19伸进由上外旋转体12和下外旋转体16连接后构成的空腔内，在旋转主轴11的底端形成紧固装置上腔17，下外旋转体16的底部形成紧固装置下腔18，紧固装置下腔18设置在紧固装置上腔17的下方且与之对应；紧固装置下腔18下方为对应螺栓的工位！

花键套19的下部套在上外旋转体12的上部且花键套19与上外旋转体12之间键配合，使得花键套19与上外旋转体12之间能做轴向相对移动，（即旋转主轴11的轴向）花键套19的上部分套在旋转主轴11的上部的外围，在旋转主轴11的上部设置有能与花键套19上部的键配合的键套21，花键套19的下部外围套有下棘轮机构13，该下棘轮机构13与摆杆二3连接，花键套19的下部设置有外花键7，当花键套19上升后，花键套19的上端与键套21脱离，同时，花键套19下部的外花键7与下棘轮机构13键啮合完成连接，使得花键套19与下棘轮机构13连动，当花键套19下降后，花键套19的上端与键套21键啮合使得键套19与旋转主轴11共同转动，同时，花键套19下部的外花键7与下棘轮机构13脱离啮合完成分离；

该装置还包括传感器和紧固控制器，传感器连接紧固步进电机4和控制器，紧固步进电机4连接PLC控制系统，传感器为扭矩传感器35，扭矩传感器35设置在摆杆一1和摆杆二3上，设置在位置靠近上棘轮机构10和下棘轮机构13（如图12和13所示）。图12中的36为信号传输导线导出孔。 当传感器监测的力达到给定值时，说明紧固动作完成，则有控制系统控制电磁控制器调节电磁拨叉的位置，从而改变齿轮套的啮合状态，进而切换两种工作状态，即螺栓的同向紧固和反向放松。

花键套19的上部通过拨叉一23与电磁拨叉控制器22连接，通过电磁拨叉控制器22实现花键套19的沿旋转主轴11的轴向的上升和下降移动。拨叉一（23）通过紧固控制器控制。

下外旋转体16的上部通过拨叉二27连接滑块25，滑块25套在丝杠28上且与丝杠28螺纹配合，丝杠28通过伞齿轮连接提升步进电机24，通过提升步进电机24控制滑块25沿丝杠28轴向升降，进而完成整个紧固装置的升降。拨叉二（27）通过紧固控制器控制。

运动系统连接螺栓检测及紧固系统底部的基座37，运动系统主要由动力系统30、传动链33和运动挡块31组成；动力系统30连接并驱动由传动链33构成的传动环，运动挡块31按序设置传动链33外围，使用时传动链33经数个张紧链轮29的支撑按一定的路径运转形成传动环，当运动挡块与螺栓接触后，运动挡块就会带动基座与螺栓形成相对运动，从而达到带动整个装置向前运行的目的。此处是挡块遇到螺栓后利用反作用力使的设备沿螺栓布置方向运动。

其中外旋转体上体的固定套连接在防尘罩8上，防尘罩8与设备主体基座相连接，从而实现紧固装置与设备主体基座的连接。

在紧固装置下腔18下方对应的螺栓工位的侧面设置有监测螺栓位置的位置传感器39，该位置传感器39连接至位置控制器，位置控制器连接动力系统30和PLC控制系统。

该系统还包括辅助系统，辅助系统包括探伤检测系统、喷漆定位仪38、损伤标记仪、报警系统和控制器；探伤检测系统、喷漆定位仪38和损伤标记仪均设置在紧固装置下腔18下方对应的螺栓工位的侧面，探伤检测系统、喷漆定位仪38和损伤标记仪均连接至辅助控制器，辅助控制器连接至PLC控制系统。

下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明：

检测原理 如图1和2所示，

本实用新型采用了嵌入式逐一检测紧固方式，利用设备自身的结构特点，在安装调试时，直接将螺栓嵌入设备之中，利用螺栓与设备之间的形锁和实现设备的固定及运行。本实用新型的运动系统主要由步进电机、链传动机构及运动挡块组成。运动机构使整个设备到达指定工作位置，而后由检测及紧固装置进行操作，如果发现螺栓松动则进行紧固，如果发现损伤则进行报警及标记。装置逐一检测紧固每个螺栓直至完成所有工作任务。

机械设备详细说明如图3所示：

本实用新型大致可以分为三大系统，螺栓检测及紧固系统：主要由检测及紧固装置，扭矩输出装置，位置控制装置组成。运动系统：主要由动力机构，链传动机构，运动挡块组成。辅助系统：包括损伤报警及标记系统，远程监控及控制系统，损伤螺栓定位标记系统等。

螺栓紧固系统如图4和5所示，位置控制系统结构简单，由提升步进电机24驱动丝杠转动，从而实现滑块25带动拨叉二27上下直线运动进而控制装置的上下位置从而达到紧固装置上腔17和紧固装置下腔18夹持和放松螺母的操作。拨叉一23由电磁拨叉控制器22控制，从而控制装置工作状态。

螺栓紧固系统主要由扭矩输出装置、螺栓检测紧固装置及位置控制装置组成。

扭矩输出装置如图4所示，扭矩由步进电机4输出至转动曲杆2，由摆杆一 1和摆杆二3传递给图5的螺栓检测及紧固装置。

注：图5中8为防尘罩，5为摆杆支撑块。

扭矩经扭矩输出装置经摆杆一、摆杆二传递至上棘轮机构10和下棘轮机构13，通过棘轮装置可以将摆杆的往复摆动运动转化为紧固装置的转动，达到旋转紧固螺栓的目的。

螺栓检测及紧固装置原理如图8：

首先装置处于状态一，即花键套19的上端花键20与旋转主轴11上的键套的花键啮合。下棘轮机构13的内花键29未与花键套的外花键30啮合。花键套下端内花键6始终与紧固装置的外旋转体12的外腔上部分啮合。

扭矩经摆杆一传至旋转主轴11，再经花键传递至花键套19，再由花键套传递至上外旋转体12，最后由上外旋转体12和下外旋转体16连接处的花键14传递至下外旋转体16。

这样状态一就实现了紧固装置上腔17和下腔18的同向旋转，也就是双螺母的同向拧紧过程。

当装置处于状态二如图9所示，即花键套19的上端花键20与旋转主轴上的键套21上的花键脱啮合。下棘轮机构的内花键29与花键套的下端外花键啮合。花键套下端内花键6始终与紧固装置的上外旋转体12外腔啮合。

扭矩经摆杆一传至旋转主轴11，再由主轴上下部分连接处的花键传递至螺母紧固上腔17。

扭矩经摆杆二传至下棘轮机构再由棘轮套的内花键传递至花键套19，再由花键套传递至上外旋转体12，最后由花键传递至下外旋转体16。

这样状态二就实现了紧固装置上腔和下腔的反向旋转，也就是双螺母的反向防松拧紧过程。状态一与状态二的切换由扭矩传感器检测数据，系统通过电磁拨叉控制器22自动控制。

运动系统：

运动系统：主要由动力系统，链传动系统，运动挡块组成。

运动系统的工作原理主要为，步进电机输出的转矩经链轮传递给链传动机构，传动链经数个张紧链轮的支撑，按一定的路径运转，运动挡块按一定间距布置在传动链上。当运动挡块与螺栓接触后，运动挡块就会带动整个设备与螺栓形成相对运动，从而达到机械设备向前运行的目的。

辅助系统介绍：

本实用新型为了更好地完成工程任务，除主要工作系统外还设置了众多功能强大的辅助系统。

如摄像探头远程监控系统，主要检查螺栓表面是否有锈蚀、局部脱落、严重污渍等现象。标记及报警系统主要对程度严重的锈蚀、损伤等设备无法解决的螺栓进行标记并报警，使工程技术人员方便快捷的确定问题螺栓。一旦发生报警检测及紧固装置暂停一切动作，等待工程技术人员指令。并且在损伤部位喷射红色标记油漆标记。标记油漆是特制的油漆，会随着时间的推移自行分解，不会污染设备。

螺栓在线检测及紧固装置运行过程说明：

在实际应用的过程中，首先需要由工程技术人员将机械设备安装于所要检测及紧固螺栓的法兰盘起始位置处。安装要求：保证各个机械设备的相对位置精度。并且进行调试，检测各个部件是否工作正常，传感器的工作状态及信息传输是否畅通无误。

在安装调试完毕后就可以进行正常的检测及紧固工作了。

步骤一:首先运动系统动作，直至检测及紧固装置到达工作位置。然后丝杠滑块机构动作，检测及紧固装置与螺母扣合，由电磁拨叉控制完成两种工作状态。完成检测及紧固工作之后检测及紧固装置复位。

步骤二：运动装置继续向前运行直至检测及紧固装置到达下一工作位置。

如此重复步骤一二，即可以完成全部螺栓的检测与紧固。