风力发电机基础锚栓预紧力矩检测系统及检测方法与流程

本发明涉及风电领域，特别涉及一种风力发电机基础锚栓预紧力矩检测系统及检测方法。

背景技术：

风力发电以其能源蕴藏量大、环境破坏小、装机速度快、投资回收期短等优点受到各国广泛重视，至2020年末，世界风机建造总容量将接近800gw，中国装机量有望达200gw。然而，随着我国内陆风机装机规模的不断扩大，作为主要承重部件的风机基础问题逐渐呈现出来。我国风机使用寿命仅为20年，但在实际工程中存在部分机组在运行的前2～5年内就出现因基础疲劳损伤而导致机组无法正常运行的情况，问题严重的甚至需拆除重建，造成了巨大的经济损失。

在风机基础风致疲劳损伤中，基础锚栓预紧力矩损失过大和失效是最为常见和易发的严重问题，常引发风机停机，造成重大的经济损失。为预防基础锚栓预紧力矩损失过大或失效导致的严重后果，最直接和有效的途径之一就是提出一种简单、快速的无损检测方法，通过它迅速地检测出待测基础锚栓的预紧力矩大小，判断其预紧程度，从而及时指导基础锚栓的再次预紧与加固，避免预紧力矩损失过大或失效导致风机产生严重事故。

目前评估与控制风力发电机基础锚栓预紧力矩的方法，是根据千斤顶的液压压力与扭矩扳手输出的预紧力矩之间的线性关系，推算基础锚栓的预紧力矩。该方法仅能在基础锚栓施加预紧力矩过程中使用，对于风机运营过程中基础锚栓的预紧力矩无法及时、准确地无损检测。如以此方式，定期对风力发电机的所有基础锚栓进行再次预紧，则无法对症下药，导致再次预紧工期长、成本高。

因此面对目前因风力发电机基础锚栓预紧力矩损失过大或失效导致的严重后果，发明简单可靠、快速、无损的基础锚栓预紧力矩检测系统，对减少相关事故发生，保证风力发电机组的正常运营具有重要的意义。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低的风力发电机基础锚栓预紧力矩检测系统，并提供一种风力发电机基础锚栓预紧力矩检测方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种风力发电机基础锚栓预紧力矩检测系统，包括基础锚栓、基础底法兰、上锚板、下锚板、加速度传感器、动态信号采集与分析仪、激振手锤，风力发电机基础混凝土中竖直插设两根相互平行的基础锚栓，两根基础锚栓下端通过下锚板连接固定，两根基础锚栓上端外露出混凝土且外露段通过依次设置上锚板、基础底法兰，两根基础锚栓的顶端和底端均通过设置基础螺母ⅰ固定，所述激振手锤紧贴基础锚栓上端设置，加速度传感器经磁力吸座吸附于基础锚栓顶端，加速度传感器的信号输出端与动态信号采集与分析仪连接。

上述风力发电机基础锚栓预紧力矩检测系统，所述动态信号采集与分析仪包括a/d信号采集系统、信号分析显示系统、频率读入系统、预紧力矩计算系统、微机系统、液晶显示触摸屏，所述a/d信号采集系统的输入端与加速度传感器的信号输出端连接，a/d信号采集系统的输出端、信号分析显示系统、频率读入系统、预紧力矩计算系统、微机系统、液晶显示触摸屏依次连接。

上述风力发电机基础锚栓预紧力矩检测系统，所述基础锚栓上位于上锚板和下锚板之间的部分套设有pe管。

一种风力发电机基础锚栓预紧力矩检测方法，包括以下步骤：

步骤一：建立风力发电机基础锚栓锚固体系力学模型，设基础螺母ⅰ与基础底法兰的法向接触刚度为k，基础螺母ⅰ与基础底法兰视刚度为k的弹簧联结；设基础锚栓螺纹与基础螺母ⅰ螺纹相互作用刚度为kst，视基础锚栓螺纹与基础螺母ⅰ螺纹为刚度kst的弹簧联结，建立风力发电机基础锚栓锚固系统弯曲振动力学模型；

步骤二：计算基础螺母ⅰ螺纹与基础锚栓螺纹相互作用刚度kst的均布值ks，并推导基础锚栓锚固系统固有频率方程；

步骤三：用液压扭矩扳手分级预紧基础螺母ⅰ，从设计预紧力矩的25％开始，每级增加设计预紧力矩的25％，至设计预紧力矩；完成每级预紧后，测量相应预紧力矩下锚栓外露段的长度l2，根据风力发电机基础的设计图纸确定锚栓预紧段的长度l3；

步骤四：在基础锚栓外露段顶部侧面安装加速度传感器，并将加速度传感器连接到动态信号采集与分析仪，在基础锚栓外露段的顶端通过激振手锤施加瞬态激励，加速度传感器采集得到振动信号并送入动态信号采集与分析仪，动态信号采集与分析仪分析振动信号获得风力发电机基础锚栓振动固有频率，然后基于步骤一建立的力学模型和步骤二的固有频率方程，得到法向接触刚度k；最后基于接触面法向接触刚度k与接触面的法向力呈单调递增关系、基础锚栓轴力与基础锚栓预紧力矩呈线性关系，间接识别风力发电机基础锚栓预紧力矩。

上述风力发电机基础锚栓预紧力矩检测方法，所述步骤一具体步骤为：

假定：1)基础螺母ⅰ、基础锚栓在基础螺母ⅰ与基础底法兰接触面无y方向位移；2)基础螺母ⅰ与基础锚栓通过螺纹接触传递轴力，视为刚度为kst的弹簧联结，3)横向弯曲时允许y方向基础螺母ⅰ与基础锚栓产生滑移，忽略滑移对弯曲的影响；

以基础螺母ⅰ与基础底法兰接触面形心为坐标原点o，基础锚栓轴向为x轴方向，垂直于基础锚栓轴向为y轴方向，建立二维平面直角坐标系；设基础螺母ⅰ段、基础螺母ⅰ段的基础锚栓、基础锚栓外露段挠曲线方程分别为：

y1＝a11x³+a12x²+a13xx∈0,l(1)

y2＝b11x³+b12x²+b13xx∈0,l(2)

y3＝c11x³+c12x²+c13x+c14x∈0,l+l2(3)

式(1)-(3)中：x为沿基础锚栓轴向的坐标，y1、y2、y3分别为基础锚栓螺母段、基础锚栓螺母段的锚栓、基础锚栓外露段的挠度，a11、a12、a13、b11、b12、b13、c11、c12、c13、c14为待定系数；l为基础螺母ⅰ高度，l2为基础锚栓外露段长度；在单位力p作用下，设基础螺母ⅰ、基础锚栓的抗弯刚度分别为ei1、ei2，基础螺母ⅰ与基础底法兰接触面弯矩平衡方程为：

ei1y″1|x＝0＝y′1|x＝0kr²(4)

式中，y′1、y″1分别表示基础锚栓螺母段挠度的一阶导数与二阶导数，k为基础螺母ⅰ与基础底法兰接触面的法向接触刚度，r为基础螺母ⅰ的内圆半径与外切圆半径之和的二分之一，同时基础螺母ⅰ顶面弯矩平衡方程为：

ei1y″1|x＝l＝0(5)

基础锚栓在基础螺母ⅰ与基础底法兰接触面弯矩平衡方程为：

ei2y″2|x＝0＝y′2|x＝0kα(6)

式中，y′2、y″2分别表示基础锚栓螺母段的锚栓挠度的一阶导数与二阶导数，kα为锚栓预紧段的抗弯刚度，基于小变形忽略轴力对弯曲的耦合作用，l3为锚栓预紧段长度，基于基础锚栓弯矩连续有：

ei2y″2|x＝l＝-l2(7)

基础锚栓弯矩平衡方程：

式中ks为基础螺母ⅰ、基础锚栓螺纹相互作用弹簧刚度kst的均布值，ks＝kst/螺距，l1＝l+l2，r1为基础锚栓直径的一半，基础锚栓锚固系统弯矩平衡方程为：

由(4)-(9)式，根据基础螺母ⅰ段的基础锚栓、基础锚栓外露段挠曲线方程连续条件得到(1)-(3)式系数为：

c13＝(3b11l²+2b12l+b13)，c14＝b11l³+b12l²+b13l

其中：

上述风力发电机基础锚栓预紧力矩检测方法，所述步骤二具体步骤为：

令dt、dv、ds分别为基础螺母ⅰ直径、基础锚栓公称直径、基础锚栓的螺纹最外缘直径，le，lp，lz，h，λ，φ分别为基础锚栓螺纹螺距、基础锚栓螺纹底宽、基础锚栓一圈螺纹长度、基础锚栓螺纹高度、基础锚栓螺纹上侧面倾角、基础锚栓下侧面倾角；设δs为基础锚栓螺纹作用于基础螺母ⅰ螺纹的位移，视螺纹高度方向为悬臂梁，悬臂梁的长度为基础锚栓螺纹高度h，设螺纹接触面传递的轴向力为psti，作用位置为h/2处；以基础锚栓螺纹的底面中心为坐标原点o，螺纹高度方向为β轴方向，垂直于螺纹高度方向为γ轴方向，建立二维平面直角坐标系，由图乘法得δs：

式中，β为沿螺纹高度方向的坐标，表示单位荷载作用在螺纹接触线中点的螺纹弯矩，mp表示均布荷载作用在基础锚栓螺纹上的弯矩，psti为螺纹接触面传递的轴向力，e为螺纹材料的弹性模量，ip为基础锚栓螺纹截面的惯性矩，近似计算lz＝πds、λ＝φ＝45°；相关参数代入(10)，令得到δs显示表达为：

同理得基础螺母ⅰ螺纹作用于基础锚栓螺纹的位移δt：

基础螺母ⅰ与基础锚栓螺纹相互作用刚度为：

由(13)式得：

ks＝kst/le(14)。

上述风力发电机基础锚栓预紧力矩检测方法，所述步骤二中，在单位力p作用下，基础锚栓锚固系统最大势能umax与最大动能tmax分别为：

式中m1、m2为基础螺母ⅰ、基础锚栓单位长度质量，ω为一阶固有频率由能量守恒定理、(15)、(16)式得到力学模型的一阶固有频率近似方程为：

上述风力发电机基础锚栓预紧力矩检测方法，所述步骤四中，通过测试获得一阶固有频率ω，按(14)式计算螺纹联结刚度均布值ks，代入式(1)-(3)中的相关参数至(17)式中，求解基础螺母ⅰ与基础底法兰的法向接触刚度k；

接触面法向接触刚度k与接触面的法向力呈单调递增关系，基础锚栓轴力与基础锚栓预紧力矩m呈线性关系，因此，法向接触刚度k与锚栓预紧力矩m表示为：m＝ak+b，其中a、b为拟合参数，通过代入k到锚栓预紧力矩m与法向接触刚度k的关系式，获得锚栓预紧力矩m。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的检测系统结构简单、便于携带，能适应风力发电机基础锚栓预紧力矩的大面积检测要求，具有快速、无损检测与安全使用的功能，不仅可以对风力发电机基础锚栓预紧力矩进行定期检测，还可以实现对预紧力矩的实时监测与预警

2、本发明的检测系统中，加速度传感器是经磁力吸座吸附于风力发电机基础锚栓外露段顶部，它与风力发电机基础锚栓的联结或分离均十分方便，使得检测系统的传感器可以重复使用，检测成本低。

3、本发明的检测方法中，首先建立风力发电机基础锚栓锚固系统弯曲振动力学模型；然后推导基础锚栓锚固系统固有频率方程；接着在基础锚栓外露段的顶端通过激振手锤施加瞬态激励，加速度传感器采集得到振动信号并送入动态信号采集与分析仪，动态信号采集与分析仪分析振动信号获得风力发电机基础锚栓振动固有频率，然后基于力学模型和固有频率方程，得到法向接触刚度k；最后基于接触面法向接触刚度k与接触面的法向力呈单调递增关系、基础锚栓轴力与基础锚栓预紧力矩呈线性关系，间接识别风力发电机基础锚栓预紧力矩，检测方法能够检测风致疲劳导致的风力发电机基础锚栓预紧力矩损失过大和失效问题，对指导基础锚栓再次预紧与加固、避免预紧力矩损失过大或失效导致风机产生严重事故具有重要的技术、经济效益，商业前景可观。

附图说明

图1为本发明的风力发电机基础锚栓预紧力矩检测系统的结构示意图。

图2为本发明的风力发电机基础锚栓预紧力矩检测系统的电路结构框图。

图3为本发明的振动力学模型图。

图4为本发明的基础螺母ⅰ截面图。

图5为本发明的基础锚栓截面图。

图6为本发明的基础锚栓螺纹空间示意图。

图7为本发明的基础锚栓螺纹局部放大图。

图8为本发明风力发电机基础锚栓预紧力矩标定与检测流程图。

图中：1、基础锚栓外露段；2、基础螺母ⅰ；3、基础底法兰；4、上锚板；5、pe管；6、螺母ⅲ；7、下锚板；8、基础锚栓；9、混凝土；10、基础锚栓预紧段；11、加速度传感器；12、动态信号采集与分析仪；13、激振手锤；14、液压扭矩扳手。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种风力发电机基础锚栓预紧力矩检测系统，包括基础锚栓8、基础底法兰3、上锚板4、下锚板7、加速度传感器11、动态信号采集与分析仪12、激振手锤13，风力发电机基础混凝土9中竖直插设两根相互平行的基础锚栓8，两根基础锚栓8下端通过下锚板7连接固定，两根基础锚栓8上端外露出混凝土9且基础锚栓外露段1通过依次设置上锚板4、基础底法兰3，两根基础锚栓8的顶端和底端均通过设置基础螺母ⅰ2固定，所述基础锚栓8上位于上锚板4和下锚板7之间的部分套设有pe管5；所述激振手锤13紧贴基础锚栓外露段1上端设置，加速度传感器11经磁力吸座吸附于基础锚栓外露段1顶端，加速度传感器11的信号输出端与动态信号采集与分析仪12连接。

所述动态信号采集与分析仪包括a/d信号采集系统、信号分析显示系统、频率读入系统、预紧力矩计算系统、微机系统、液晶显示触摸屏，所述a/d信号采集系统的输入端与加速度传感器的信号输出端连接，a/d信号采集系统的输出端、信号分析显示系统、频率读入系统、预紧力矩计算系统、微机系统、液晶显示触摸屏依次连接。

一种风力发电机基础锚栓预紧力矩检测方法，包括以下步骤：

步骤一：建立风力发电机基础锚栓锚固体系力学模型，设基础螺母ⅰ2与基础底法兰3的法向接触刚度为k，基础螺母ⅰ2与基础底法兰3视刚度为k的弹簧联结；如图3(a放大)所示，设基础锚栓8螺纹与基础螺母ⅰ2螺纹相互作用刚度为kst，视基础锚栓8螺纹与基础螺母ⅰ2螺纹为刚度kst的弹簧联结，建立风力发电机基础锚栓锚固系统弯曲振动力学模型。具体步骤为：

假定：1)基础螺母ⅰ2、基础锚栓8在基础螺母ⅰ2与基础底法兰3接触面无y方向位移；2)基础螺母ⅰ2与基础锚栓8通过螺纹接触传递轴力，视为刚度为kst的弹簧联结，3)横向弯曲时允许y方向基础螺母ⅰ2与基础锚栓8产生滑移，忽略滑移对弯曲的影响；

如图3所示，以基础螺母ⅰ与基础底法兰接触面形心为坐标原点o，基础锚栓轴向为x轴方向，垂直于基础锚栓轴向为y轴方向，建立二维平面直角坐标系。设基础螺母ⅰ段、基础螺母ⅰ段的基础锚栓、基础锚栓外露段挠曲线方程分别为：

y1＝a11x³+a12x²+a13xx∈0,l(1)

y2＝b11x³+b12x²+b13xx∈0,l(2)

y3＝c11x³+c12x²+c13x+c14x∈0,l+l2(3)

式(1)-(3)中：x为沿基础锚栓轴向的坐标，y1、y2、y3分别为基础锚栓螺母段、基础锚栓螺母段的锚栓、基础锚栓外露段的挠度，a11、a12、a13、b11、b12、b13、c11、c12、c13、c14为待定系数；l为基础螺母ⅰ高度，l2为基础锚栓外露段长度；如图3所示，在单位力p作用下，设基础螺母ⅰ2、基础锚栓8的抗弯刚度分别为ei1、ei2，基础螺母ⅰ2与基础底法兰3接触面弯矩平衡方程为：

ei1y″1|x＝0＝y′1|x＝0kr²(4)

式中，y′1、y″1分别表示基础锚栓螺母段挠度的一阶导数与二阶导数，k为基础螺母ⅰ2与基础底法兰3接触面的法向接触刚度，r为基础螺母ⅰ的内圆半径与外切圆半径之和的二分之一，同时基础螺母ⅰ顶面弯矩平衡方程为：

ei1y″1|x＝l＝0(5)

基础锚栓8在基础螺母ⅰ2与基础底法兰3接触面弯矩平衡方程为：

ei2y″2|x＝0＝y′2|x＝0kα(6)

式中，y′2、y″2分别表示基础锚栓螺母段的锚栓挠度的一阶导数与二阶导数，kα为锚栓预紧段10的抗弯刚度，基于小变形忽略轴力对弯曲的耦合作用，l3为锚栓预紧段长度，基于基础锚栓弯矩连续有：

ei2y″2|x＝l＝-l2(7)

基础锚栓弯矩平衡方程：

式中ks为基础螺母ⅰ2、基础锚栓8螺纹相互作用弹簧刚度kst的均布值，ks＝kst/螺距，l1＝l+l2，r1为基础锚栓8直径的一半，基础锚栓锚固系统弯矩平衡方程为：

由(4)-(9)式，根据基础螺母ⅰ段的基础锚栓、基础锚栓外露段挠曲线方程连续条件得到(1)-(3)式系数为：

c13＝(3b11l²+2b12l+b13)，c14＝b11l³+b12l²+b13l

其中：

步骤二：计算基础螺母ⅰ2螺纹与基础锚栓8螺纹相互作用刚度kst的均布值ks，并推导基础锚栓锚固系统固有频率方程。具体步骤为：

如图4、图5所示，令dt、dv、ds分别为基础螺母ⅰ直径、基础锚栓公称直径、基础锚栓的螺纹最外缘直径。如图7所示，以基础锚栓螺纹的底面中心为坐标原点o，螺纹高度方向为β轴方向，垂直于螺纹高度方向为γ轴方向，建立二维平面直角坐标系。在图6、图7中le，lp，lz，h，λ，φ分别为基础锚栓螺纹螺距、基础锚栓螺纹底宽、基础锚栓一圈螺纹长度、基础锚栓螺纹高度、基础锚栓螺纹上侧面倾角、基础锚栓下侧面倾角；图3(a放大)所示，设δs为基础锚栓螺纹作用于基础螺母ⅰ螺纹的位移，视螺纹高度方向为悬臂梁，悬臂梁的长度为基础锚栓螺纹高度h，设螺纹接触面传递的轴向力为psti，作用位置为h/2处，由图乘法得δs：

式中，β为沿螺纹高度方向的坐标，表示单位荷载作用在螺纹接触线中点的螺纹弯矩，mp表示均布荷载作用在基础锚栓螺纹上的弯矩，psti为螺纹接触面传递的轴向力，e为螺纹材料的弹性模量，ip为基础锚栓螺纹截面的惯性矩，近似计算lz＝πds、λ＝φ＝45°；相关参数代入(10)，令得到δs显示表达为：

同理得基础螺母ⅰ螺纹作用于基础锚栓螺纹的位移δt：

基础螺母ⅰ与基础锚栓螺纹相互作用刚度为：

由(13)式得：

ks＝kst/le(14)

如图3所示，在单位力p作用下，基础锚栓锚固系统最大势能umax与最大动能tmax分别为：

式中m1、m2为基础螺母ⅰ、基础锚栓单位长度质量，ω为一阶固有频率由能量守恒定理、(15)、(16)式得到力学模型的一阶固有频率近似方程为：

步骤三：如图8所示，用液压扭矩扳手分级预紧基础螺母ⅰ2，从设计预紧力矩的25％开始，每级增加设计预紧力矩的25％，至设计预紧力矩；完成每级预紧后，测量相应预紧力矩下锚栓外露段的长度l2，根据风力发电机基础的设计图纸确定锚栓预紧段10的长度l3。

步骤四：在基础锚栓外露段顶部侧面安装加速度传感器11，并将加速度传感器11连接到动态信号采集与分析仪12，采样频率20khz，在基础锚栓外露段的顶端采用激振手锤13击振基础锚栓外露段顶部侧面(击振锤锤头材料为邵氏硬度d60氯丁橡胶，重量300g)施加瞬态激励，加速度传感器11采集得到振动信号并送入动态信号采集与分析仪12，动态信号采集与分析仪12分析振动信号获得相应预紧力矩下基础锚栓横向振动的加速度时域信号，进行fft变换并拾取加速度频谱图上的一阶频率，该测试频率即为一阶固有频率ω，然后基于步骤一建立的力学模型和步骤二的固有频率方程，得到法向接触刚度k；最后基于接触面法向接触刚度k与接触面的法向力呈单调递增关系、基础锚栓轴力与基础锚栓预紧力矩呈线性关系，间接识别风力发电机基础锚栓预紧力矩。

通过测试获得一阶固有频率ω，按(14)式计算螺纹联结刚度均布值ks，代入式(1)-(3)中的相关参数至(17)式中，求解基础螺母ⅰ2与基础底法兰3的法向接触刚度k；

根据相关文献报导，接触面法向接触刚度k与接触面的法向力呈单调递增关系，基础锚栓轴力(接触面法向力)与基础锚栓预紧力矩m呈线性关系，因此，重复上述过程，完成3根预应力筋试验，法向接触刚度k与锚栓预紧力矩m表示为：m＝ak+b，其中a、b为拟合参数，通过代入k到锚栓预紧力矩m与法向接触刚度k的关系式，获得锚栓预紧力矩m。