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近年來，全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，中國 已經(jīng)成為全球風(fēng)力發(fā)電規(guī)模大、增 長快的市場，截至2018年國內(nèi)風(fēng)電 累計(jì)裝機(jī)容量約210000千瓦，同比增 長11.2%，累計(jì)裝機(jī)量位居全球。然而由于我國 風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)的研究起步晚，整機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)高 度依賴國外，快速發(fā)展也帶來了很多問題，風(fēng)電運(yùn) 維壓力逐步增加，風(fēng)電機(jī)組著火、飛車等事故時(shí)有 發(fā)生。尤其是風(fēng)電機(jī)組塔筒，作為整個風(fēng)電機(jī)組的 支撐系統(tǒng)，對保障風(fēng)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行起著舉 足輕重的作用，但由于制造、安裝質(zhì)量不合格，設(shè) 備巡檢、運(yùn)行維護(hù)檢查不到位，導(dǎo)致倒塔事故頻頻 發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失 [1]。

目前影響塔筒安全運(yùn)營的主要問題有地基不均 勻沉降或松動、塔筒異常傾斜與彎曲、塔筒法蘭螺 栓疲勞失效。針對前兩個問題已經(jīng)出現(xiàn)了大量的研 究報(bào)道，對塔筒地基、傾斜動態(tài)、靜態(tài)監(jiān)測提出了 多種技術(shù)方案，本文關(guān)注第三個問題法蘭螺栓疲勞 失效問題。風(fēng)電機(jī)組的塔式結(jié)構(gòu)使塔筒承擔(dān)機(jī)艙及 葉片的自重及風(fēng)的水平荷載，由于風(fēng)速的時(shí)變特性， 導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在交變載荷工況下，隨著運(yùn)行時(shí) 間的增加，塔筒的連接螺栓承受的交變應(yīng)力作用易 引發(fā)其疲勞失效，如果定檢過程中沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)將 引發(fā)較為嚴(yán)重的后果。

當(dāng)前，塔筒螺栓在線監(jiān)測是一個未被滿足的工 業(yè)需求，還沒有建立廣泛認(rèn)可的監(jiān)測手段和行業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)。經(jīng)過文獻(xiàn)檢索，發(fā)現(xiàn)有少量的報(bào)道涉及這個領(lǐng)域， 這些報(bào)道關(guān)注螺栓松動與螺栓形變監(jiān)測，采用的解決方案有電路回路技術(shù)、振動 - 應(yīng)力復(fù)合傳感技術(shù)、 光纖光柵技術(shù)、智能螺栓等，接下來將分別介紹。

1 電路回路技術(shù)螺栓松動報(bào)警技術(shù)

采用電路回路技術(shù)對螺栓松動實(shí)現(xiàn)報(bào)警。其技 術(shù)原理是將螺栓松動位移量轉(zhuǎn)換成檢測電路的開關(guān) 量實(shí)現(xiàn)預(yù)警（圖1），該方案將檢測電路（A 預(yù)警電 路，B 報(bào)警電路）的開關(guān)與檢測螺栓松動的裝置綁 定，螺栓的松動帶動開關(guān)位移，當(dāng)位移量變大、使 得電路形成閉合回路時(shí)即可實(shí)現(xiàn)預(yù)警或報(bào)警。該技 術(shù)在風(fēng)力發(fā)電塔塔筒法蘭螺栓及基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力錨栓防 松監(jiān)測方面可達(dá)到監(jiān)測技術(shù)的經(jīng)濟(jì)、快速和便利， 不足之處在于無法實(shí)時(shí)獲取螺栓的工況信息 [2]。

2 振動 - 應(yīng)力復(fù)合傳感技術(shù)

本技術(shù)是利用振動對磁場的調(diào)制作用和壓阻效 應(yīng)原理，設(shè)計(jì)的一種能同時(shí)監(jiān)測風(fēng)電塔筒振動狀況 和法蘭盤螺栓松緊狀況的振動 -應(yīng)力復(fù)合傳感器 （圖2），可有效解決風(fēng)電塔筒法蘭盤螺栓松動的早期監(jiān)測問題，顯著提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全性，防止重大事故的發(fā)生 [3]。

在使用時(shí)本發(fā)明整個傳感器安裝在靠近螺栓的法蘭盤上，激勵線圈在一定頻率的正弦電流作用下， 將在振動梁與基底之間的傳感器氣隙內(nèi)產(chǎn)生交變磁 場，并在下方的法蘭盤內(nèi)產(chǎn)生渦流場和感應(yīng)磁場。當(dāng)風(fēng)電塔筒振動時(shí)振動梁將產(chǎn)生形變，使傳感器的氣隙磁場發(fā)生變化 ；磁敏元件能感受到磁場的變化并轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化 ；當(dāng)傳感器下方的法蘭盤 存在應(yīng)力變化時(shí)，其電導(dǎo)率也會產(chǎn)生微小的改變， 導(dǎo)致渦流場和感應(yīng)磁場變化，而這一變化同樣可以 被磁敏元件感受到并轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化。

當(dāng)螺栓存在松動時(shí)，螺栓孔四周承受的壓應(yīng)力 會明顯減小，導(dǎo)致材料的電阻率上升 ( 壓阻效應(yīng) )、 電導(dǎo)率下降。因此，本實(shí)施例的監(jiān)測風(fēng)電塔筒法蘭 盤螺栓的振動 - 應(yīng)力復(fù)合傳感器既能監(jiān)測風(fēng)電塔筒 的振動 ( 這是螺栓松動的根源 )，又能監(jiān)測螺栓的松 動程度 ( 在螺母未發(fā)生明顯轉(zhuǎn)動時(shí)就可監(jiān)測到 )，從 而有助于實(shí)現(xiàn)螺栓松動的早期預(yù)報(bào)。由于振動信號 是動態(tài)的、而應(yīng)力變化是準(zhǔn)靜態(tài)的，因此振動和應(yīng) 力可通過對傳感器輸出信號的頻譜分析來區(qū)分。

3 光纖光柵技術(shù)

該技術(shù)基于光纖光柵技術(shù)監(jiān)測螺栓的形變彎曲。將光柵與螺栓緊密貼附，光柵跟隨螺栓的形變而產(chǎn)生 光信號變化，這種變化被解調(diào)器解析，從而實(shí)現(xiàn)螺 栓形變監(jiān)測（圖3）。這種基于光纖光柵的高強(qiáng)度風(fēng) 電塔筒螺栓監(jiān)測系統(tǒng)，與傳統(tǒng)電類傳感器相比，抗 電磁干擾、耐腐蝕、傳輸距離長。與增敏光纖光柵 技術(shù)比，采用了雙光柵結(jié)構(gòu)，光柵與螺栓緊密接觸， 幾乎融為一體，能夠直接反應(yīng)螺栓情況，可以快速響 應(yīng)螺栓的變化，因此適用于靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測也適 合動應(yīng)變監(jiān)測，采用了雙光柵結(jié)構(gòu)，能夠有效掌握 螺栓的熱應(yīng)變，從而可以更精細(xì)的區(qū)分應(yīng)變來源 [4]。

4 應(yīng)變式智能螺栓

智能螺栓的緊固件本體包括形變部和連接部，所述形變部與一測量單元連接，當(dāng)所述緊固件本體 安裝時(shí)，所述連接部帶動所述形變部變形進(jìn)而促使 所述測量單元移動生成一位移量。本發(fā)明還公開了 一種智能緊固件的監(jiān)測系統(tǒng)。本發(fā)明的智能緊固件 能夠通過測量單元測量的位移量而得到形變部的形 變量，進(jìn)而通過人工計(jì)算或者預(yù)定公式推算出預(yù)緊 力，與現(xiàn)有技術(shù)的預(yù)緊應(yīng)力指示螺栓相比具有精度 高、結(jié)果數(shù)據(jù)化的優(yōu)點(diǎn)（圖4）[5]。

5超聲式智能螺栓（補(bǔ)充）

螺栓在自由狀態(tài)下，螺栓內(nèi)部不存在預(yù)緊力，而螺栓在緊固狀態(tài)下，由于預(yù)緊力的作用，螺栓將發(fā)生形變，因此此時(shí)螺栓的變形量為ΔL，螺栓監(jiān)測系統(tǒng)依據(jù)ΔL與預(yù)緊力F之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，計(jì)算得到預(yù)緊力F，該數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

其中，F(xiàn)為螺栓的預(yù)緊力；E為螺栓材質(zhì)的彈性模量；S為螺栓截面積；ΔL 為螺栓的變形量；L為螺栓副的裝夾長度。依據(jù)公式（1），螺栓監(jiān)測系統(tǒng)依據(jù)ΔL計(jì)算得到當(dāng)前智能螺栓的預(yù)緊力F。

螺栓監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)射和接收超聲波脈沖電信號、測量并計(jì)算發(fā)射和回波電信號之間時(shí)間差。螺栓在自由狀態(tài)下，發(fā)射和接收電信號之間的時(shí)間差為T0，螺栓在緊固狀態(tài)下，螺栓發(fā)射和接收電信號之間的時(shí)間差為T1，由此依據(jù)電信號收發(fā)時(shí)間差與螺栓的變形量的關(guān)系，得到螺栓的變形量，式中v為機(jī)械縱波在螺栓內(nèi)的傳播速度，終由螺栓監(jiān)測系統(tǒng)依據(jù)ΔL并結(jié)合公式（1）可得到當(dāng)前狀態(tài)下的監(jiān)測螺栓的預(yù)緊力。螺栓監(jiān)測系統(tǒng)測量原理示意圖參見圖2。

6視覺螺栓軸力松動監(jiān)測（補(bǔ)充）

nutFACE是一種基于視覺深度學(xué)習(xí)的螺栓軸力檢測、監(jiān)測系統(tǒng)，攝像頭對螺栓進(jìn)行拍照或者錄像，并可將視頻分解為以幀格式的圖像；螺栓標(biāo)記裝置安裝在螺栓附近的可視范圍內(nèi)，標(biāo)記裝置確定螺栓連接的空間相對位置，以用于在不同角度拍攝多個螺栓中，識別、測量不同螺栓個體；nutFACE通過深度學(xué)習(xí)算法自動辨識、提取圖像中的螺栓連接，測量螺母反旋的角度，計(jì)算螺栓的伸長量變化，獲得螺栓軸力衰減值。

nutFACE是一種基于視覺深度學(xué)習(xí)的螺栓軸力監(jiān)測系統(tǒng)，下稱：監(jiān)測系統(tǒng)，包括：攝像頭、螺栓標(biāo)記、軟件算法部分。

螺栓在緊固時(shí)，螺母在扭矩的作用下順時(shí)針轉(zhuǎn)動，在螺栓中產(chǎn)生軸力。與此過程相反，螺栓軸力衰減分為兩個部分：非旋轉(zhuǎn)性螺栓軸力衰減和旋轉(zhuǎn)性螺栓軸力衰減。其中非旋轉(zhuǎn)性軸力衰減是指在螺母并不發(fā)生反旋的情況下，軸力發(fā)生衰減，這主要是由于被夾持物在螺栓軸力的作用下，其表面發(fā)生嵌入或稱之為被壓潰現(xiàn)象所導(dǎo)致，還有一部分為旋合螺紋的塑性變形導(dǎo)致；非旋轉(zhuǎn)性軸力衰減一般發(fā)生在螺栓緊固后的24小時(shí)之內(nèi)或初次循環(huán)載荷作用下完成，衰減幅度大致為螺栓軸力的10%；非旋轉(zhuǎn)性螺栓軸力衰減是需要在設(shè)計(jì)階段納入設(shè)計(jì)的因素之一，即：螺栓連接的設(shè)計(jì)軸力是去除了非旋轉(zhuǎn)性軸力衰減的殘余值。旋轉(zhuǎn)性螺栓軸力衰減發(fā)生在螺栓連接的服役過程中，在振動條件下，由于螺母反旋導(dǎo)致的軸力衰減，如圖1.1所示，其中螺栓軸力和其反轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)線性正比的關(guān)系。所以，非旋轉(zhuǎn)性螺栓軸力衰減已經(jīng)為螺栓連接設(shè)計(jì)和工藝所考慮，而真正需要檢測、監(jiān)測的對象為旋轉(zhuǎn)性螺栓軸力衰減部分。

螺栓連接由螺栓、螺母和被夾持物組成，在發(fā)生旋轉(zhuǎn)性軸力松弛的過程中，螺栓或夾持物不發(fā)生自轉(zhuǎn)；螺母相對于螺栓或被夾持物發(fā)生反旋。監(jiān)測系統(tǒng)使用監(jiān)控?cái)z像頭、手機(jī)攝像頭或無人機(jī)攝像頭，后統(tǒng)稱為為攝像頭，對螺栓連接進(jìn)行拍照，見圖1.2所示，通過深度學(xué)習(xí)算法自動辨識、提取圖像中的一個或多個螺栓連接，測量螺栓或者螺母的反旋角度，計(jì)算其螺栓的伸長量變化，進(jìn)而獲得精確的螺栓軸力衰減值；其中螺栓伸長量和螺栓軸力的對應(yīng)關(guān)系由超聲螺栓軸力測量技術(shù)標(biāo)定、獲取。

尤其需要指出的是：nutFACE使用視覺深度學(xué)習(xí)的方法，具有強(qiáng)大的螺栓連接的自動識別、檢測能力，同時(shí)具備了技術(shù)上強(qiáng)的適用性，以適用在極端復(fù)雜的應(yīng)用條件下。深度學(xué)習(xí)算法通過訓(xùn)練海量螺栓連接的樣本，獲得螺栓連接識別的數(shù)學(xué)模型，在攝像頭拍攝的圖片中自動識別、檢測螺栓標(biāo)記裝置及螺栓連接，對其形成虛擬編號，同時(shí)提取螺栓連接的特征信息，如：標(biāo)記與螺母的特征點(diǎn)以及其空間位置關(guān)系，如圖1.3所示。由于nutFACE深度學(xué)習(xí)算法可以精確地標(biāo)記螺栓、螺母特征點(diǎn)的空間位置關(guān)系，進(jìn)而螺母反轉(zhuǎn)測量算法的測量精度獲得了保證。

通過nutFACE在測試臺上的精度驗(yàn)證，可以獲得如下結(jié)論：

1、nutFACE系統(tǒng)具有±2°的螺栓或螺母反旋角度的測量誤差；

2、螺栓的軸力與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系存在線性關(guān)系，一般螺栓連接的設(shè)計(jì)軸力處于緊固旋轉(zhuǎn)角度66°至200°之間，所以以低限度進(jìn)行評估，nutFACE對于螺栓連接的軸力衰減測量誤差處于±3%內(nèi)。

7結(jié)語

目前螺栓松動監(jiān)測主要針對螺栓松動報(bào)警，使 用的技術(shù)有壓電技術(shù)、光纖光柵技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 等。前兩種是通過螺栓張力的大小來判斷螺栓松動 情況，通常會設(shè)置一個安全閾值，當(dāng)所測螺栓受 力超過閾值時(shí)可以發(fā)出報(bào)警 ；后一種技術(shù)是利用 監(jiān)測松動的螺栓和固定部件受激發(fā)生共振或振動， 將振動轉(zhuǎn)化為電信號，目前的監(jiān)測技術(shù)只做松動 報(bào)警。光纖光柵技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛用于結(jié) 構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，目前利用增敏光柵技術(shù)和物聯(lián) 網(wǎng)技術(shù)用于螺栓松動監(jiān)測還可以對形變進(jìn)行監(jiān)測。超聲螺栓軸力監(jiān)測系統(tǒng)可以直接測量螺栓軸力，實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性是其優(yōu)點(diǎn)，nutFACE基于視覺深度學(xué)習(xí)的螺栓軸力衰減的監(jiān)測系統(tǒng)可以把監(jiān)測成本降至低。未來的螺栓監(jiān)測技術(shù)朝著監(jiān)測精細(xì)化和智能化方 向演進(jìn)。