风机叶片连接螺栓损伤的在线监测

张 磊，何建军，程庆阳，曾子竞，朱文娟，付 林，周伟强

(1.国家能源集团湖南分公司，长沙 410000；2.长沙理工大学 能源与动力工程学院，长沙 410114；3.西安中科起航测控技术有限公司，西安 712000；4.国家能源集团龙源江永风力发电有限公司，长沙 410000)

风电技术迅猛发展，风电机组在运行过程中的各种问题也不断出现，对其关键设备的智能在线监测成为了行业研究的焦点之一。风机叶片关键部位的螺栓松动等问题会导致整个风机结构的失效，从而造成极大的安全隐患和经济损失。近些年，随着信号监测及数据分析技术的不断提升，在线监测技术也随之发展。目前，风电行业已广泛采用在线监测技术对机组的运行状态进行实时监测，实现机组运行时的故障监控，保障机组的可靠运行[1]。风机螺栓损伤评价与在线监测技术研究不断取得新的进展，文章对几种先进的监测技术进行了综述。

1 基于叶片连接法兰振动信号的检测方法

在振动信号检测领域，国内外的专家学者已经进行了大量研究工作。闫航瑞等[2]对螺栓连接结构施加随机激励进行振动测试，利用小波分析法来研究螺栓在松动情况下的信号特点。此方法具有良好的时频定位特性及信号自适应能力，能够对各种时变信号进行有效地分解，再对分解后相互独立的各频段进行时域分析及提取特征量。

董广明等[3]利用信号的谱矩因子结合神经网络算法，对导弹支撑座连接螺栓的故障进行诊断,依据信号功率谱特征的差异 ,提出了相应的谱矩松动故障特征提取方法。分析结果表明，用谱矩因子的降低作为该结构连接螺栓松动的诊断特征是可行的，可以近似模拟被试产品的工作振动环境。屈文忠等[4]利用亚谐波共振分析法来识别螺栓松动信号，采用多尺度方法分析了亚谐波共振现象，定性地模拟了螺栓松动损伤亚谐波激励条件。

赵建钧等[5]提出了一种基于振动相位差的螺栓连接状态监测系统，其结构如图1所示。在螺栓松动及拧紧状态下，分别给振动电机通电，螺栓连接松动及拧紧时的监测信号如图2所示。由图2的监测结果可知，该系统能够准确判定螺栓的连接状态。以相位差作为判断螺栓连接状态的切入点，与其他方法相比，其适用性更广，实时性更好。

图1 基于振动相位差的螺栓连接状态监测系统结构示意

图2 螺栓连接松动及拧紧时的监测信号

2 螺栓损伤的声发射检测方法

超声检测是当前应用最广泛的无损检测方法之一，其根据反射回波的位置和波幅来判断缺陷的大小和位置。由超声波的基本特性可知，当声波遇到障碍时将发生反射，障碍的几何尺寸相对于波长很大时，声波将不会向前传播而全部反射;障碍的几何尺寸相对于波长较小时，声波将绕过障碍物继续向前传播[6]。螺栓齿根存在裂纹将会增强齿根部位对声波的阻挡作用，增大反射波能量，从而在屏幕上产生一个远远高于正常波高的缺陷波，由此便可以判断是否存在裂纹。

螺栓的声弹响应随轴向应力而变化。与声弹响应相关的以下3个属性可用于计算轴向应力水平：① 超声沿螺栓的传播时间;② 纵向波与剪切波的传播时间之比;③ 螺栓中的机械共振。分别基于这3个属性的分析方法如下所述。

2.1 飞行时间法

超声波对材料中的残余应力和外加应力均非常敏感，其传播取决于波的方向和施加应力的方向。在均匀同性材料中存在各向平面波的情况下，纵波和横波的传播方向与施加应力的方向相同。为确定某种钢螺栓的声弹性系数而进行的测量表明，声弹性系数与热处理对螺栓的影响无关[7]。

承受轴向载荷的螺栓的某些部位受力不均，假设初始螺栓长度Li是受应力有效长度Le和无应力长度L0的总和(见图3)。

图3 轴向加载螺栓受力模型

超声脉冲回波飞行时间t为

(1)

Lσ=Le(1+E-1σ0)

(2)

t0=2Li/v0

(3)

式中：Lσ为应力作用长度;σ0为弹性系数;v0为无应力状态下的波速;E为螺栓材料的弹性模量;t0为对应于初始长度Li中纵波和横波的脉冲回波时间;A为材料的声弹性系数。

式(1)表明，应力作用下的飞行时间是施加应力的线性函数。

HIRAO等[8]使用非接触式横波电磁声换能器激发沿螺栓轴向传播的横波进行试验，结果表明，负载与飞行时间或信号相位之间具有良好的线性关系。HANG等[9]采用相位检测方法对飞行时间进行精确测量，结果表明，声速随应力的增加呈线性下降。ZHANG等[10]通过混合使用高次谐波和频谱边带，提出了基于接触声非线性的监测方法，可以检测螺栓松动并评估螺栓松动时的残余扭矩。

由于声波在螺栓中的飞行时间仅为几十纳秒，所以数据采集过程对数据采集系统的采样率要求很高。大多数专家学者使用示波器捕捉信号，但这种装置不适合风电场螺栓的健康监测。

2.2 速比法

速比法利用声弹性系数的差异来区分螺栓连接质量的好坏。横波飞行时间tT与纵波飞行时间tL的比率为

(4)

式中：vL0为纵波波速；vT0为横波波速；AT与AL分别为传播波型为横波与纵波时材料的声弹性系数；F为螺栓所受应力;Se为螺栓的有效直径。

速比法更实用，因为轴向载荷的计算仅仅是根据应力状态下的飞行时间比计算的，而不需要在无应力状态下测量飞行时间。

KIM等[11]利用纵波的波型转换，同时产生纵波和横波，并将其用于获得高压螺栓的轴向应力。还有的研究建立了一种基于纵波和横波组合的螺栓预紧量超声测量模型，依据提取节点在螺栓中心轴线上的轴向位置及轴向应力，绘制轴向应力云图(见图4)。该方法可有效地消除螺栓轴向应力分布不均匀对测量的影响，进一步提高了预负荷的检测精度。

图4 螺栓轴向应力云图

2.3 机械共振频移法

简单的一维隔离谐振器模型适用于超声波沿螺栓传播的情况。假设声波在螺栓的平端发生完全反射，在此基础上，可以合理地假定共振频率fn为

fn=nv/Li

(5)

式中：n为谐波数;v为共振频率的声速。

当应力作用于样品时，L和v都会发生变化，引起谐振频率的变化。共振频率的变化量Δfn与fn的比值为

(6)

式中：ε为螺栓的应变；Δv为声速变化量；ΔL为样品长度的变化量;σ为螺栓所受应力。

对于各向同性弹性介质，声速与应力呈线性关系。式(6)可以表示为式(7)。

(7)

式(7)表明，共振频率偏移率是施加应力的线性函数，因此，可以通过测量Δfn来测定样品中产生的应力。

WANG等[12]提出了一种基于振动声调制的方法来监测螺栓的早期松动。为考虑界面粗糙度的影响，WANG建立了冲击螺栓连接产生的声学信号模型，提出了一种新的基于敲击的分析建模和数值模拟方法。如图5所示，当振动模态与机械共振频率相匹配时，峰值声压级的频率接近于固有频率。与目前的螺栓松动识别方法相比，冲击声测试法速度快且价格低，但声波在螺栓中的飞行时间仅为几十纳秒，测量结果容易受到风电场环境干扰，限制了其在风电场监测中的应用。

图5 螺栓0预载下的固有频率响应与辐射声信号

综上所述，利用超声波对高强度螺栓进行监测，虽然方法方便、反应迅速和趋向智能化，但人为因素导致对缺陷的判断准确率不高，所以超声波监测技术未来还有很大的进步空间。

3 基于螺栓预紧力的压电效应检测方法

叶片螺栓压电阻抗技术的原理为,当叶片螺栓连接结构时，螺栓预紧力转化为压力，螺栓预紧力越大，螺栓连接界面的实际接触面积越大，透过的超声波越多，接收到的响应信号也就越强，通过分析聚焦信号的幅值就可确定螺栓预紧力的大小，判断螺栓的连接状态。

LIANG等[13]提出了将阻抗测量法应用于结构健康监测的方法，其将压电陶瓷贴片法贴合到被监测的结构表面，由贴片将结构振动传递到主体结构。该方法通过电导率-频率曲线反映结构的独特振动特征，通过调整感应频率的范围来覆盖不同的感应区域。RITDUMRONGKUL等[14]基于光谱元素方法对压电陶瓷贴片结合处的结构阻抗进行建模,通过测量贴片的电阻抗检测结构性能的变化，将螺栓的松动定量地确定为螺栓连接处的刚度和阻尼的变化。该方法解决了螺栓连接状态定量检测的问题，但由于要使用电镜，所以难以在风电场监测中得到应用。

WAIT等[15]通过结合阻抗方法和兰姆波的应用来分析螺栓系统的结构完整性。AN等[16]利用从表面安装压电换能器同时获得的阻抗和导波信号来检测螺栓松动，说明了集成的阻抗和基于导波的损伤检测技术的适用性。图6所示为螺栓在拧紧状态下不同温度条件时测得的导纳和导波信号；图7所示为螺栓在松动和拧紧状态下，-10 ℃时测得的导纳和导波信号。图6和图7表明，在温度变化的条件下进行损伤诊断是一项艰巨的任务，因为导纳和导波信号对损伤和温度均较敏感。

图6 螺栓在拧紧状态、不同温度条件下测得的导纳和导波信号

图7 螺栓在松动和拧紧状态下，-10 ℃时测得的导纳和导波信号

因精密阻抗分析仪成本高，MASCARENAS[17]等设计了基于AD5933型阻抗测量芯片的无线阻抗设备，并将其用于结构健康监测，降低了成本，但是，阻抗芯片有限的扫描面积和采样频率限制了其应用。

所有上述阻抗方法都通过阻抗信号分析来确定螺栓的连接状态，缺乏对螺栓结构动力特性(尤其是局部高频动力)的研究，因此尚未形成有效的监测理论。阻抗法具有很高的激励频率和可调节的感应面积，因此非常适合局部动态特性的研究。如果解决了螺栓连接状态对局部动态影响的表征问题，阻抗方法在在线监测螺栓连接方面将具有良好的发展潜力。

4 基于叶片螺栓微变形的光纤传感监测技术

光纤传感检测法使用的光纤技术分为3类：光纤光栅传感技术；光纤微机电传感技术；光纤分布式传感技术。这些技术可测量结构的温度、应变、应力、加速度、倾角、位移等参数，在先进制造、航天国防、资源环境和工业物联网等领域都有广泛的应用。

风机叶片螺栓的监测主要应用光纤微机电传感技术。该技术将光栅与螺栓紧密贴附，螺栓的形变导致光信号发生变化，这种变化被解调器解析后可实现螺栓形变的监测[18]。光纤微机电传感器的硅基敏感结构采用微机电技术集成制造，采用光纤检测技术读取信号，因此，该技术具有光纤微机电传感器和光纤传感器的共同优点。光纤微机电传感器通过实时检测螺栓的受力数据和评估螺栓松动引起的损伤，克服了现有传感器“宽频”和“高精度”的制约，消除了雷击损伤和电磁干扰，降低了电子传感器和电缆引燃叶片的安全隐患。

5 基于叶片螺栓材料及结构特征的检测技术

随着科技发展，传统检测方法不断进步的同时，新技术也在不断涌现，新兴的检测方法主要如下所述。

(1) 角度传感器法。在指定的被监测螺母上安装一个角度传感器与接收器，通过实时监测得出螺母逆时针旋转的角度信号，将螺栓的最大预紧力作为初始状态，传感器的计数值设为0，随着螺栓的蠕动，螺母会发生逆时针旋转，传感器随之计数，即可监测到螺栓的连接状态[19]。

(2) 磁附法。该方法应用于塔机螺栓的安全检测，主要由带号码的磁块和塑料环片组成[20]。工作原理为，当螺栓受力，螺母松动下移并推动塑料和磁块环向下移动时，磁块脱离螺栓底部，此时磁块受到的磁力小于其自身重力，与塑料环一起掉落。工作人员可根据掉落的磁块或者塑料环锁定问题螺栓。

(3) 氢脆检测法。 氢脆是高强度螺栓质量隐患的主要来源，文献[21]归纳了适用于航天产品的螺栓氢脆检测法：氢含量检测法；应力持久法；分步加载法。

(4) 氢含量检测法。氢含量检测法可以分为物理法和电化学法两种。螺栓氢脆源于螺栓产品中吸入的氢，氢含量检测法通过控制螺栓产品或制造工艺过程中的氢含量以实现对氢脆风险的控制。

(5) 应力持久法。存在氢脆倾向的高强度钢及其制品在小于正常拉断力的持续作用下会发生氢脆断裂。应力持久法的基本特征就是对试样施加持续一定时间的应力。

6 结语

对螺栓结构连接监测技术进行了总结和介绍，重点介绍了基于振动信号检测技术、声弹性效应技术、压电效应检测技术、光纤传感技术和材料及结构特征检测方法等的风机连接螺栓在线监测技术的研究进展，分析了这些技术的特点及其在风机螺栓监测中的适用性，为风力机组螺栓的监测研究提供参考。目前，风力机组螺栓监测技术还处在从探索到应用的过渡阶段，未来的螺栓监测技术将会朝着精细化和智能化的方向发展。