塔筒螺栓疲劳预测方法及预测系统技术方案

本发明专利技术提供一种塔筒螺栓疲劳预测方法及预测系统，其中的预测方法，包括：实时检测风速V、风向α以及风力发电机的偏航角度ω；获得塔筒上待测螺栓的信息；获得所述待测螺栓的预紧应力F0、静止载荷应力F1、偏心载荷应力F2、迎风载荷应力F3、转动载荷应力F4；获得所述待测螺栓的总应力F：总应力F＝预紧应力F0+静止载荷应力F1+偏心载荷应力F2+迎风载荷应力F3+转动载荷应力F4；在预定的时间T范围内对总应力F进行累积，得到待测螺栓的疲劳损耗Wn。本发明专利技术提供的塔筒螺栓疲劳预测方法，准确判断塔筒上螺栓的疲劳损伤程度，为塔筒的螺栓检修提供准确定位，节约机组检修成本。

Fatigue prediction method and prediction system for column bolts

The present invention provides a method and system for prediction of tower bolt fatigue prediction, including prediction method, including: real-time detection of wind V, wind direction and wind turbine yaw angle Alpha Omega; get the tower to be measured on the information obtained by the bolt; the measured bolt preload stress F0, static load stress F1, the eccentric load stress of F2, the wind load stress F3, rotating load stress F4; total stress obtained by the test of bolt F: total stress F = pre stress F0+ static load stress F1+ eccentric load stress F2+ wind load stress F3+ rotating load stress in F4; the predetermined time in the range of T to F cumulative total stress, fatigue loss Wn of tested bolt. The invention provides a tower column bolt fatigue prediction method, which accurately judges the fatigue damage degree of the bolt on the tower barrel, provides accurate positioning for the bolt overhaul of the tower barrel, and saves the maintenance cost of the unit.

【技术实现步骤摘要】
塔筒螺栓疲劳预测方法及预测系统
本专利技术属于风电
，尤其涉及一种用于风力发电机的塔筒上的塔筒螺栓疲劳预测方法及预测系统。
技术介绍
风力发电机塔筒采用螺栓进行连接，在风力发电机工作的过程中，受风力产生的扭矩以及塔筒自身的重量等因素影响，塔筒圆周上的螺栓会有不同程度的疲劳，这些疲劳在累积一定程度以后会导致螺栓失效，从而影响到整个塔筒的稳定性。为了避免塔筒螺栓因为疲劳而失效，常用的是采用对风力发电机进行定期保养的方法，但是由于风力发电机塔筒上的螺栓众多，如果一次性全部进行保养，必然带来人工成本的上升，而且全部螺栓保养一次的效率也偏低。在实践中，一般是由人工定期抽检，具体的做法是：抽检10％按年检力矩进行紧固，如发现有一颗螺栓松动(被旋紧达到20°以上)，则整个节点的螺栓全部紧固一遍。显然，这样的保养策略存在着偶然性、随机性，并不能通过这样的把疲劳严重的螺栓全部检出。所以采用人工定期抽检的方式并不能消除螺栓疲劳的安全隐患，而在抽检的过程中，被抽检的螺栓必然存在着不同程度的疲劳，由于抽检的盲目性，对于疲劳程度较轻的螺栓也只能一个一个进行排除，存在着人力财力的浪费。而事实上，即使是按照10％的比例进行抽检，对一个风力发电机完成一次抽检，也需要花费大量的精力。现有技术中，对于风力发电机塔筒螺栓的疲劳寿命进行分析的方法，大豆停留在整体上进行分析的层面，无法针对单独螺栓进行疲劳强度计算，所以现在的大多数论文都仅仅停留在理论研究层面。实践中，对于疲劳损伤程度高的螺栓，无法通过理论分析的方式检出，也无法提供螺栓疲劳状态的整体监测和预警。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种塔筒螺栓疲劳预测方法及预测系统，解决当前技术无法检出风力发电机上偏劳损伤程度高的螺栓的问题。第一方面，本专利技术实施例提供一种塔筒螺栓疲劳预测方法，包括：实时检测风速V、风向α以及风力发电机的偏航角度ω，其中所述偏航角度指向所述风向α；获得塔筒上待测螺栓的方位角β，并确定所述待测螺栓所在位置的塔筒的直径D以及所述待测螺栓的方位角β与风向α的夹角θ；获得所述待测螺栓的预紧应力F0；获得所述待测螺栓上方的塔筒及机舱对所述待测螺栓施加的静止载荷应力F1；获得所述机舱对所述待测螺栓施加的偏心载荷应力F2；获得所述待测螺栓上方的塔筒的迎风面对所述待测螺栓施加的迎风载荷应力F3；获得所述机舱的叶轮对所述待测螺栓施加的转动载荷应力F4；获得所述待测螺栓的总应力F：总应力F＝预紧应力F0+静止载荷应力F1+偏心载荷应力F2+迎风载荷应力F3+转动载荷应力F4；在预定的时间T范围内对总应力F进行累积，得到待测螺栓的疲劳损耗Wn。可选择地，获得所述待测螺栓上方的塔筒及机舱对所述待测螺栓施加的静止载荷应力F1，包括：获得塔筒的重量G1；获得机舱的重量G2；根据塔筒的重量G1和机舱的重量G2计算所述待测螺栓分担的静止载荷应力F1，例如可以采用以下公式进行计算：F1＝K1*(G1+G2)/n，其中，K1是无量纲系数，n是所述待测螺栓所在位置的塔筒圆周的螺栓总数。可选择地，获得所述机舱对所述待测螺栓施加的偏心载荷应力F2，包括：获得机舱的重量G2；获得机舱的重心偏离塔筒的中心线的距离D；根据所述重量G2和所述距离d计算所述待测螺栓的偏心载荷应力F2，例如可以采用以下公式进行计算：F2＝K2*G2*d*cosθ/n，其中，K2是无量纲系数，n是所述待测螺栓所在位置的塔筒圆周的螺栓总数。可选择地，获得所述待测螺栓上方的塔筒的迎风面对所述待测螺栓施加的迎风载荷应力F3，包括：获得所述待测螺栓上方的塔筒的迎风面的面积S1，以及所述待测螺栓上方的塔筒的高度H；根据所述面积S1、所述风速V、所述直径D和所述高度H计算所述待测螺栓分担的迎风载荷应力F3，例如可以采用以下公式进行计算：F3＝K3*S1*H*cosθ/n*D，其中，K3是修正系数，n是所述待测螺栓所在位置的塔筒圆周的螺栓总数。可选择地，获得所述机舱的叶轮对所述待测螺栓施加的转动载荷应力F4，包括：获得所述叶轮的迎风面的面积S2；获得所述叶轮的转速v；获得所述叶轮的叶片相对于迎风面的偏转角度φ；根据所述面积S2、所述转速v、所述风速V、所述偏转角度φ、所述高度H、所述直径D计算所述待测螺栓分担的转动载荷应力F4，例如可以采用以下公式进行计算：F4＝K4*V*H*S2*v2*cosφ/n*D，其中K4是修正系数，n是所述待测螺栓所在位置的塔筒圆周的螺栓总数。可选择地，所述在预定的时间T范围内对总应力F进行累积，包括：根据总应力F与时间的关系，直接对总应力F进行累积求和；或者，根据总应力F与时间、应力疲劳关系式的关系，对总应力F进行归一化处理后再进行累积求和。可选择地所述对总应力F进行归一化处理，包括根据应力疲劳关系式，将所述总应力F换算为预设应力Fs条件下的疲劳频次。对总应力F进行累积时，采用离散检测的方式获得所述总应力F，或者，采用连续检测的方式获得所述总应力F。可选择地，本专利技术实施例提供的塔筒螺栓疲劳预测方法，还包括：检测所述待测螺栓位置的所述塔筒圆周上全部螺栓的疲劳损耗Wn；将获得的疲劳损耗Wn与预设阈值Wx进行比较，当Wn≥Wx时，输出对应的Wn、以及Wn对应的螺栓所在位置信息；当获得的疲劳损耗Wn都不满足Wn≥Wx时，输出所述全部螺栓的疲劳损耗的最大值Wmax、以及所述最大值Wmax对应的螺栓所在位置信息。本专利技术提供的塔筒螺栓疲劳预测方法，准确判断塔筒上螺栓的疲劳损伤程度，为塔筒的螺栓检修提供准确定位，节约机组检修成本。第二方面，本专利技术实施例还提供一种塔筒螺栓疲劳预测系统，包括：检测器，用于实时检测风速V、风向α以及风力发电机的偏航角度ω，其中所述偏航角度指向所述风向α；控制器，用于获得塔筒上待测螺栓的方位角β，并确定所述待测螺栓所在位置的塔筒的直径D以及所述待测螺栓的方位角β与风向α的夹角θ；获得所述待测螺栓的预紧应力F0；获得所述待测螺栓上方的塔筒及机舱对所述待测螺栓施加的静止载荷应力F1；获得所述机舱对所述待测螺栓施加的偏心载荷应力F2；获得所述待测螺栓上方的塔筒的迎风面对所述待测螺栓施加的迎风载荷应力F3；获得所述机舱的叶轮对所述待测螺栓施加的转动载荷应力F4；获得所述待测螺栓的总应力F：总应力F＝预紧应力F0+静止载荷应力F1+偏心载荷应力F2+迎风载荷应力F3+转动载荷应力F4；以及，在预定的时间T范围内对总应力F进行累积，得到待测螺栓的疲劳损耗Wn。所述控制器获得所述待测螺栓上方的塔筒及机舱对所述待测螺栓施加的静止载荷应力F1，包括：获得塔筒的重量G1；获得机舱的重量G2；根据塔筒的重量G1和机舱的重量G2计算所述待测螺栓分担的静止载荷应力F1，例如可以采用以下公式进行计算：F1＝K1*(G1+G2)/n，其中，K1是无量纲系数，n是所述待测螺栓所在位置的塔筒圆周的螺栓总数；和/或，所述控制器获得所述机舱对所述待测螺栓施加的偏心载荷应力F2，包括：获得机舱的重量G2；获得机舱的重心偏离塔筒的中心线的距离D；根据所述重量G2和所述距离d计算所述待测螺栓的偏心载荷应力F2，例如可以采用以下公式进行计算：F2＝K2*G2*d*cosθ/n，其中，K2是无量纲系数，n是所述待测螺栓所在位置的塔筒圆周的螺栓总数本文档来自技高网...

【技术保护点】
塔筒螺栓疲劳预测方法，包括：实时检测风速V、风向α以及风力发电机的偏航角度ω，其中所述偏航角度指向所述风向α；获得塔筒上待测螺栓的方位角β，并确定所述待测螺栓所在位置的塔筒的直径D以及所述待测螺栓的方位角β与风向α的夹角θ；获得所述待测螺栓的预紧应力F0；获得所述待测螺栓上方的塔筒及机舱对所述待测螺栓施加的静止载荷应力F1；获得所述机舱对所述待测螺栓施加的偏心载荷应力F2；获得所述待测螺栓上方的塔筒的迎风面对所述待测螺栓施加的迎风载荷应力F3；获得所述机舱的叶轮对所述待测螺栓施加的转动载荷应力F4；获得所述待测螺栓的总应力F：总应力F＝预紧应力F0+静止载荷应力F1+偏心载荷应力F2+迎风载荷应力F3+转动载荷应力F4；在预定的时间T范围内对总应力F进行累积，得到待测螺栓的疲劳损耗Wn。

【技术特征摘要】
1.塔筒螺栓疲劳预测方法，包括：实时检测风速V、风向α以及风力发电机的偏航角度ω，其中所述偏航角度指向所述风向α；获得塔筒上待测螺栓的方位角β，并确定所述待测螺栓所在位置的塔筒的直径D以及所述待测螺栓的方位角β与风向α的夹角θ；获得所述待测螺栓的预紧应力F0；获得所述待测螺栓上方的塔筒及机舱对所述待测螺栓施加的静止载荷应力F1；获得所述机舱对所述待测螺栓施加的偏心载荷应力F2；获得所述待测螺栓上方的塔筒的迎风面对所述待测螺栓施加的迎风载荷应力F3；获得所述机舱的叶轮对所述待测螺栓施加的转动载荷应力F4；获得所述待测螺栓的总应力F：总应力F＝预紧应力F0+静止载荷应力F1+偏心载荷应力F2+迎风载荷应力F3+转动载荷应力F4；在预定的时间T范围内对总应力F进行累积，得到待测螺栓的疲劳损耗Wn。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获得所述待测螺栓上方的塔筒及机舱对所述待测螺栓施加的静止载荷应力F1，包括：获得塔筒的重量G1；获得机舱的重量G2；根据塔筒的重量G1和机舱的重量G2计算所述待测螺栓分担的静止载荷应力F1。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获得所述机舱对所述待测螺栓施加的偏心载荷应力F2，包括：获得机舱的重量G2；获得机舱的重心偏离塔筒的中心线的距离D；根据所述重量G2和所述距离d计算所述待测螺栓的偏心载荷应力F2。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获得所述待测螺栓上方的塔筒的迎风面对所述待测螺栓施加的迎风载荷应力F3，包括：获得所述待测螺栓上方的塔筒的迎风面的面积S1，以及所述待测螺栓上方的塔筒的高度H；根据所述面积S1、所述风速V、所述直径D和所述高度H计算所述待测螺栓分担的迎风载荷应力F3。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获得所述机舱的叶轮对所述待测螺栓施加的转动载荷应力F4，包括：获得所述叶轮的迎风面的面积S2；获得所述叶轮的转速v；获得所述叶轮的叶片相对于迎风面的偏转角度φ；根据所述面积S2、所述转速v、所述风速V、所述偏转角度φ、所述高度H、所述直径D计算所述待测螺栓分担的转动载荷应力F4。6.如权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，所述在预定的时间T范围内对总应力F进行累积，包括：根据总应力F与时间的关系，直接对总应力F进行累积求和；或者，根据总应力F与时间、应力疲劳关系式的关系，对总应力F进行归一化处理后再进行累积求和。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对总应力F进行归一化处理，包括根据应力疲劳关系式，将所述总应力F换算为预设应力Fs条件下的疲劳频次；和/或，对总应力F进行累积时，采用离散检测的方式获得所述总应力F，或者，采用连续检测的方式获得所述总应力F。8.如权利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，还包括：检测所述待测螺栓位置的所述塔筒圆周上全部螺栓的疲劳损耗Wn；将获得的疲劳损耗Wn与预设阈值Wx进行比较，当Wn≥Wx时，输出对应的Wn、以及Wn对应的螺栓所在位置信息；当获得的疲劳损耗Wn都不满足Wn≥Wx时，输出所述全部螺栓的疲劳损耗的最大值Wmax、以及所述最大值Wmax对应的螺栓所在位置信息。9.塔筒螺栓疲劳预测系统，包括：检测器(10)，用于实时检测风速V、风向...

【专利技术属性】
技术研发人员：李利强，赵亮，李立山，
申请(专利权)人：北京金风科创风电设备有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11