一种基于无线压电应变监测的风力发电塔连接螺栓失效诊断系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于无线压电应变监测的风力发电塔连接螺栓失效诊断系统，属于结构工程技术领域。该系统由无线压电应变监测系统、数据储存系统、连接螺栓失效诊断系统、网络端分析系统构成。所述的无线压电应变监测系统由压电材料和无线传感器组成；所述的数据储存系统由计算机服务器组成，用于应变时程响应数据储存；所述的连接螺栓失效诊断系统用于判断螺栓破坏，并提供三种监测方案识别螺栓破坏；所述的网络端分析系统是通过监测应变确定连接螺栓破坏情况，并向客服发布安全预警。该发明专利技术提供了一种基于无线压电应变监测的风力发电塔连接螺栓失效诊断系统，可用于在陆地、近海等环境下风力发电塔结构健康监测与运行性能智能化评估。

A Failure Diagnosis System for Connecting Bolts of Wind Power Towers Based on Wireless Piezoelectric Strain Monitoring

【技术实现步骤摘要】
一种基于无线压电应变监测的风力发电塔连接螺栓失效诊断系统
本专利技术涉及一种无线压电应变监测的风力发电塔连接螺栓失效诊断系统，属于结构工程领域。
技术介绍
法兰盘因拆卸方便、密封性好在塔筒间连接、定位和密封中得到广泛采用，而用于连接法兰盘的高强度螺栓起着关键的作用。连接螺栓长期服役于恶劣环境，并在持续荷载作用下处于较高应力状态，荷载与环境的耦合作用加剧了螺栓强度的退化，直接影响到整个风力发电塔运行的安全性和可靠性。风电机塔筒受塔自重、风轮产生的正压力、风荷载及机组调转产生的扭矩等复杂荷载作用，往往在长期循环荷载作用下产生疲劳破坏。同时，腐蚀环境中的CO2、H2O或潮气加速了钢结构的锈蚀，使得结构的力学性能更易劣化。因此，连接螺栓在疲劳荷载和环境腐蚀下容易出现失效。为了保障风力发电塔长期安全稳定运行，风电企业需要对其进行定期检查。然而风力发电塔法兰盘的连接螺栓通常很多，一般多达200个，整个塔筒的螺栓数量更是庞大。因而人工检测将费时费力。因此，当前发展风力发电塔连接螺栓的智能化诊断系统是必然选择。本专利技术提出的基于无线压电应变监测的风力发电塔连接螺栓失效诊断系统可有效地解决连接螺栓检测、运营养护问题。通过无线压电应变监测系统，可实时监测连接螺栓的应变时程响应数据，动态掌握连接螺栓的安全运行情况，为整个风力发电塔的安全运营提供保障。所提出的压电材料粘贴位置方案一，与螺母预留的空间可保证高强垫片的整体受力，且通过粘贴于高强垫片上的压电材料监测到的动态响应数据最为准确。而方案二不规则四边形螺母通过两侧较大的矩形侧面施加外力，并在较小的圆形侧面粘贴压电材料，可有效解决螺栓施加预压力时的施工不便。相比于在连接螺栓处的塔筒壁上粘贴压电材料，方案三在粘贴压电材料的施工上更方便，前两种方案在监测数据准确性上更有优势。而所提出的三种监测方案可对连接螺栓的响应数据进行实时监测，将为强化后期的数据分析、处理奠定基础，进而实现连接螺栓监测数据指导风力发电塔的施工、运行性能和智能化评估。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于无线压电应变监测的风力发电塔连接螺栓失效诊断系统，其包括无线压电应变监测系统、数据储存系统、连接螺栓失效诊断系统、网络端分析系统。该系统可以实现风力发电塔连接螺栓的实时应变响应监测，螺栓破坏智能诊断，可避免耗费大量人力物力的人工检测。提出的三种监测方案可满足目前各种风力发电塔筒的连接螺栓失效诊断。本专利技术的技术方案是：一种基于无线压电应变监测的风力发电塔连接螺栓失效诊断系统，其特征在于：其组成系统包括无线压电应变监测系统、数据储存系统、连接螺栓失效诊断系统、网络端分析系统。采用的高强垫片的外径比螺母外径小，压电材料布置在高强垫片上，离高强垫片边缘保持一定距离，保证螺栓施加预压力时引起的预压量，并将塑料外壳用扣紧螺栓锁定；采用的不规则四边形螺母，通过在较大的矩形侧面进行预压力的施加，在较小的圆形侧面粘贴压电材料进行应变数据测量；采用塔筒壁布置压电材料，需在连接螺栓正上方附近的塔筒壁上粘贴压电材料。本专利技术具有以下有效效果：1.解决结构工程中的风力发电塔结构连接螺栓失效诊断问题。2.采用的无线压电应变监测系统可监测环境激励下的微幅应变响应，可实现连接螺栓运行时的健康评估。3.采用在螺母下粘贴高强垫片，由高强垫片上的压电材料可准确地获取连接螺栓的动态监测数据；高强垫片外径小于螺母外径，保证高强垫片整体受压，所得监测数据最为准确；若能保证高强垫片材料制作及粘贴压电材料施工，可优先采用该方案。4.采用不规则四边形螺母，可有效解决连接螺栓使用扳手施加预应力时的施工问题，且准确获取动态监测数据；所设塑料外壳可有效避免外部环境对压电材料的腐蚀作用；若能大量预制规定形状的螺母，可采用该方案。5.采用连接法兰盘处的塔筒壁上粘贴压电材料，施工方便，有利于缩短工期，减少经济费用，适用于大批量的粘贴压电材料施工。附图说明图1是本专利技术基于无线压电应变监测的风力发电塔连接螺栓失效诊断系统的流程图。图2是本专利技术无线压电应变监测系统压电材料布置方案一的示意图。图3是本专利技术无线压电应变监测系统压电材料布置方案二的示意图。图4是本专利技术无线压电应变监测系统压电材料布置方案三的示意图。具体实施方式以下结合附图，对本专利技术进一步详细描述。如附图1所示，本专利技术是一种基于无线压电应变监测的风力发电塔连接螺栓失效诊断系统，由无线压电应变监测系统、数据储存系统、连接螺栓失效诊断系统、网络端分析系统组成。如附图2所示，无线压电应变监测系统压电材料布置方案一安装顺序如下：a.在靠近螺母(12)处套上高强垫片(15)，垫片外径小于螺母(12)外径。b.将压电材料(2)粘贴于高强垫片(15)，并预留一定空间，避免预压力引起的变形，并搭接导线(3)。c.在压电材料(2)外侧，使用两个半圆环保护压电材料(2)和高强垫片(15)，在半圆环相接处采用扣紧螺栓(16)锁定，并将导线(3)引出。如附图3所示，无线压电应变监测系统压电材料布置方案二安装顺序如下：a.将压电材料(2)布设于圆形截面，然后搭接导线(3)，使用塑料外壳(5)保护压电材料(2)。b.将扳手(17)卡住矩形截面，施加预加力。如附图4所示，无线压电应变监测系统压电材料布置方案三安装顺序如下：将压电材料(2)布设于塔筒(1)壁上，其位置为连接螺栓(11)正上方就近位置，使用塑料壳(5)保护，并将导(3)线引出。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无线压电应变监测的风力发电塔连接螺栓失效诊断系统，其特征在于：该系统包括无线压电应变监测系统、数据储存系统、连接螺栓失效诊断系统、网络端分析系统。所述的风力发电机塔筒(1)通过法兰盘(10)和连接螺栓(11)进行连接，连接螺栓(11)包括螺母(12)、螺栓立柱(13)、螺丝(14)；所述的无线压电应变监测系统，由高灵敏度的压电材料(2)和无线传感器(4)组成，压电材料(2)的粘贴方式有三种方案：所述的方案一是在高强垫片(15)上粘贴压电材料(2)，利用扣紧螺栓(16)将塑料外壳(5)锁定；所述的方案二是在螺母(12)两侧粘贴压电材料(2)，并用扳手(17)施加预加力；所述的方案三是在法兰盘(10)连接处的塔筒(1)壁上粘贴压电材料(2)，并用塑料外壳(5)保护，引出导线(3)。所述的数据储存系统是将实时应变时程响应(6)储存至数据中心服务器(7)上；所述的连接螺栓诊断系统(8)是基于连接螺栓(11)失效理论，判断螺栓的破坏情况；所述的网络端分析系统(9)是对储存的应变数据进行交互处理，并显示螺栓破坏情况，向客服发布安全预警信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于无线压电应变监测的风力发电塔连接螺栓失效诊断系统，其特征在于：该系统包括无线压电应变监测系统、数据储存系统、连接螺栓失效诊断系统、网络端分析系统。所述的风力发电机塔筒(1)通过法兰盘(10)和连接螺栓(11)进行连接，连接螺栓(11)包括螺母(12)、螺栓立柱(13)、螺丝(14)；所述的无线压电应变监测系统，由高灵敏度的压电材料(2)和无线传感器(4)组成，压电材料(2)的粘贴方式有三种方案：所述的方案一是在高强垫片(15)上粘贴压电材料(2)，利用扣紧螺栓(16)将塑料外壳(5)锁定；所述的方案二是在螺母(12)两侧粘贴压电材料(2)，并用扳手(17)施加预加力；所述的方案三是在法兰盘(10)连接处的塔筒(1)壁上粘贴压电材料(2)，并用塑料外壳(5)保护，引出导线(3)。所述的数据储存系统是将实时应变时程响应(6)储存至数据中心服务器(7)上；所述的连接螺栓诊断系统(8)是基于连接螺栓(11)失效理论，判断螺栓的破坏情况；所述的网络端分析系统(9)是对储存的应变数据进行交互处理，并显示螺栓破坏情况，向客服发布安全预警信息。2.根据权利要求1所述的一种基于无线压电应变监测的风力发电塔连接螺栓失效诊断系统，其特征在于：所述的无线压电应变监测系统由压电材料(2)、连接导线(3)、无线传感器(4)、塑料外壳(5)组成，可实现连接螺栓(11)的应变响应实时监测。3.根据权利要求1所述的一种基于无线压电应变监测的风力发电塔连接螺栓失效诊断系统，其特征在于：所述的压电材料布设位置方案一是在高强垫片(15)上粘贴压电材料(2)，并与螺母(12)底面保持一定空间，避免预压力对压电材料(2)的影响；为保证高强垫片(15)的完全受压，使...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇航，李小华，周绪红，刘宇森，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50