【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及風電領域，特別涉及一種風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法。
技術介紹
1、風力發電機葉根螺栓因長期處于反復荷載作用下，極易引起螺栓預拉力損失顯著，進而導致葉根螺栓因松動（即螺栓實際預拉力p0小于設計預拉力p0s）而發生疲勞斷裂，且葉片螺栓斷裂出現在葉片擺振方向（0°和180°方向）較多。
2、風力機葉根螺栓連接與傳統鋼結構建筑不同，葉根螺栓和風力機機頭輪轂連接法蘭的螺栓（以后簡稱法蘭螺栓）因長期處于反復荷載作用，極易引起螺栓實際預拉力p0損失，導致連接螺栓在外力作用下疲勞應力幅δσs顯著增加，如圖1所示，若不及時解決，必將導致螺栓過早的疲勞斷裂；圖1表示了螺栓在不同預拉力狀態下與其所受應力幅的關系，三條曲線分別代表了三種螺栓的實際軸力（這三種軸力是我們自己假設的），p0為螺栓沒有預應力損失（即風機剛建好時的螺栓軸力，螺栓預緊力施加到位了），0.8?p0為螺栓有較少預應力損失（即風機運行了一段時間的螺栓軸力或者本身螺栓就沒有擰緊，只擰了0.8?p0），0.5?p0為螺栓有較大預應力損失（即風機運行了較長時間，在疲勞荷載作用下螺栓預應力損失較大或者本身螺栓就沒有擰緊，只擰了0.5?p0）。在沒有外荷載時（如沒有風荷載或者風機在停機狀態），在相同彎矩幅δm作用下，三種螺栓疲勞應力幅δσs增加非常小，疲勞應力幅δσs小，疲勞壽命長（此時是三種螺栓的疲勞壽命幾乎是一樣的），如圖1左半部分所示。隨著外荷載的增加，在相同彎矩幅δm作用下，三種螺栓疲勞應力幅δσs將有顯著差別，如圖1右半部分所示。>
3、目前螺栓松動監測主要是針對單個螺栓松動情況進行檢測，方法僅能對螺栓松動進行定量檢測，無法進行松動程度評估和疲勞壽命預測。螺栓、螺栓松動角度實時監測系統及方法，風電機組的連接螺栓松動監測系統均針對的是單顆螺栓，在監測螺栓松動情況時，需要將傳感器布置在每顆螺栓上，必然會造成安裝監控傳感器數量多，費用高的問題。
4、螺栓壽命預測目前主要采用有限元法，有限元模型中不僅需要考慮螺栓的結構非線性、材料非線性和接觸非線性等因素，還需要考慮螺栓周圍剛度不均勻的問題，實際操作較為繁瑣；公開號為cn109000873b的專利文獻公開了一種螺栓松動壽命預測方法，公開號為cn117113710a的專利文獻公開了一種基于智能監測的風力發電機螺栓疲勞壽命預測方法，這2個專利文獻均沒有將實際工程的螺栓預拉力損失和螺栓壽命預測相結合，實際工程意義較小；公開號為cn114491854a的專利文獻公開了一種基于局部應力應變理論及有限元仿真的螺栓壽命快速預測方法，其對每個螺栓都進行有限元分析與模擬，不僅費時費力，且無法滿足實際工程中實時監測的需求。
技術實現思路
1、為了解決上述技術問題，本專利技術提供一種算法簡單、預測精度高的風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法。
2、本專利技術解決上述技術問題的技術方案是：一種風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，包括以下步驟：
3、s1：確定被監測葉根螺栓的葉片擺振方向；
4、s2：在葉片擺振方向和遠離葉根端布置應變片，以遠離葉根端作為上監測點，葉片擺振方向作為下監測點；
5、s3：在風力機開始運行時分別采集上監測點和下監測點的應變數據；
6、s4：將風力機運行1年上監測點和下監測點的應變比k值曲線作為標準曲線，將之后風力機運行一年的上監測點和下監測點的應變比k值曲線作為比對曲線；
7、s5：將標準曲線和對比曲線進行比對，分別將等效松1顆和等效松3顆螺栓的有限元計算k值曲線設定為預警線和報警線，設定預警和報警規則；
8、s6：建立監測螺栓群k值曲線，評估監測螺栓群的松動劣化趨勢；
9、s7：根據監測螺栓群k值曲線，確定螺栓松動區域，運用超聲測量技術檢測最不利螺栓軸力，最不利螺栓為松動程度最大的螺栓；
10、s8：主機廠家獲取被監測葉片葉根螺栓中最不利螺栓所受疲勞荷載，計算最不利螺栓的平均軸力；
11、s9：計算最不利螺栓所受疲勞荷載作用下螺桿中拉力增量；
12、s10：計算最不利螺栓所受的等效應力幅和平均應力；
13、s11：將計算得出的平均應力和等效應力幅代入螺栓疲勞曲線束進行計算，確定最不利螺栓的剩余疲勞壽命；
14、s12：綜合葉根螺栓群松動程度監測和最不利螺栓的剩余疲勞壽命預測結果，向業主提交風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測報告，并就可能存在的問題提出處理建議。
15、上述風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，所述步驟s1中，實際工程中，葉片螺栓斷裂出現在葉片擺振方向，即0°和180°方向，因此葉根螺栓監測位置明確，監測葉片擺振方向即可。
16、上述風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，所述步驟s2中，采用上、下監測點的錯位布置方案，在葉片擺振方向0°和180°位置分別設置下監測點和，下監測點左右兩側設置下監測點和，下監測點上方遠離葉根端設置上監測點，下監測點左右兩側設置下監測點和，下監測點上方遠離葉根端設置上監測點，其中、構成為主測組，、和、和、和構成為從測組，下監測點根據需要加密布置，而上監測點僅需布置一個。
17、上述風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，所述步驟s2中，根據圣維南邊界條件可知，上監測點、下監測點的位置是有距離要求的，實際工程中取上監測點距法蘭連接處≥0.7d，d為塔筒直徑，以保證上監測點應變只反映荷載大小情況，且完全消除受到法蘭邊界條件的影響。
18、上述風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，所述步驟s5中，預警和報警規則為：
19、若k≤預警線，則判斷為安全，應對措施為不采取措施；
20、若預警線<k≤報警線，則判斷為預警，應對措施為檢查是否存在單顆螺栓存在松動，并持續關注；
21、若k＞報警線，則判斷為報警，應對措施為立即進行螺栓疲勞壽命預測。
22、上述風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，所述步驟s6具體過程為：
23、外力作用下松動螺栓存在兩種狀態，與正常螺栓不同，存在螺栓實際預拉力p0小于設計預拉力，其結果是外力作用下，連接面壓力下降為0而導致連接面脫開，導致受力狀態發生改變，法蘭連接剛度下降，故存在螺栓在外拉力n作用下分為正常受力和松動兩種受力狀態；
24、正常受力狀態：
25、正常受力狀態為外拉力n小于法蘭連接面預壓力c，螺栓受力滿足下列平衡方程：
26、（1）
27、式中：δp為螺桿中拉力增量；δc為法蘭接觸壓力減少值；p為螺栓軸力；此時，外力大部分克服預壓力，僅小部分δp施加到螺栓上：
28、（2）
29、式中：kb和kc分別為螺桿和法蘭豎向剛度；
30、松動受力本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，其特征在于，所述步驟S1中，實際工程中，葉片螺栓斷裂出現在葉片擺振方向，即0°和180°方向，因此葉根螺栓監測位置明確，監測葉片擺振方向即可。
3.根據權利要求1所述的風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，其特征在于，所述步驟S2中，采用上、下監測點的錯位布置方案，在葉片擺振方向0°和180°位置分別設置下監測點和，下監測點左右兩側設置下監測點和，下監測點上方遠離葉根端設置上監測點，下監測點左右兩側設置下監測點和，下監測點上方遠離葉根端設置上監測點，其中、構成為主測組，、和、和、和構成為從測組，下監測點根據需要加密布置，而上監測點僅需布置一個。
4.根據權利要求3所述的風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，其特征在于，所述步驟S2中，根據圣維南邊界條件可知，上監測點、下監測點的位置是有距離要求的，實際工程中取上監測點距法蘭連接處≥0.7d，d為塔筒直徑，以
5.根據權利要求1所述的風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，其特征在于，所述步驟S5中，預警和報警規則為：
6.根據權利要求1所述的風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，其特征在于，所述步驟S6具體過程為：
7.根據權利要求1所述的風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，其特征在于，所述步驟S8中，從主機廠家獲取被監測葉片葉根螺栓中最不利螺栓所受疲勞荷載的最小值Nmin、最不利螺栓所受疲勞荷載的最大值Nmax，得到最不利螺栓的平均軸力Pmean：
8.根據權利要求6所述的風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，其特征在于，所述步驟S9中，對于運行風力機葉片，螺栓實際預拉力P0、最不利螺栓所受疲勞荷載的最小值Nmin和最不利螺栓所受疲勞荷載的最大值Nmax，因松動螺栓受力狀態的改變，導致其實際疲勞應力幅的變化，具體分為以下三種情況：
9.根據權利要求1所述的風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，其特征在于，所述步驟S10中，按下式計算最不利螺栓所受的等效應力幅和平均應力；
...【技術特征摘要】
1.一種風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，其特征在于，所述步驟s1中，實際工程中，葉片螺栓斷裂出現在葉片擺振方向，即0°和180°方向，因此葉根螺栓監測位置明確，監測葉片擺振方向即可。
3.根據權利要求1所述的風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，其特征在于，所述步驟s2中，采用上、下監測點的錯位布置方案，在葉片擺振方向0°和180°位置分別設置下監測點和，下監測點左右兩側設置下監測點和，下監測點上方遠離葉根端設置上監測點，下監測點左右兩側設置下監測點和，下監測點上方遠離葉根端設置上監測點，其中、構成為主測組，、和、和、和構成為從測組，下監測點根據需要加密布置，而上監測點僅需布置一個。
4.根據權利要求3所述的風力機葉根螺栓群松動程度在線監控及疲勞壽命預測方法，其特征在于，所述步驟s2中，根據圣維南邊界條件可知，上監測點、下監測點的位置是有距離要求的，實際工程中取上監測點距法蘭連接處≥0.7d，d為塔筒直徑，以保證上監測點應變只反映荷載大小情況，且完全消...
【專利技術屬性】
技術研發人員：呂偉榮，吳佳強，戚菁菁，蔣立忠，盧倍嶸，劉雪梅，姚帥，
申請(專利權)人：湖南科技大學，
類型：發明
國別省市：
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