本發(fā)明屬于風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔筒上的塔筒螺栓疲勞預(yù)測方法及預(yù)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒采用螺栓進(jìn)行連接，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作的過程中，受風(fēng)力產(chǎn)生的扭矩以及塔筒自身的重量等因素影響，塔筒圓周上的螺栓會有不同程度的疲勞，這些疲勞在累積一定程度以后會導(dǎo)致螺栓失效，從而影響到整個塔筒的穩(wěn)定性。

為了避免塔筒螺栓因?yàn)槠诙?，常用的是采用對風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行定期保養(yǎng)的方法，但是由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒上的螺栓眾多，如果一次性全部進(jìn)行保養(yǎng)，必然帶來人工成本的上升，而且全部螺栓保養(yǎng)一次的效率也偏低。

在實(shí)踐中，一般是由人工定期抽檢，具體的做法是：抽檢10％按年檢力矩進(jìn)行緊固，如發(fā)現(xiàn)有一顆螺栓松動(被旋緊達(dá)到20°以上)，則整個節(jié)點(diǎn)的螺栓全部緊固一遍。顯然，這樣的保養(yǎng)策略存在著偶然性、隨機(jī)性，并不能通過這樣的把疲勞嚴(yán)重的螺栓全部檢出。所以采用人工定期抽檢的方式并不能消除螺栓疲勞的安全隱患，而在抽檢的過程中，被抽檢的螺栓必然存在著不同程度的疲勞，由于抽檢的盲目性，對于疲勞程度較輕的螺栓也只能一個一個進(jìn)行排除，存在著人力財(cái)力的浪費(fèi)。

而事實(shí)上，即使是按照10％的比例進(jìn)行抽檢，對一個風(fēng)力發(fā)電機(jī)完成一次抽檢，也需要花費(fèi)大量的精力。

現(xiàn)有技術(shù)中，對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒螺栓的疲勞壽命進(jìn)行分析的方法，大豆停留在整體上進(jìn)行分析的層面，無法針對單獨(dú)螺栓進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算，所以現(xiàn)在的大多數(shù)論文都僅僅停留在理論研究層面。實(shí)踐中，對于疲勞損傷程度高的螺栓，無法通過理論分析的方式檢出，也無法提供螺栓疲勞狀態(tài)的整體監(jiān)測和預(yù)警。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種塔筒螺栓疲勞預(yù)測方法及預(yù)測系統(tǒng)，解決當(dāng)前技術(shù)無法檢出風(fēng)力發(fā)電機(jī)上偏勞損傷程度高的螺栓的問題。

第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種塔筒螺栓疲勞預(yù)測方法，包括：

實(shí)時檢測風(fēng)速V、風(fēng)向α以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航角度ω，其中所述偏航角度指向所述風(fēng)向α；

獲得塔筒上待測螺栓的方位角β，并確定所述待測螺栓所在位置的塔筒的直徑D以及所述待測螺栓的方位角β與風(fēng)向α的夾角θ；

獲得所述待測螺栓的預(yù)緊應(yīng)力F0；

獲得所述待測螺栓上方的塔筒及機(jī)艙對所述待測螺栓施加的靜止載荷應(yīng)力F1；

獲得所述機(jī)艙對所述待測螺栓施加的偏心載荷應(yīng)力F2；

獲得所述待測螺栓上方的塔筒的迎風(fēng)面對所述待測螺栓施加的迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3；

獲得所述機(jī)艙的葉輪對所述待測螺栓施加的轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4；

獲得所述待測螺栓的總應(yīng)力F：總應(yīng)力F＝預(yù)緊應(yīng)力F0+靜止載荷應(yīng)力F1+偏心載荷應(yīng)力F2+迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3+轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4；

在預(yù)定的時間T范圍內(nèi)對總應(yīng)力F進(jìn)行累積，得到待測螺栓的疲勞損耗Wn。

可選擇地，獲得所述待測螺栓上方的塔筒及機(jī)艙對所述待測螺栓施加的靜止載荷應(yīng)力F1，包括：

獲得塔筒的重量G1；

獲得機(jī)艙的重量G2；

根據(jù)塔筒的重量G1和機(jī)艙的重量G2計(jì)算所述待測螺栓分擔(dān)的靜止載荷應(yīng)力F1，例如可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：F1＝K1*(G1+G2)/n，其中，K1是無量綱系數(shù)，n是所述待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數(shù)。

可選擇地，獲得所述機(jī)艙對所述待測螺栓施加的偏心載荷應(yīng)力F2，包括：

獲得機(jī)艙的重量G2；

獲得機(jī)艙的重心偏離塔筒的中心線的距離D；

根據(jù)所述重量G2和所述距離d計(jì)算所述待測螺栓的偏心載荷應(yīng)力F2，例如可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：F2＝K2*G2*d*cosθ/n，其中，K2是無量綱系數(shù)，n是所述待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數(shù)。

可選擇地，獲得所述待測螺栓上方的塔筒的迎風(fēng)面對所述待測螺栓施加的迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3，包括：

獲得所述待測螺栓上方的塔筒的迎風(fēng)面的面積S1，以及所述待測螺栓上方的塔筒的高度H；

根據(jù)所述面積S1、所述風(fēng)速V、所述直徑D和所述高度H計(jì)算所述待測螺栓分擔(dān)的迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3，例如可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：F3＝K3*S1*H*cosθ/n*D，其中，K3是修正系數(shù)，n是所述待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數(shù)。

可選擇地，獲得所述機(jī)艙的葉輪對所述待測螺栓施加的轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4，包括：

獲得所述葉輪的迎風(fēng)面的面積S2；

獲得所述葉輪的轉(zhuǎn)速v；

獲得所述葉輪的葉片相對于迎風(fēng)面的偏轉(zhuǎn)角度φ；

根據(jù)所述面積S2、所述轉(zhuǎn)速v、所述風(fēng)速V、所述偏轉(zhuǎn)角度φ、所述高度H、所述直徑D計(jì)算所述待測螺栓分擔(dān)的轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4，例如可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：F4＝K4*V*H*S2*v²*cosφ/n*D，其中K4是修正系數(shù)，n是所述待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數(shù)。

可選擇地，所述在預(yù)定的時間T范圍內(nèi)對總應(yīng)力F進(jìn)行累積，包括：

根據(jù)總應(yīng)力F與時間的關(guān)系，直接對總應(yīng)力F進(jìn)行累積求和；或者，

根據(jù)總應(yīng)力F與時間、應(yīng)力疲勞關(guān)系式的關(guān)系，對總應(yīng)力F進(jìn)行歸一化處理后再進(jìn)行累積求和。

可選擇地所述對總應(yīng)力F進(jìn)行歸一化處理，包括根據(jù)應(yīng)力疲勞關(guān)系式，將所述總應(yīng)力F換算為預(yù)設(shè)應(yīng)力Fs條件下的疲勞頻次。

對總應(yīng)力F進(jìn)行累積時，采用離散檢測的方式獲得所述總應(yīng)力F，或者，采用連續(xù)檢測的方式獲得所述總應(yīng)力F。

可選擇地，本發(fā)明實(shí)施例提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測方法，還包括：

檢測所述待測螺栓位置的所述塔筒圓周上全部螺栓的疲勞損耗Wn；

將獲得的疲勞損耗Wn與預(yù)設(shè)閾值Wx進(jìn)行比較，當(dāng)Wn≥Wx時，輸出對應(yīng)的Wn、以及Wn對應(yīng)的螺栓所在位置信息；

當(dāng)獲得的疲勞損耗Wn都不滿足Wn≥Wx時，輸出所述全部螺栓的疲勞損耗的最大值Wmax、以及所述最大值Wmax對應(yīng)的螺栓所在位置信息。

本發(fā)明提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測方法，準(zhǔn)確判斷塔筒上螺栓的疲勞損傷程度，為塔筒的螺栓檢修提供準(zhǔn)確定位，節(jié)約機(jī)組檢修成本。

第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種塔筒螺栓疲勞預(yù)測系統(tǒng)，包括：

檢測器，用于實(shí)時檢測風(fēng)速V、風(fēng)向α以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航角度ω，其中所述偏航角度指向所述風(fēng)向α；

控制器，用于獲得塔筒上待測螺栓的方位角β，并確定所述待測螺栓所在位置的塔筒的直徑D以及所述待測螺栓的方位角β與風(fēng)向α的夾角θ；

獲得所述待測螺栓的預(yù)緊應(yīng)力F0；

獲得所述待測螺栓上方的塔筒及機(jī)艙對所述待測螺栓施加的靜止載荷應(yīng)力F1；

獲得所述機(jī)艙對所述待測螺栓施加的偏心載荷應(yīng)力F2；

獲得所述待測螺栓上方的塔筒的迎風(fēng)面對所述待測螺栓施加的迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3；

獲得所述機(jī)艙的葉輪對所述待測螺栓施加的轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4；

獲得所述待測螺栓的總應(yīng)力F：總應(yīng)力F＝預(yù)緊應(yīng)力F0+靜止載荷應(yīng)力F1+偏心載荷應(yīng)力F2+迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3+轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4；

以及，在預(yù)定的時間T范圍內(nèi)對總應(yīng)力F進(jìn)行累積，得到待測螺栓的疲勞損耗Wn。

所述控制器獲得所述待測螺栓上方的塔筒及機(jī)艙對所述待測螺栓施加的靜止載荷應(yīng)力F1，包括：

獲得塔筒的重量G1；

獲得機(jī)艙的重量G2；

根據(jù)塔筒的重量G1和機(jī)艙的重量G2計(jì)算所述待測螺栓分擔(dān)的靜止載荷應(yīng)力F1，例如可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：F1＝K1*(G1+G2)/n，其中，K1是無量綱系數(shù)，n是所述待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數(shù)；

和/或，所述控制器獲得所述機(jī)艙對所述待測螺栓施加的偏心載荷應(yīng)力F2，包括：

獲得機(jī)艙的重量G2；

獲得機(jī)艙的重心偏離塔筒的中心線的距離D；

根據(jù)所述重量G2和所述距離d計(jì)算所述待測螺栓的偏心載荷應(yīng)力F2，例如可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：F2＝K2*G2*d*cosθ/n，其中，K2是無量綱系數(shù)，n是所述待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數(shù)；

和/或，所述控制器獲得所述待測螺栓上方的塔筒的迎風(fēng)面對所述待測螺栓施加的迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3，包括：

獲得所述待測螺栓上方的塔筒的迎風(fēng)面的面積S1，以及所述待測螺栓上方的塔筒的高度H；

根據(jù)所述面積S1、所述風(fēng)速V、所述直徑D和所述高度H計(jì)算所述待測螺栓分擔(dān)的迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3，例如可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

F3＝K3*S1*H*cosθ/n*D，其中，K3是修正系數(shù)，n是所述待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數(shù)；

和/或，所述控制器獲得所述機(jī)艙的葉輪對所述待測螺栓施加的轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4，包括：

獲得所述葉輪的迎風(fēng)面的面積S2；

獲得所述葉輪的轉(zhuǎn)速v；

獲得所述葉輪的葉片相對于迎風(fēng)面的偏轉(zhuǎn)角度φ；

根據(jù)所述面積S2、所述轉(zhuǎn)速v、所述風(fēng)速V、所述偏轉(zhuǎn)角度φ、所述高度H、所述直徑D計(jì)算所述待測螺栓分擔(dān)的轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4，例如可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：F4＝K4*V*H*S2*v²*cosφ/n*D，其中K4是修正系數(shù)，n是所述待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數(shù)。

可選擇地，所述控制器在預(yù)定的時間T范圍內(nèi)對總應(yīng)力F進(jìn)行累積，包括：

根據(jù)總應(yīng)力F與時間的關(guān)系，直接對總應(yīng)力F進(jìn)行累積求和；或者，

根據(jù)總應(yīng)力F與時間、應(yīng)力疲勞關(guān)系式的關(guān)系，對總應(yīng)力F進(jìn)行歸一化處理后再進(jìn)行累積求和。

可選擇地，所述對總應(yīng)力F進(jìn)行歸一化處理，包括根據(jù)應(yīng)力疲勞關(guān)系式，將所述總應(yīng)力F換算為預(yù)設(shè)應(yīng)力Fs條件下的疲勞頻次。

對總應(yīng)力F進(jìn)行累積時，采用離散檢測的方式獲得所述總應(yīng)力F，或者，采用連續(xù)檢測的方式獲得所述總應(yīng)力F。

可選擇地，所述控制器，還用于檢測所述待測螺栓位置的所述塔筒圓周上全部螺栓的疲勞損耗Wn；

將獲得的疲勞損耗Wn與預(yù)設(shè)閾值Wx進(jìn)行比較，當(dāng)Wn≥Wx時，輸出對應(yīng)的Wn、以及Wn對應(yīng)的螺栓所在位置信息給報(bào)警器；

當(dāng)獲得的疲勞損耗Wn都不滿足Wn≥Wx時，輸出所述全部螺栓的疲勞損耗的最大值Wmax、以及所述最大值Wmax對應(yīng)的螺栓所在位置信息報(bào)警器；

所述報(bào)警器，用于輸出聲音信號、光信號和/或電子信號。

本發(fā)明提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確判斷塔筒上螺栓的疲勞損傷程度，為塔筒的螺栓檢修提供準(zhǔn)確定位，節(jié)約機(jī)組檢修成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對本發(fā)明實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面所描述的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例所述塔筒螺栓疲勞預(yù)測方法的流程示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例所述塔筒螺栓疲勞預(yù)測系統(tǒng)的模塊示意圖；

圖3是塔筒圓周上的螺栓受力示意圖；

圖4是應(yīng)力疲勞曲線；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例所述塔筒螺栓疲勞預(yù)測方法的示意圖；

圖6是經(jīng)過預(yù)定的時間T之后檢測到的塔筒上的螺栓應(yīng)力累積示意圖。

圖中：

10、檢測器；20、控制器；30、報(bào)警器。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

下面將詳細(xì)描述本發(fā)明的各個方面的特征和示例性實(shí)施例。在下面的詳細(xì)描述中，提出了許多具體細(xì)節(jié)，以便提供對本發(fā)明的全面理解。但是，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說很明顯的是，本發(fā)明可以在不需要這些具體細(xì)節(jié)中的一些細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。下面對實(shí)施例的描述僅僅是為了通過示出本發(fā)明的示例來提供對本發(fā)明的更好的理解。本發(fā)明決不限于下面所提出的任何具體配置和算法，而是在不脫離本發(fā)明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和算法的任何修改、替換和改進(jìn)。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以便避免對本發(fā)明造成不必要的模糊。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本申請。

如圖1、圖3-圖5所示，第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種塔筒螺栓疲勞預(yù)測方法，包括：

實(shí)時檢測風(fēng)速V、風(fēng)向α以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航角度ω，其中偏航角度指向風(fēng)向α；

獲得塔筒上待測螺栓的方位角β，并確定待測螺栓所在位置的塔筒的直徑D以及待測螺栓的方位角β與風(fēng)向α的夾角θ；

獲得待測螺栓的預(yù)緊應(yīng)力F0，通常地，預(yù)緊應(yīng)力F0是在塔筒安裝的時候，根據(jù)安裝的需要而由工程師進(jìn)行設(shè)定；

獲得待測螺栓上方的塔筒及機(jī)艙對待測螺栓施加的靜止載荷應(yīng)力F1，由于在風(fēng)力發(fā)電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下，塔筒上的螺栓也會承受由塔筒及上面機(jī)艙的重量帶來的應(yīng)力作用，在計(jì)算應(yīng)力載荷時需要將這部分內(nèi)容納入考量，以使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確；

獲得機(jī)艙對待測螺栓施加的偏心載荷應(yīng)力F2，由于機(jī)艙的重心一般不在塔筒的中心線上，所以機(jī)艙的偏心安裝的方式，會給塔筒帶來偏心扭矩，這個偏心扭矩作用在塔筒的螺栓上時，就形成了偏心載荷應(yīng)力F2；

獲得待測螺栓上方的塔筒的迎風(fēng)面對待測螺栓施加的迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3，每個塔筒在受到風(fēng)力作用時，塔筒的迎風(fēng)面都會承受風(fēng)力帶來的彎矩作用，這部分彎矩作用在塔筒上的螺栓上形成迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3；

獲得機(jī)艙的葉輪對待測螺栓施加的轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4，葉輪在旋轉(zhuǎn)的過程中會對機(jī)艙施加力的作用，由機(jī)艙將這部分力的作用施加在塔筒的螺栓上，從而形成轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4；

獲得待測螺栓的總應(yīng)力F：總應(yīng)力F＝預(yù)緊應(yīng)力F0+靜止載荷應(yīng)力F1+偏心載荷應(yīng)力F2+迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3+轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4；

在預(yù)定的時間T范圍內(nèi)對總應(yīng)力F進(jìn)行累積，得到待測螺栓的疲勞損耗Wn。

本實(shí)施例提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測方法，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔筒、機(jī)艙的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向信息，就可以得到塔筒圓周上的螺栓承受的應(yīng)力，通過實(shí)時檢測的方式得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)累積之后，可以判斷螺栓的疲勞損傷程度；特別是在風(fēng)速、風(fēng)向變化的工作環(huán)境中，可以提前預(yù)估到疲勞損傷大的螺栓，從而為檢修和維護(hù)提供可靠的參考，省去了全部檢修螺栓帶來的時間成本和人力成本的上升。

可選擇地，本實(shí)施例提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測方法中，獲得待測螺栓上方的塔筒及機(jī)艙對待測螺栓施加的靜止載荷應(yīng)力F1，包括：

獲得塔筒的重量G1；

獲得機(jī)艙的重量G2；

根據(jù)塔筒的重量G1和機(jī)艙的重量G2計(jì)算待測螺栓分擔(dān)的靜止載荷應(yīng)力F1，例如可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：F1＝K1*(G1+G2)/n，其中，K1是無量綱系數(shù)，n是待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數(shù)，本公式的其他參數(shù)均能夠直接獲得。根據(jù)已知的上述參數(shù)，可以經(jīng)過計(jì)算得到靜止載荷應(yīng)力F1，但是對靜止應(yīng)力載荷F1的計(jì)算，并不局限于以上提供的公式，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以根據(jù)以上的參數(shù)采用其他的方法計(jì)算得到靜止載荷應(yīng)力F1。

可選擇地，本實(shí)施例提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測方法中，獲得機(jī)艙對待測螺栓施加的偏心載荷應(yīng)力F2，包括：

獲得機(jī)艙的重量G2；

獲得機(jī)艙的重心偏離塔筒的中心線的距離D；

根據(jù)重量G2和距離d計(jì)算待測螺栓的偏心載荷應(yīng)力F2，例如可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：F2＝K2*G2*d*cosθ/n，其中，K2是無量綱系數(shù)，n是待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數(shù)，本公式的其他參數(shù)均能夠直接獲得。根據(jù)已知的上述參數(shù)，可以經(jīng)過計(jì)算得到偏心載荷應(yīng)力F2，但是對偏心載荷應(yīng)力F2的計(jì)算，并不局限于以上提供的公式，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以根據(jù)以上的參數(shù)采用其他的方法計(jì)算得到偏心載荷應(yīng)力F2。

可選擇地，本實(shí)施例提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測方法中，獲得待測螺栓上方的塔筒的迎風(fēng)面對待測螺栓施加的迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3，包括：

獲得待測螺栓上方的塔筒的迎風(fēng)面的面積S1，以及待測螺栓上方的塔筒的高度H；

根據(jù)面積S1、風(fēng)速V、直徑D和高度H計(jì)算待測螺栓分擔(dān)的迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3，例如可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：F3＝K3*S1*H*cosθ/n*D，其中，K3是修正系數(shù)，n是待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數(shù)，本公式的其他參數(shù)均能夠直接獲得。根據(jù)已知的上述參數(shù)，可以經(jīng)過計(jì)算得到迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3，但是對迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3的計(jì)算，并不局限于以上提供的公式，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以根據(jù)以上的參數(shù)采用其他的方法計(jì)算得到迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3。

可選擇地，本實(shí)施例提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測方法中，獲得機(jī)艙的葉輪對待測螺栓施加的轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4，包括：

獲得葉輪的迎風(fēng)面的面積S2；

獲得葉輪的轉(zhuǎn)速v；

獲得葉輪的葉片相對于迎風(fēng)面的偏轉(zhuǎn)角度φ；

根據(jù)面積S2、轉(zhuǎn)速v、風(fēng)速V、偏轉(zhuǎn)角度φ、高度H、直徑D計(jì)算待測螺栓分擔(dān)的轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4，例如可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

F4＝K4*V*H*S2*v²*cosφ/n*D，其中K4是修正系數(shù)，n是待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數(shù)，本公式的其他參數(shù)均能夠直接獲得。根據(jù)已知的上述參數(shù)，可以經(jīng)過計(jì)算得到轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4，但是對轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4的計(jì)算，并不局限于以上提供的公式，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以根據(jù)以上的參數(shù)采用其他的方法計(jì)算得到轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4。

可選擇地，本實(shí)施例提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測方法中，在預(yù)定的時間T范圍內(nèi)對總應(yīng)力F進(jìn)行累積，包括：

根據(jù)總應(yīng)力F與時間的關(guān)系，直接對總應(yīng)力F進(jìn)行累積求和，可以得到一定時間內(nèi)的應(yīng)力累積，根據(jù)應(yīng)力累積之后的結(jié)果可以判斷疲勞損傷的情況，從而為工作人員提供參考；或者，

根據(jù)總應(yīng)力F與時間、應(yīng)力疲勞關(guān)系式的關(guān)系，對總應(yīng)力F進(jìn)行歸一化處理后再進(jìn)行累積求和，由于不同的應(yīng)力條件下的疲勞損傷是不同的，所以將不同的應(yīng)力以指定應(yīng)力Fs為參考進(jìn)行計(jì)算，從而可以得到更準(zhǔn)確的疲勞損傷。舉例來說，假如指定應(yīng)力Fs為6MPa，對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為Q1＝2×10⁶次，檢測的應(yīng)力F是8MPa，對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為Q2＝10⁶次，檢測的應(yīng)力是1MPa，對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為無限循環(huán)。那么在進(jìn)行歸一化處理時，不用將1MPa的應(yīng)力納入統(tǒng)計(jì)(因?yàn)?MPa的應(yīng)力不會帶來疲勞損傷)；持續(xù)時間t1的8MPa，歸一化為6MPa應(yīng)力時，等效為t1*Q1/Q2＝2*t1時間，在進(jìn)行頻次計(jì)算的時候就可以根據(jù)等效時間來計(jì)算。

在通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行歸一化處理時，也可以不采用特定的公式關(guān)系，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，將不同應(yīng)力下的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與指定應(yīng)力Fs的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系統(tǒng)計(jì)成表格，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)錄入計(jì)算機(jī)程序中，由計(jì)算機(jī)根據(jù)表格所列的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

可選擇地，本實(shí)施例提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測方法中，應(yīng)力疲勞關(guān)系式為：S^m*N＝C；S＝C*Nⁿ；e^ms*N＝C；N*△σ^m＝C；(S-S_f)^m*N＝C中的任意一個；以上公式是常用的S-N疲勞關(guān)系公式，根據(jù)螺栓的材料不同，都有對應(yīng)的疲勞關(guān)系公式，這在本領(lǐng)域技術(shù)人員是熟知的，所使用的的疲勞關(guān)系式也不限于以上所列；

和/或，對總應(yīng)力F進(jìn)行歸一化處理，包括根據(jù)應(yīng)力疲勞關(guān)系式，將總應(yīng)力F換算為預(yù)設(shè)應(yīng)力Fs條件下的疲勞頻次。

對總應(yīng)力F進(jìn)行累積時，采用離散檢測的方式獲得總應(yīng)力F，或者，采用連續(xù)檢測的方式獲得總應(yīng)力F。

如圖6所示，可選擇地，本實(shí)施例提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測方法，還包括：

檢測待測螺栓位置的塔筒圓周上全部螺栓的疲勞損耗Wn；

將獲得的疲勞損耗Wn與預(yù)設(shè)閾值Wx(例如，如圖6中所示的預(yù)設(shè)閾值Wx＝6)進(jìn)行比較，當(dāng)Wn≥Wx時，輸出對應(yīng)的Wn、以及Wn對應(yīng)的螺栓所在位置信息；此時可以檢修疲勞損耗Wn超過預(yù)設(shè)閾值Wx的螺栓，而不需要檢修全部螺栓。

當(dāng)獲得的疲勞損耗Wn都不滿足Wn≥Wx時(例如，如圖6中所示的預(yù)設(shè)閾值Wx＝8)，輸出全部螺栓的疲勞損耗的最大值Wmax、以及最大值Wmax對應(yīng)的螺栓所在位置信息。此時，只需要檢修疲勞損耗的最大值Wmax對應(yīng)的螺栓即可，而不需要檢修全部螺栓。

本發(fā)明提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測方法，準(zhǔn)確判斷塔筒上螺栓的疲勞損傷程度，為塔筒的螺栓檢修提供準(zhǔn)確定位，節(jié)約機(jī)組檢修成本；在螺栓的疲勞達(dá)到或超過預(yù)設(shè)閾值時，預(yù)防螺栓因過疲勞而斷裂情況的發(fā)生；同時，通過本方法可以采集到塔筒圓周任意位置的螺栓的疲勞強(qiáng)度累積情況，從而為優(yōu)化塔筒設(shè)計(jì)及螺栓的安裝提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

第二方面，如圖2-圖5所示，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種塔筒螺栓疲勞預(yù)測系統(tǒng)，包括：

檢測器10，用于實(shí)時檢測風(fēng)速V、風(fēng)向α以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航角度ω，其中偏航角度指向風(fēng)向α；

控制器20，用于獲得塔筒上待測螺栓的方位角β，并確定待測螺栓所在位置的塔筒的直徑D以及待測螺栓的方位角β與風(fēng)向α的夾角θ；

獲得待測螺栓的預(yù)緊應(yīng)力F0，通常地，預(yù)緊應(yīng)力F0是在塔筒安裝的時候，根據(jù)安裝的需要而由工程師進(jìn)行設(shè)定；

獲得待測螺栓上方的塔筒及機(jī)艙對待測螺栓施加的靜止載荷應(yīng)力F1，由于在風(fēng)力發(fā)電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下，塔筒上的螺栓也會承受由塔筒及上面機(jī)艙的重量帶來的應(yīng)力作用，在計(jì)算應(yīng)力載荷時需要將這部分內(nèi)容納入考量，以使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確；

獲得機(jī)艙對待測螺栓施加的偏心載荷應(yīng)力F2，由于機(jī)艙的重心一般不在塔筒的中心線上，所以機(jī)艙的偏心安裝的方式，會給塔筒帶來偏心扭矩，這個偏心扭矩作用在塔筒的螺栓上時，就形成了偏心載荷應(yīng)力F2；

獲得待測螺栓上方的塔筒的迎風(fēng)面對待測螺栓施加的迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3，每個塔筒在受到風(fēng)力作用時，塔筒的迎風(fēng)面都會承受風(fēng)力帶來的彎矩作用，這部分彎矩作用在塔筒上的螺栓上形成迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3；

獲得機(jī)艙的葉輪對待測螺栓施加的轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4，葉輪在旋轉(zhuǎn)的過程中會對機(jī)艙施加力的作用，由機(jī)艙將這部分力的作用施加在塔筒的螺栓上，從而形成轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4；

獲得待測螺栓的總應(yīng)力F：總應(yīng)力F＝預(yù)緊應(yīng)力F0+靜止載荷應(yīng)力F1+偏心載荷應(yīng)力F2+迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3+轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4；

以及，在預(yù)定的時間T范圍內(nèi)對總應(yīng)力F進(jìn)行累積，得到待測螺栓的疲勞損耗Wn。

本實(shí)施例提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔筒、機(jī)艙的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向信息，就可以得到塔筒圓周上的螺栓承受的應(yīng)力，通過實(shí)時檢測的方式得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)累積之后，可以判斷螺栓的疲勞損傷程度；特別是在風(fēng)速、風(fēng)向變化的工作環(huán)境中，可以提前預(yù)估到疲勞損傷大的螺栓，從而為檢修和維護(hù)提供可靠的參考，省去了全部檢修螺栓帶來的時間成本和人力成本的上升。

可選擇地，本實(shí)施例提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測系統(tǒng)中，控制器20獲得待測螺栓上方的塔筒及機(jī)艙對待測螺栓施加的靜止載荷應(yīng)力F1，包括：

獲得塔筒的重量G1；

獲得機(jī)艙的重量G2；

根據(jù)塔筒的重量G1和機(jī)艙的重量G2計(jì)算待測螺栓分擔(dān)的靜止載荷應(yīng)力F1，例如可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：F1＝K1*(G1+G2)/n，其中，K1是無量綱系數(shù)，n是待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數(shù)，本公式的其他參數(shù)均能夠直接獲得；根據(jù)已知的上述參數(shù)，可以經(jīng)過計(jì)算得到靜止載荷應(yīng)力F1，但是對靜止應(yīng)力載荷F1的計(jì)算，并不局限于以上提供的公式，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以根據(jù)以上的參數(shù)采用其他的方法計(jì)算得到靜止載荷應(yīng)力F1。

可選擇地，本實(shí)施例提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測系統(tǒng)中，控制器20獲得機(jī)艙對待測螺栓施加的偏心載荷應(yīng)力F2，包括：

獲得機(jī)艙的重量G2；

獲得機(jī)艙的重心偏離塔筒的中心線的距離D；

根據(jù)重量G2和距離d計(jì)算待測螺栓的偏心載荷應(yīng)力F2，例如可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：F2＝K2*G2*d*cosθ/n，其中，K2是無量綱系數(shù)，n是待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數(shù)，本公式的其他參數(shù)均能夠直接獲得，本公式的其他參數(shù)均能夠直接獲得；根據(jù)已知的上述參數(shù)，可以經(jīng)過計(jì)算得到偏心載荷應(yīng)力F2，但是對偏心載荷應(yīng)力F2的計(jì)算，并不局限于以上提供的公式，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以根據(jù)以上的參數(shù)采用其他的方法計(jì)算得到偏心載荷應(yīng)力F2。

可選擇地，本實(shí)施例提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測系統(tǒng)中，控制器20獲得待測螺栓上方的塔筒的迎風(fēng)面對待測螺栓施加的迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3，包括：

獲得待測螺栓上方的塔筒的迎風(fēng)面的面積S1，以及待測螺栓上方的塔筒的高度H；

根據(jù)面積S1、風(fēng)速V、直徑D和高度H計(jì)算待測螺栓分擔(dān)的迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3，例如可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：F3＝K3*S1*H*cosθ/n*D，其中，K3是修正系數(shù)，n是待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數(shù)，本公式的其他參數(shù)均能夠直接獲得；根據(jù)已知的上述參數(shù)，可以經(jīng)過計(jì)算得到迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3，但是對迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3的計(jì)算，并不局限于以上提供的公式，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以根據(jù)以上的參數(shù)采用其他的方法計(jì)算得到迎風(fēng)載荷應(yīng)力F3。

可選擇地，本實(shí)施例提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測系統(tǒng)中，控制器20獲得機(jī)艙的葉輪對待測螺栓施加的轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4，包括：

獲得葉輪的迎風(fēng)面的面積S2；

獲得葉輪的轉(zhuǎn)速v；

獲得葉輪的葉片相對于迎風(fēng)面的偏轉(zhuǎn)角度φ；

根據(jù)面積S2、轉(zhuǎn)速v、風(fēng)速V、偏轉(zhuǎn)角度φ、高度H、直徑D計(jì)算待測螺栓分擔(dān)的轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4，例如可以采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：F4＝K4*V*H*S2*v²*cosφ/n*D，其中K4是修正系數(shù)，n是待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數(shù)，本公式的其他參數(shù)均能夠直接獲得。根據(jù)已知的上述參數(shù)，可以經(jīng)過計(jì)算得到轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4，但是對轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4的計(jì)算，并不局限于以上提供的公式，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以根據(jù)以上的參數(shù)采用其他的方法計(jì)算得到轉(zhuǎn)動載荷應(yīng)力F4。

可選擇地，本實(shí)施例提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測系統(tǒng)中，控制器20在預(yù)定的時間T范圍內(nèi)對總應(yīng)力F進(jìn)行累積，包括：

根據(jù)總應(yīng)力F與時間的關(guān)系，直接對總應(yīng)力F進(jìn)行累積求和，可以得到一定時間內(nèi)的應(yīng)力累積，根據(jù)應(yīng)力累積之后的結(jié)果可以判斷疲勞損傷的情況，從而為工作人員提供參考；或者，

根據(jù)總應(yīng)力F與時間、應(yīng)力疲勞關(guān)系式的關(guān)系，對總應(yīng)力F進(jìn)行歸一化處理后再進(jìn)行累積求和，由于不同的應(yīng)力條件下的疲勞損傷是不同的，所以將不同的應(yīng)力以指定應(yīng)力Fs為參考進(jìn)行計(jì)算，從而可以得到更準(zhǔn)確的疲勞損傷。舉例來說，假如指定應(yīng)力Fs為6MPa，對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為Q1＝2×10⁶次，檢測的應(yīng)力F是8MPa，對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為Q2＝10⁶次，檢測的應(yīng)力是1MPa，對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為無限循環(huán)。那么在進(jìn)行歸一化處理時，不用將1MPa的應(yīng)力納入統(tǒng)計(jì)(因?yàn)?MPa的應(yīng)力不會帶來疲勞損傷)；持續(xù)時間t1的8MPa，歸一化為6MPa應(yīng)力時，等效為t1*Q1/Q2＝2*t1時間，在進(jìn)行頻次計(jì)算的時候就可以根據(jù)等效時間來計(jì)算。

在通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行歸一化處理時，也可以不采用特定的公式關(guān)系，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，將不同應(yīng)力下的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與指定應(yīng)力Fs的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系統(tǒng)計(jì)成表格，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)錄入計(jì)算機(jī)程序中，由計(jì)算機(jī)根據(jù)表格所列的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

可選擇地，本實(shí)施例提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測系統(tǒng)中，應(yīng)力疲勞關(guān)系式為：S^m*N＝C；S＝C*Nⁿ；e^ms*N＝C；N*△σ^m＝C；(S-S_f)^m*N＝C中的任意一個；以上公式是常用的S-N疲勞關(guān)系公式，根據(jù)螺栓的材料不同，都有對應(yīng)的疲勞關(guān)系公式，這在本領(lǐng)域技術(shù)人員是熟知的，所使用的的疲勞關(guān)系式也不限于以上所列。

和/或，對總應(yīng)力F進(jìn)行歸一化處理，包括根據(jù)應(yīng)力疲勞關(guān)系式，將總應(yīng)力F換算為預(yù)設(shè)應(yīng)力Fs條件下的疲勞頻次。

對總應(yīng)力F進(jìn)行累積時，采用離散檢測的方式獲得總應(yīng)力F，或者，采用連續(xù)檢測的方式獲得總應(yīng)力F。

如圖6所示，可選擇地，本實(shí)施例提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測系統(tǒng)中，控制器10，還用于檢測待測螺栓位置的塔筒圓周上全部螺栓的疲勞損耗Wn；

將獲得的疲勞損耗Wn與預(yù)設(shè)閾值Wx(例如，如圖6中所示的預(yù)設(shè)閾值Wx＝6)進(jìn)行比較，當(dāng)Wn≥Wx時，輸出對應(yīng)的Wn、以及Wn對應(yīng)的螺栓所在位置信息給報(bào)警器30；此時可以檢修疲勞損耗Wn超過預(yù)設(shè)閾值Wx的螺栓，而不需要檢修全部螺栓。

當(dāng)獲得的疲勞損耗Wn都不滿足Wn≥Wx時(例如，如圖6中所示的預(yù)設(shè)閾值Wx＝8)，輸出全部螺栓的疲勞損耗的最大值Wmax、以及最大值Wmax對應(yīng)的螺栓所在位置信息報(bào)警器30；此時，只需要檢修疲勞損耗的最大值Wmax對應(yīng)的螺栓即可，而不需要檢修全部螺栓。

報(bào)警器30用于輸出聲音信號、光信號和/或電子信號。風(fēng)電場的值班人員可以得知報(bào)警信號，從而提示維護(hù)人員作出快速反應(yīng)，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的安全。

本發(fā)明提供的塔筒螺栓疲勞預(yù)測系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確判斷塔筒上螺栓的疲勞損傷程度，為塔筒的螺栓檢修提供準(zhǔn)確定位，節(jié)約機(jī)組檢修成本；在螺栓的疲勞達(dá)到或超過預(yù)設(shè)閾值時，預(yù)防螺栓因過疲勞而斷裂情況的發(fā)生；同時，通過本方法可以采集到塔筒圓周任意位置的螺栓的疲勞強(qiáng)度累積情況，從而為優(yōu)化塔筒設(shè)計(jì)及螺栓的安裝提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。