风力机塔架螺栓连接状态监测与辨识研究进展

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塔架作为风力发电机组的主要承重结构，承受风力机上几乎所有的载荷，尤其是大型风力发电机组的塔架基本都是钢结构形式，高度在数十米以上，通过螺栓连接而成。若塔架的螺栓连接结构失效，将会造成灾难性的破坏。如 2008年9月28日瞬时最大风速为65m/s的台风蔷薇”，造成台湾设计风速为70m/s的风力机的倒塌，其原因就是因为法兰连接螺栓失效造成的，其螺栓连接结构抗风能力仅为 54.3m/s J。

在国内，2006年夏季的台风桑美”给浙江苍南风电场带来了毁灭性的破坏，该风电场共有28台机组，其中20台机组都遭到不同程度的破坏，其中-台Vestas江苏省高校自然科学研究资助项目(10KJB480003)660kW机组在塔筒与基础连接处的螺栓断裂后，被完全吹倒 J。由此可见，及时掌握风力发电机组塔架螺栓连接状态信息，对及时发现其安全隐患、预防突发性灾难事故的发生，具有十分重要的学术价值和工程应用价值。

螺栓连接是大型风力机塔架各段塔筒及塔架与塔基之间的唯-连接方式，在随机风载荷作用下，承受拉、压循环作用。在拉、压交变载荷作用下，螺纹发生塑性变形而导致应力松弛3 J，使螺栓预紧力减少45%～50%，随着预紧力的减少，无法克服螺栓啮合部位所产生的摩擦力矩，最终使预紧力消失。为了防止螺栓预紧力的减少或消失，用力矩扳手检查螺栓的预紧力是风电场定期维护的-项重要内容，这项工作1292013年第3期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)既费时又费力，也不能彻底消除螺栓松动问题，而且可能会由于螺栓受到超过屈服强度的拉力后，其金相组织发生变化，即使再次紧固，螺栓也将会在外力的作用下产生塑性变形，甚至造成螺栓的断裂 J。因此，为了预防螺栓松动、甚至断裂，对风力机塔架螺栓连接结构进行监测和分析至关重要。

目前，国内外对风力机塔架螺栓连接状态监测与辨识研究仍处于空白阶段，但对于螺栓.法兰连接结构状态监测与辨识以及动力学分析相对较多，其方法可对风力机塔架螺栓连接结构的动特性分析及状态监测和辨识研究提供帮助。

本文概述了螺栓-法兰连接结构动特性分析方法和螺栓连接结构状态监测与辨识方法，对其方法能否应用于风力机塔架螺栓连接状态的监测与辨识进行述评，并综述了风力机塔架螺栓连接状态监测与辨识的发展动态。

1 塔架螺栓连接结构动特性分析方法1.1 螺栓.法兰连接结构动特性分析方法对于螺栓-法兰连接结构，由于法兰间的接触以及装配过程中所施加的预紧力等非线性因素对螺栓连接结构的动力学特性有很大的影响 j，其动力学特性的变化将引起整个系统动力学特性的变化，所以国内外众多学者对螺栓-法兰连接的非线性动力学特性进行了研究。

Zahryrm 把螺栓-法兰结构抽象为由弹簧、阻尼器和质量块组成的两自由度线性系统在正弦激励载荷作用下的螺栓-法兰连接结构的响应情况，得出结论为：1)连接螺栓和板材之间的硬化率是影响连接结构动力响应和能量衰减的-个重要因素；2)通过连接结合面的能量耗散计算连接能量衰减值，该衰减值依赖于硬化率乘以预紧力与循环载荷的振幅的比值，如果这个比值大于 1，说明连接结构未发生分离；如果小于1，说明连接结构已发生分离。

Hess等人 圳研究了单个螺栓在轴向正弦激励载荷作用下的响应情况，通过试验，研究了随着振动量级及振动频率的变化引起的螺栓松动与鹏现象。

Hes等人 还采用理论和试验相结合的研究方法，研究了-个由单个螺栓、弹簧和质量块组成的系统，得到影响系统松弛、压紧的主要因素包括振幅、频率、螺纹配合、螺母质量、材料和润滑。试验和仿真结果都表明，在频率-定的条件下，提高振幅会改变螺栓的旋紧行为，而在适当的振幅下，增加频率会使螺栓1 30松动；材料的弹性模量越高，旋紧和松动之间的边界越大；螺纹润滑影响扭矩，随着摩擦因数的增加，螺栓松动将减少。

郝淑英等人 研究了系统低频振动造成火箭连接结构松动及相对滑动引起的干摩擦阻尼、线性刚度及非线性刚度变化对系统动力学特性的影响，并进行了有限元分析。分析结果显示，随着连接结构阻尼的增加，系统振动幅值明显减小；当非线性刚度达到-定程度后，非线性刚度的微小变化会引起系统振动幅值的激烈跳跃，从而进-步加剧连接结构松动和滑移；激励强度达到-定程度时，系统非线性特征显著。

陈学前等人 对不同的外界激励下的螺栓连接系统的非线性特性进行了研究。该研究通过正弦振动试验发现，随着激励量级的增大，螺栓连接的主共振频率和相对阻尼系数呈现出明显的非线性特性，并在理论上建立了二次多项式非线性方程，对主共振频率和相对阻尼系数进行求解，结果显示，主共振频率和相对阻尼系数的理论计算与试验结果差别在 1%和9%以内，说明该非线性模型基本能够描述螺栓连接的振动特性 。

高旭等人 对螺栓.法兰连接结构建立了非线性有限元模型，在不同边界条件下激励有限元模型，将得出的螺栓附近上下对应的稳态响应信号进行差值平方求和处理，并与试验结果进行了对比，结果均显示，随着激励频率及激励强度的增大，非线性特征显著；预紧力矩在 1～3N·m范围内，非线性特征显著；在 5-10N·m范围内，非线性特征弱化。

综上所述，在螺栓.法兰连接结构动特性分析时，需要充分考虑系统非线性对其动力学特性的影响。

1.2 塔架螺栓连接结构动特性分析方法对于风力机塔架螺栓连接结构的研究主要集中在强度和应力分析上 J，对于动力学特性的分析还未见相关报道。但是风力机塔架螺栓连接结构是典型的非线性动力学系统，其动力学特性的变化将引起整个塔架动力学特性的变化，而塔架的振动、法兰间的接触以及装配过程中所施加的预紧力等非线性因素，必定会影响螺栓连接结构的动力学特性。因此，在振动环境下，应用理论与试验相结合的方法对风力机塔架螺栓连接结构动特性进行分析是可行的。

2 塔架螺栓连接状态监测与辨识方法风力机塔架螺栓连接状态监测问题属于结构健康监测和损伤识别的研究范畴 ♂构降监测的董晓慧 ，等：风力机塔架螺栓连接状态监测与辨识研究进展 2013年第 3期原理、方法和技术被不断应用于连接结构的状态监测中 ，其状态监测与辨识技术主要分为基于动力学模型的有模型方法和基于信号分析的无模型方法I J。

2.1 基于动力学模型的螺栓连接状态监测与辨识方法状态监测与辨识方法的动力学模型采用立方非线性刚度模型来描述螺纹连接的刚度特性 ；采用双线性迟滞模型2。。或 Ramberg-Osgood函数模型2 来描述迟滞性、库伦阻尼和分段刚度特性等。这些模型的关键问题主要集中在模型动力学参数的监测与辨识，如频率、振型、模态曲率、频响函数、动柔度、传递函数和功率谱等，这些动力学参数主要包括表征结构整体动力学特性的低阶振动参数和低频段传递特性参数等2 ，而螺栓连接结构改变的是结构的局部动力学特性，因此低频段的特征量对其状态监测和辨识的灵敏度较低。

波传播非线性模型 2 描述了螺栓接头在高频下的结构特性，验证了波通过梁的连接部位时存在着能量耗散，螺栓连接的松紧程度对能量耗散有较大的影响，在共振频率处，连接部分发生较大的折射。傅俊庆等人 的研究结果表明，由连接结合面所产生的能量耗散可以高达机器总能量耗散的80% ～90%，而材料本身所产生的能量耗散仅为总能量耗散的10% ～20%。采用波传播非线性模型辨识螺栓连接状态，从理论模拟和试验阶段的研究来看是可行的，但未用于工程实践。大型风力机塔架各段塔筒及塔架与塔基之间通过螺栓.法兰进行连接，如果在工程实践中能够有效地提取螺栓接头信号，应用波传播非线性模型，通过连接部位的能量耗散信息，可识别当前螺栓的连接状态。

国内外许多学者和实验室已证明，螺栓连接结构由于其边界条件的时变性和接触非线性，造成了连接界面刚度和阻尼的不连续，从而引起了结构的非线性动力学特征，如软非线性和振型畸变心 28]、倍频心 、分叉与混沌 等，风力机塔架螺栓连接也是典型的多尺度非线性问题。在环境激励下，横向交变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂，轴向拉伸载荷会引起螺栓的延迟断裂，螺纹间的相对位移会产生高温，从而引起螺栓的蠕变，在这些行为的支配下，结构的动力响应表现出丰富和复杂的非线性振动现象，如倍频、分频、分叉和混沌等，并且由于其边界条件的时变性和多尺度非线性等特点，导致系统很难建立非线性动力学模型。

2.2 基于信号分析的无模型状态监测与辨识方法基于信号分析的无模型分析方法的研究主要集中在基于机电阻抗法的状态检测和辨识与基于非线性动力学理论的状态监测与辨识。其中，基于机电阻抗的辨识方法利用压电陶瓷(PZT)的机电耦合特性，通过与结构结合的 PZT的电阻抗反映结构的机械阻抗特性，得到 的特征参量对损伤具有很高 的灵敏度[30-31，但因其阻抗分析设备体积大、价格昂贵而不适合现场应用，压电陶瓷材料脆而不适合应用于弯曲变形和几何曲面中，因此该方法无法应用于风力机塔架螺栓连接结构的状态监测。

非线性动力学理论的状态监测和辨识方法已经在机械故障诊断领域获得了成功应用 ，在连接结构中，该方法的应用才刚刚起步。

其中，Timothy等人 采用压电片产生主动混沌激励的方法，研究了螺栓松动状态的识别问题，通过复合材料连接板的测试可以看出，该方法对于螺栓预紧力的减少具有非常高的敏感性。该项研究的结果表明，基于混沌动力学理论的监测方法较经典方法在状态灵敏度、可监测 的损伤水平等方面具有明显优势 。

Nichols等人 提出了-种基于混沌激励和吸引子重构的非线性降监测方法。该方法把结构抽象为-个滤波器，当输人混沌信号时，系统状态的改变会影响结构的滤波器特性，继而在空间状态表现出不同的响应结果，从而有效地解决了刚架连接结构预紧力损失监测问题。

Moniza等人 提出了-种多元结构降监测方法，该方法使用延迟组件，将多元实测结构响应时间序列形成为相空间，然后将吸引子失真信号进行混沌放大作为损伤敏感特征进行状态辨识。通过包含螺栓和两块钢板连接的组合梁对该方法进行测试，结果表明，该方法的应用能够检测在 26.698kN轴向力作用下(该力大小为完全紧固状态下的 60%)结构振动的显著变化，说明该方法应用于螺栓连接状态的监测是可行的。此外，该方法还有-个明显的优点就是在特征提取之前进行结构响应数据的合并，从而解决了不能进行单个传感器吸引子特征值线性合并的缺点。

迄今为止，关于基于非线性动力学理论的螺栓连接结构研究仅处于简单模型的理论模拟和试验阶段，未对复杂的连接结构，特别是大型工程结构进行理论分析和试验比较，也未见对螺栓连接结构各种非线性行为进行分析及监测与辨识的系统报道。尤其是在1 312013年第 3期 现代制造工程(Modern Manufacturing Engineering)风电领域，还未见任何关于塔架螺栓连接状态监测与分析的理论及方法的研究文献。

综上分析，风力机塔架螺栓连接结构由于其边界条件的时变性和接触非线性，造成了连接界面刚度和阻尼的不连续，具有明显的非线性动力学特征却不易建立非线性模型，因此采用基于非线性动力学理论的无模型分析方法进行连接状态的监测和辨识是-个较好的发展方向。

3 风力机塔架螺栓连接状态监测与辨识发展动态分析结合国内外同行的研究报道和现有的研究基础，不难推断，关于风力机塔架螺栓连接状态监测及辨识需在结构非线性动力学特征、连接状态的判断、状态特征参量的提取，以及开发相应的系统软件等各个方面做深入研究，而研究和掌握风力机塔架螺栓连接结构的非线性动力学特征是建立有效监测和辨识方法的前提。综上所述，针对风力机塔架螺栓连接状态监测与辨识需在以下几个方面做进-步的研究。

1)通过理论与试验相结合的方法确定螺栓连接损伤破坏模式，分析损伤形成机理及其非线性行为。

2)通过定性分析结合面的接触状态随螺栓预紧的变化过程，建立动力学模型，分析螺栓连接松动过程及其线性与非线性特征，并以此为基椽展风力机塔架螺栓连接结构系统动力学研究。

3)进行含螺栓连接结构的塔架结构动力学特性研究，确定螺栓连接导致系统运动的分叉和混沌现象的规律，研究从响应信号中提取对结构整体特性不敏感，而对螺栓连接状态敏感的各种特征参量的方法。

4)开发螺栓连接状态监测与辨识分析软件，使其具有识别非线性行为和判断系统连接结构实际状态的功能。