近年來，全球風電產業高速發展，中國 已經成為全球風力發電規模大、增 長快的市場，截至2018年國內風電 累計裝機容量約210000千瓦，同比增 長11.2%，累計裝機量位居全球。然而由于我國 風電關鍵技術的研究起步晚，整機設計制造技術高 度依賴國外，快速發展也帶來了很多問題，風電運 維壓力逐步增加，風電機組著火、飛車等事故時有 發生。尤其是風電機組塔筒，作為整個風電機組的 支撐系統，對保障風電機組的安全可靠運行起著舉 足輕重的作用，但由于制造、安裝質量不合格，設 備巡檢、運行維護檢查不到位，導致倒塔事故頻頻 發生，造成了巨大的經濟損失 [1]。

目前影響塔筒安全運營的主要問題有地基不均 勻沉降或松動、塔筒異常傾斜與彎曲、塔筒法蘭螺 栓疲勞失效。針對前兩個問題已經出現了大量的研 究報道，對塔筒地基、傾斜動態、靜態監測提出了 多種技術方案，本文關注第三個問題法蘭螺栓疲勞 失效問題。風電機組的塔式結構使塔筒承擔機艙及 葉片的自重及風的水平荷載，由于風速的時變特性， 導致風電機組運行在交變載荷工況下，隨著運行時 間的增加，塔筒的連接螺栓承受的交變應力作用易 引發其疲勞失效，如果定檢過程中沒有及時發現將 引發較為嚴重的后果。

當前，塔筒螺栓在線監測是一個未被滿足的工 業需求，還沒有建立廣泛認可的監測手段和行業標 準。經過文獻檢索，發現有少量的報道涉及這個領域， 這些報道關注螺栓松動與螺栓形變監測，采用的解決方案有電路回路技術、振動 - 應力復合傳感技術、 光纖光柵技術、智能螺栓等，接下來將分別介紹。

1 電路回路技術螺栓松動報警技術

采用電路回路技術對螺栓松動實現報警。其技 術原理是將螺栓松動位移量轉換成檢測電路的開關 量實現預警（圖1），該方案將檢測電路（A 預警電 路，B 報警電路）的開關與檢測螺栓松動的裝置綁 定，螺栓的松動帶動開關位移，當位移量變大、使 得電路形成閉合回路時即可實現預警或報警。該技 術在風力發電塔塔筒法蘭螺栓及基礎預應力錨栓防 松監測方面可達到監測技術的經濟、快速和便利， 不足之處在于無法實時獲取螺栓的工況信息 [2]。

2 振動 - 應力復合傳感技術

本技術是利用振動對磁場的調制作用和壓阻效 應原理，設計的一種能同時監測風電塔筒振動狀況 和法蘭盤螺栓松緊狀況的振動 -應力復合傳感器 （圖2），可有效解決風電塔筒法蘭盤螺栓松動的早期監測問題，顯著提高風力發電機組的安全性，防止重大事故的發生 [3]。

在使用時本發明整個傳感器安裝在靠近螺栓的法蘭盤上，激勵線圈在一定頻率的正弦電流作用下， 將在振動梁與基底之間的傳感器氣隙內產生交變磁 場，并在下方的法蘭盤內產生渦流場和感應磁場。當風電塔筒振動時振動梁將產生形變，使傳感器的氣隙磁場發生變化 ；磁敏元件能感受到磁場的變化并轉化為輸出電壓的變化 ；當傳感器下方的法蘭盤 存在應力變化時，其電導率也會產生微小的改變， 導致渦流場和感應磁場變化，而這一變化同樣可以 被磁敏元件感受到并轉化為輸出電壓的變化。

當螺栓存在松動時，螺栓孔四周承受的壓應力 會明顯減小，導致材料的電阻率上升 ( 壓阻效應 )、 電導率下降。因此，本實施例的監測風電塔筒法蘭 盤螺栓的振動 - 應力復合傳感器既能監測風電塔筒 的振動 ( 這是螺栓松動的根源 )，又能監測螺栓的松 動程度 ( 在螺母未發生明顯轉動時就可監測到 )，從 而有助于實現螺栓松動的早期預報。由于振動信號 是動態的、而應力變化是準靜態的，因此振動和應 力可通過對傳感器輸出信號的頻譜分析來區分。

3 光纖光柵技術

該技術基于光纖光柵技術監測螺栓的形變彎曲。將光柵與螺栓緊密貼附，光柵跟隨螺栓的形變而產生 光信號變化，這種變化被解調器解析，從而實現螺 栓形變監測（圖3）。這種基于光纖光柵的高強度風 電塔筒螺栓監測系統，與傳統電類傳感器相比，抗 電磁干擾、耐腐蝕、傳輸距離長。與增敏光纖光柵 技術比，采用了雙光柵結構，光柵與螺栓緊密接觸， 幾乎融為一體，能夠直接反應螺栓情況，可以快速響 應螺栓的變化，因此適用于靜態應力應變監測也適 合動應變監測，采用了雙光柵結構，能夠有效掌握 螺栓的熱應變，從而可以更精細的區分應變來源 [4]。

4 應變式智能螺栓

智能螺栓的緊固件本體包括形變部和連接部，所述形變部與一測量單元連接，當所述緊固件本體 安裝時，所述連接部帶動所述形變部變形進而促使 所述測量單元移動生成一位移量。本發明還公開了 一種智能緊固件的監測系統。本發明的智能緊固件 能夠通過測量單元測量的位移量而得到形變部的形 變量，進而通過人工計算或者預定公式推算出預緊 力，與現有技術的預緊應力指示螺栓相比具有精度 高、結果數據化的優點（圖4）[5]。

5超聲式智能螺栓（補充）

螺栓在自由狀態下，螺栓內部不存在預緊力，而螺栓在緊固狀態下，由于預緊力的作用，螺栓將發生形變，因此此時螺栓的變形量為ΔL，螺栓監測系統依據ΔL與預緊力F之間的數學關系，計算得到預緊力F，該數學關系如下：

其中，F為螺栓的預緊力；E為螺栓材質的彈性模量；S為螺栓截面積；ΔL 為螺栓的變形量；L為螺栓副的裝夾長度。依據公式（1），螺栓監測系統依據ΔL計算得到當前智能螺栓的預緊力F。

螺栓監測系統發射和接收超聲波脈沖電信號、測量并計算發射和回波電信號之間時間差。螺栓在自由狀態下，發射和接收電信號之間的時間差為T0，螺栓在緊固狀態下，螺栓發射和接收電信號之間的時間差為T1，由此依據電信號收發時間差與螺栓的變形量的關系，得到螺栓的變形量，式中v為機械縱波在螺栓內的傳播速度，終由螺栓監測系統依據ΔL并結合公式（1）可得到當前狀態下的監測螺栓的預緊力。螺栓監測系統測量原理示意圖參見圖2。

6視覺螺栓軸力松動監測（補充）

nutFACE是一種基于視覺深度學習的螺栓軸力檢測、監測系統，攝像頭對螺栓進行拍照或者錄像，并可將視頻分解為以幀格式的圖像；螺栓標記裝置安裝在螺栓附近的可視范圍內，標記裝置確定螺栓連接的空間相對位置，以用于在不同角度拍攝多個螺栓中，識別、測量不同螺栓個體；nutFACE通過深度學習算法自動辨識、提取圖像中的螺栓連接，測量螺母反旋的角度，計算螺栓的伸長量變化，獲得螺栓軸力衰減值。

nutFACE是一種基于視覺深度學習的螺栓軸力監測系統，下稱：監測系統，包括：攝像頭、螺栓標記、軟件算法部分。

螺栓在緊固時，螺母在扭矩的作用下順時針轉動，在螺栓中產生軸力。與此過程相反，螺栓軸力衰減分為兩個部分：非旋轉性螺栓軸力衰減和旋轉性螺栓軸力衰減。其中非旋轉性軸力衰減是指在螺母并不發生反旋的情況下，軸力發生衰減，這主要是由于被夾持物在螺栓軸力的作用下，其表面發生嵌入或稱之為被壓潰現象所導致，還有一部分為旋合螺紋的塑性變形導致；非旋轉性軸力衰減一般發生在螺栓緊固后的24小時之內或初次循環載荷作用下完成，衰減幅度大致為螺栓軸力的10%；非旋轉性螺栓軸力衰減是需要在設計階段納入設計的因素之一，即：螺栓連接的設計軸力是去除了非旋轉性軸力衰減的殘余值。旋轉性螺栓軸力衰減發生在螺栓連接的服役過程中，在振動條件下，由于螺母反旋導致的軸力衰減，如圖1.1所示，其中螺栓軸力和其反轉角度呈現線性正比的關系。所以，非旋轉性螺栓軸力衰減已經為螺栓連接設計和工藝所考慮，而真正需要檢測、監測的對象為旋轉性螺栓軸力衰減部分。

螺栓連接由螺栓、螺母和被夾持物組成，在發生旋轉性軸力松弛的過程中，螺栓或夾持物不發生自轉；螺母相對于螺栓或被夾持物發生反旋。監測系統使用監控攝像頭、手機攝像頭或無人機攝像頭，后統稱為為攝像頭，對螺栓連接進行拍照，見圖1.2所示，通過深度學習算法自動辨識、提取圖像中的一個或多個螺栓連接，測量螺栓或者螺母的反旋角度，計算其螺栓的伸長量變化，進而獲得精確的螺栓軸力衰減值；其中螺栓伸長量和螺栓軸力的對應關系由超聲螺栓軸力測量技術標定、獲取。

尤其需要指出的是：nutFACE使用視覺深度學習的方法，具有強大的螺栓連接的自動識別、檢測能力，同時具備了技術上強的適用性，以適用在極端復雜的應用條件下。深度學習算法通過訓練海量螺栓連接的樣本，獲得螺栓連接識別的數學模型，在攝像頭拍攝的圖片中自動識別、檢測螺栓標記裝置及螺栓連接，對其形成虛擬編號，同時提取螺栓連接的特征信息，如：標記與螺母的特征點以及其空間位置關系，如圖1.3所示。由于nutFACE深度學習算法可以精確地標記螺栓、螺母特征點的空間位置關系，進而螺母反轉測量算法的測量精度獲得了保證。

通過nutFACE在測試臺上的精度驗證，可以獲得如下結論：

1、nutFACE系統具有±2°的螺栓或螺母反旋角度的測量誤差；

2、螺栓的軸力與旋轉角度的關系存在線性關系，一般螺栓連接的設計軸力處于緊固旋轉角度66°至200°之間，所以以低限度進行評估，nutFACE對于螺栓連接的軸力衰減測量誤差處于±3%內。

7結語

目前螺栓松動監測主要針對螺栓松動報警，使 用的技術有壓電技術、光纖光柵技術、物聯網技術 等。前兩種是通過螺栓張力的大小來判斷螺栓松動 情況，通常會設置一個安全閾值，當所測螺栓受 力超過閾值時可以發出報警 ；后一種技術是利用 監測松動的螺栓和固定部件受激發生共振或振動， 將振動轉化為電信號，目前的監測技術只做松動 報警。光纖光柵技術和物聯網技術被廣泛用于結 構健康監測領域，目前利用增敏光柵技術和物聯 網技術用于螺栓松動監測還可以對形變進行監測。超聲螺栓軸力監測系統可以直接測量螺栓軸力，實時性和準確性是其優點，nutFACE基于視覺深度學習的螺栓軸力衰減的監測系統可以把監測成本降至低。未來的螺栓監測技術朝著監測精細化和智能化方 向演進。