北京艾法斯特杜青阳：全生命周期螺栓预紧力管理

2019年10月21-24日，2019北京国际风能大会暨展览会（CWP2019）在北京隆重召开，大会主题“风电助力‘十四五’能源高质量发展：绿色、低碳、可持续”。自2008年首次在北京举办以来，已连续举办11届，成为北京金秋十月国内外风电行业争相参与的年度盛会。

10月23日上午，举办了“智慧运维论坛——大数据应用，智能预测及故障诊断”。

北京艾法斯特科技发展有限公司技术总监杜青阳发表了题为《全生命周期螺栓预紧力管理》的主旨演讲。

以下为发言内容：

杜青阳：大家好，今天我讲的是全生命周期螺栓轴力的解决方案，它的目的是什么，我们有一个终极的想法，就是能不能在风机的全寿命周期内把紧固螺栓的成本全部砍下去，就是要做到螺栓的紧固全部免维护，这个是我们的方案，方案用一句话来总结就是塔筒螺栓、叶根螺栓，螺栓在紧固的时候，以超声的方式，以轴力控制的方式，而不是扭矩的方式来紧固螺栓，第二用超声的方式对在役的风机进行轴力测量，没有必要再紧固的螺栓就紧固，有必要紧固的螺栓紧固。第三对于一些风场风资源非常恶劣的，比如说风载荷非常非常大的地方，关键部位的螺栓做监测，这样有个采样的概念。

很多朋友可能不是特别了解螺栓，我们干了这么多年，总结三句话，第一扭矩不是轴力，很多客户都跟我们说，我们用的是阿特拉斯的，用的全世界最好的拧紧枪。但是达到的也不一定是您要的轴力，扭矩是扭米，轴力是牵牛，所以单位都不一样。

第二个我们发现很多用户包括技术人员对这块不是特别了解，螺栓不松不断，一松就断。第三个是我们看到风电行业的特点，我们说的80%比例会更高，80%的螺栓失效，跟螺栓一丁点关系都没有，而是跟紧固有关系，当时没拧好所以就出问题，您可以看到这个，我们输入的是扭矩，最重要的是螺栓夹紧力，有很多因素会影响它，但是我们就举个例子，一个生锈的螺栓和没有生锈的螺栓，用同样的扭矩打出来的轴力肯定是不一样的，我们可以看到PPT这一面，如果说螺栓厂商是螺栓连接的母亲的话，那谁去拧螺栓，一定是它的父亲，关于螺栓有没有生命，完全在于拧螺栓的那个人，他要是没拧，假装拧了一下，或者这个螺栓就别在里边，根本就没有生命力，这是一个假的，还不如不把这个孩子生出来，因为生出来祸害整个风机。

归根结底事故报告我看到一点，螺栓轴力不足，没打紧，给的事故报告几乎列举了人类能够想到的关于为什么打不紧螺栓的原因，我就得出一个结论，他们没办法找出所有原因，所以干脆把所有的原因都列在这里，他们能想到的，为什么说螺栓紧固非常非常关键，这张图我就不详细的解释了，你们可以看到X轴是Y载荷，是绿色的线，蓝色的线一颗螺栓打到500牵牛，一颗螺栓打到400牵牛，打到了500牵牛的，在同样风载荷的作用下，500牵牛的应力幅在螺栓里面不停的拉伸收缩、拉伸收缩，应力幅非常小，红色可以看到应力非常非常大，谁受的力大谁先死，所以螺栓轴力大不足肯定是螺栓失效最主要的原因。所以我们可以看到汽车行业就是这样，汽车底盘发动机所有的螺栓在工厂紧固一次，100万公里之后您接着开多没有问题，所以汽车行业不考虑疲劳的问题，螺栓没有疲劳力。

超声智能套筒，我们就是通过超声波的方式测量螺杆的伸长量，我们的测量精度能达到50纳米，所有螺栓的夹紧力全部来源于螺栓的张力，这就是牛顿第三定律作用力与反作用力，具体的技术我就不介绍了，能够达到目的就是一边紧固螺栓的时候一边再去测轴力，而不是去靠扭米，而是靠螺栓唯一在设计和使用的唯一指标，那就是螺栓的轴力，靠轴力对它进行控制，这不是我们的想法，我们也不是很聪明，我们只是看到了汽车行业，2006年克莱斯勒公司就已经在美国注册了这个专利，就是我要一边拧螺栓，一边测轴力，这个是我们做的智能套统，大家不用去考虑它的细节，它的目的只有一个，就是拧各式各样的螺栓，大大小小的螺栓，所有的螺栓我们都想出办法来，在一边拧螺栓的时候一边测轴力，如果设计人员设计的是560牵牛，我们希望用扭矩法、张拉法把轴力达到560牵牛正负10牵牛这个范围之内，如果能大一这个范围之内，我还能做塔筒减重，因为水平高，没有必要做那么多冗余，这是一个迭代的过程。这个就是我们做的很多工作。

对于新装风机的时候，一边拧螺栓一边测，对于在役风机怎么办，超声波的螺栓也可以做，就是螺栓在免拆卸的时候，也可以测量它，具体的原理不在这里介绍。这就是我们做的，您可以看到这是用扭矩法打出来的，这一圈是方位，它的半径是它的轴力，您可以看到有的地方的螺栓轴力非常高，有的非常低，所以说这也正是为什么扭矩法在标准里边，如果您用扭矩法去紧固螺栓，轴力偏差到正负35%，就是打出来最大的比最小的那个要多出一倍，这是张拉法拉出来的，会看到它稍微远一点，这个就是刺猬，张拉法好一些，这个也是扭矩法，用扭矩法打完之后，我们上风机去测，这个橙色的线是设计人员给出来的轴力，有一个窜出去了，您会看到大部分的螺栓这一圈都在圈里头，普遍不足怎么办？就是要解决这个问题，这是张拉法，可以看到离散性非常好，还是比较圆的，但是存在一个问题，它都在圈里边，没有达到设计轴力。对一些重点部位的螺栓，比如说我们看到现在对螺栓监测，很多业主已经提出去我要去监测，我们从来不认为监测是非常好的策略，汽车为什么不做监测，这样做是不对的，是违反客观规律和经济规律，我们的建议是对一个风场选一台到两台风资源最恶劣，如果这台风机出问题，其余的风机都会出问题，如果这台风机没问题，其余风机都没问题，在它的叶片、塔筒做24小时监测没问题，其余风机在安装的时候都用超声的方式，一边紧固一边做测定，这就是好的解决方案。这个是我们做实时监测的一些数据。

有很多主机商的朋友问我说，你们这个东西是物联网，你可以监测风机，我说这绝对不是物联网，如果物联网要是这么干的，那物联网一定是个死，风机领域的朋友也问我们说，有没有更便宜的方法，装一个东西在风机上，现在主机厂的压力都很大，业主也没有那么多钱，我能够知道螺栓的轴力大概是多少，然后我就问能便宜多少，他说最好就不花钱，不花钱是不可能的，有没有成本最低的方式，肯定有，有一个什么方式，就是拿手机对着风机一拍，拍10秒钟得到结果说你这个塔筒上面的螺栓没有多大问题，只要会使用手机拍照就可以了。有没有这种可能，我们和风机界的朋友们、主机商、业主一块去合作，基本的原理我不介绍了。

输入输出得介绍一下，输入就是手机摄像头，拍摄就是录像，录像有三个层面，三个维度的信息一张图片XY，第二个就是在时间轴上的信息，我们能干什么呢？您拍到哪个地方，每个像素都是一个加速度传感器，我都可以测震动，您可以看到这幅图，这是个视频，这是原视频，这是放大后的视频，原视频如果我拉一条线，看的出来它有振动，但是经过我们放大之后可以看出来振动。这是我把汽车盖子拿开，拿手机拍，看不出有什么振动，但是放大之后看非常非常明显。这个是到体育场，体育场有一个灯塔，我拿手机拍完了之后，数据分析了一下，这就是选的这个塔尖提取出来的实时信号，可以看到它的一阶、二阶、三阶，这个塔的结构的频率，我们可以主动做出来，这个是时频曲线。最后这个是我去金风科技拍的，没想到这个风机的周围都是粪便，我就站在粪便的周边拍了3秒钟，最后获取一阶的共振频率是3.05Hz。我的介绍完了。

最后想用一句话总结，我们的目的非常清楚，如果一个风机设计的寿命是25年，我们希望跟风机界的朋友一块去合作，能不能做到像汽车那样，25年之内螺栓再也不用维护了，拧一次就完事，这个就是我们想最终达到的目的，而且我们也有技术手段，希望跟在座的各位一块去合作。

（根据演讲速记整理，未经演讲人审核）