摘 要：海上風(fēng)電機(jī)組塔筒常年受到臺風(fēng)、海水腐蝕等惡劣天氣影響，其內(nèi)部存在缺陷，會對風(fēng)電機(jī)組塔筒造成不可逆的損失。為解決海上風(fēng)電機(jī)組塔筒內(nèi)部存在缺陷問題，本文結(jié)合無人機(jī)和六足機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新地設(shè)計了一種搭載式超聲波探傷檢測設(shè)備，當(dāng)風(fēng)機(jī)正常工作時，可以對其內(nèi)部缺陷進(jìn)行實時監(jiān)控。本設(shè)備利用超聲波探傷檢測風(fēng)機(jī)主軸，計算缺陷寬度以及面積，利用遠(yuǎn)端傳輸數(shù)據(jù)等功能來保證數(shù)據(jù)實時性和缺陷位置準(zhǔn)確性，有效提高對風(fēng)電機(jī)組塔筒的維護(hù)效率。

關(guān)鍵詞：機(jī)組塔筒；內(nèi)部缺陷；創(chuàng)新性；搭載式；維護(hù)

中圖分類號：TM 315" " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

20世紀(jì)50年代，國內(nèi)開始研制百瓦級小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組?！笆晃濉逼陂g，在國家相關(guān)政策的支持下，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，裝機(jī)容量連續(xù)五年翻番增長[1]。可再生能源的開發(fā)利用是全球在能源發(fā)展方面的普遍選擇，風(fēng)能是除水能以外最具經(jīng)濟(jì)利用價值和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)價值的干凈的可再生能源，因此發(fā)展海上風(fēng)電是大勢所趨[2]。

由于海上風(fēng)電機(jī)組塔筒常年受到臺風(fēng)、海水腐蝕等惡劣天氣影響，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組塔筒內(nèi)部、表面存在缺陷，因此風(fēng)機(jī)塔筒存在倒塌風(fēng)險。對海上風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測主要使用常規(guī)無損檢測方法，例如超聲波檢測、磁粉檢測、渦流檢測和滲透檢測等。無損檢測技術(shù)是一項重要工具，其經(jīng)過創(chuàng)新與發(fā)展不斷優(yōu)化[3]。但是無損檢測技術(shù)對被檢測構(gòu)件的檢測面光潔度要求較高，表面不能有污物以及附著層等。因此對海上風(fēng)機(jī)塔筒定期進(jìn)行健康監(jiān)測十分重要，為解決海上風(fēng)電機(jī)組塔筒在工作過程中其內(nèi)部存在缺陷的問題，本文設(shè)計一款基于聲發(fā)射的搭載式海上風(fēng)機(jī)塔筒缺陷監(jiān)測設(shè)備。

1 搭載式海上風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部監(jiān)測設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

本設(shè)計是基于聲發(fā)射技術(shù)的海上風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部監(jiān)測設(shè)備（如圖1所示）。該系統(tǒng)是由連接器、電路控制器以及電磁波聲發(fā)送與傳感器接收3個部分組成的。連接器是由萬向軸和真空吸盤組成的，當(dāng)正常工作時其具有靈活性、穩(wěn)定性；電路控制器主要是由CPU、放大器、電路控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源儲存器、圖像采集模塊和藍(lán)牙模塊等組成的，保證當(dāng)工作時數(shù)據(jù)實時、準(zhǔn)確；電磁波聲發(fā)送與傳感器接收部分可檢測塔筒缺陷。

1.2 工作原理

在實際運行過程中，設(shè)備須搭載在六足機(jī)器人或無人機(jī)等上面。其工作原理如下：設(shè)備采用圖像采集的紅外成像技術(shù)來判斷塔筒是否存在裂痕、生銹等現(xiàn)象，如果存在，那么載體自行對裂痕、生銹進(jìn)行涂層，設(shè)備探頭發(fā)送聲發(fā)射，判斷是否存在內(nèi)部缺陷，被監(jiān)測物體中會產(chǎn)生彈性波，利用其內(nèi)部介質(zhì)傳達(dá)至物體表面，引起機(jī)械振動，機(jī)械振動傳感器接收其信號，轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過電路處理器放大后，分析得到的數(shù)據(jù)，確定塔筒內(nèi)部是否存在缺陷，監(jiān)測原理如圖2所示，工作流程如圖3所示。

2 功能模塊設(shè)計

風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部缺陷復(fù)雜，本文對其內(nèi)部單個缺陷、連續(xù)缺陷進(jìn)行分析。根據(jù)上文的工作流程，本節(jié)主要對聲發(fā)射監(jiān)測風(fēng)機(jī)主軸、缺陷寬度、時間以及傳輸模塊進(jìn)行設(shè)計，并計算面積。

2.1 搭載式聲發(fā)射監(jiān)測風(fēng)機(jī)主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

搭載式聲發(fā)射監(jiān)測風(fēng)機(jī)主軸是本設(shè)備的主要組成部分，其主要作用是利用聲發(fā)射來監(jiān)測風(fēng)機(jī)主軸是否存在缺陷，缺陷分為單個缺陷和連續(xù)缺陷。

2.1.1 單個缺陷

風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部存在單個缺陷，記為L1，長度≤Dp；單個連續(xù)缺陷記為L2，長度≥Dp。當(dāng)本設(shè)備的探頭移動時，單個缺陷顯示圖形在幅度軸呈單個尖銳信號，使用回波檢測得到的圖像顯示平滑上升至最大點，又平滑降至0，當(dāng)探頭采用聲發(fā)射技術(shù)檢測內(nèi)部缺陷時，缺陷導(dǎo)致聲發(fā)射波長不斷折射，使產(chǎn)生的波長增加，再使用機(jī)械振動傳感器將其變?yōu)殡娦盘枴Ｓ捎谥淮嬖趩蝹€缺陷，因此其動態(tài)圖形與顯示圖形趨勢相同，單個缺陷如圖4所示。

2.1.2 連續(xù)缺陷

風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部也存在連續(xù)缺陷，本文記多個單個缺陷連續(xù)分布在一起的缺陷為連續(xù)缺陷（如圖5所示），本設(shè)備探頭移動，連續(xù)缺陷回波動態(tài)圖產(chǎn)生尖銳的信號后呈平緩下降趨勢，再突降至0，其內(nèi)部多個單個缺陷疊加，當(dāng)通過1個單個缺陷時，聲發(fā)射波長會折射，當(dāng)存在2個以及2個以上的單個缺陷時，其波長經(jīng)過折射后會疊加。其連續(xù)缺陷和回波動態(tài)圖形如圖6所示。

綜上所述，本設(shè)備對風(fēng)機(jī)塔筒存在的單個缺陷、連續(xù)缺陷問題進(jìn)行監(jiān)測。由于都存在缺陷，因此缺陷顯示圖形呈現(xiàn)一樣的趨勢；由于連續(xù)缺陷有多個聲發(fā)射波不斷折射，因此疊加動態(tài)圖形呈現(xiàn)先產(chǎn)生尖銳的信號，再平緩下降，最后突降至0的趨勢。下文將計算得到以上趨勢。

3 理論計算、監(jiān)測分析與誤差分析

3.1 聲發(fā)射在介質(zhì)中傳播速度分析

根據(jù)介質(zhì)中質(zhì)點振動方向與波的傳播方向，可將機(jī)械波劃分為若干類，例如縱波、橫波和表面波等。在自然界中，機(jī)械波還有多種復(fù)雜形式，例如扭轉(zhuǎn)波、蘭姆波等。根據(jù)運動學(xué)疊加原理，任何復(fù)雜波動都可以看作縱波和橫波的疊加，因此，縱波和橫波是基本機(jī)械波[4]。

分析固體中應(yīng)力、應(yīng)變和彈性模量之間的關(guān)系，得到波在彈性固體介質(zhì)中的傳播速度公式。根據(jù)胡克定律和牛頓第二定律可以進(jìn)行推導(dǎo)，并得出結(jié)論，波速與固體的彈性模量成正比，與密度成反比。波在固體中傳播的基本特性為波速取決于介質(zhì)，利用試驗計算波在彈性固體介質(zhì)中的傳播速度Vα，如公式（1）所示。

（1）

式中：W為介質(zhì)楊氏彈性模量；ε為介質(zhì)泊松比；ρ為介質(zhì)密度。

以細(xì)長桿（橫向尺寸遠(yuǎn)小于波長）為例，ε趨近0，由公式（1）可推算縱波聲速Vξ，如公式（2）所示。

（2）

計算橫波波Vβ，如公式（3）所示。

（3）

表面波聲速在無限大固體介質(zhì)中傳播，受到多個物理參數(shù)和介質(zhì)特性綜合影響。影響包括介質(zhì)的楊氏彈性模量、剪切模量、密度以及泊松比。為確定表面波聲速，須采用更復(fù)雜的理論分析和數(shù)值計算方法。利用試驗計算在無限大固體介質(zhì)中傳播的表面波聲速Vη，如公式（4）所示。

（4）

由公式（1）～公式（4）可知，介質(zhì)的彈性特征越強(qiáng)，聲發(fā)射速度越快。其傳播速度和固體介質(zhì)的橫向尺寸與波長的比值有統(tǒng)計學(xué)意義，比值越大，傳播速度越快。風(fēng)機(jī)葉柄結(jié)構(gòu)如圖7所示，當(dāng)a＞b＞c時，其內(nèi)部缺陷與探頭位置不同，可得到其動態(tài)圖形電信號先上升的趨勢，過一段時間后其他內(nèi)部缺陷干擾導(dǎo)致呈現(xiàn)下降的趨勢，直至為 0。

3.2 風(fēng)機(jī)塔筒掃查部位

風(fēng)機(jī)塔筒是大型構(gòu)件，由于風(fēng)機(jī)葉柄是由多個鍛件焊接而成，因此缺陷大概率會與軸線相平行，經(jīng)過測試，該類缺陷采用縱波直探頭效果較好?？紤]缺陷周圍存在其他分布，因此該探頭應(yīng)在圖7中的位置一、位置二和位置三。

當(dāng)風(fēng)電塔筒正常工作時，受復(fù)雜載荷影響，塔筒的局部區(qū)域存在發(fā)生變形的情況，局部區(qū)域產(chǎn)生體積、剪切等變形，導(dǎo)致出現(xiàn)壓縮波、切變波。在塔筒中，2種波傳播速度、塔筒厚度不同，當(dāng)介質(zhì)、厚板不同時會出現(xiàn)波的反射和折射等物理現(xiàn)象，當(dāng)反射時任意一種波會出現(xiàn)波型轉(zhuǎn)換，聲發(fā)射能量轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D8所示。

3.3 風(fēng)機(jī)塔筒聲發(fā)射波誤差分析

本設(shè)備存在一定誤差，包括塔筒介質(zhì)間能量轉(zhuǎn)變誤差、聲發(fā)射波幾何路徑誤差等。

3.3.1 塔筒介質(zhì)間能量轉(zhuǎn)變誤差

當(dāng)機(jī)械波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)會逐漸吸收其能量，轉(zhuǎn)化為熱能。機(jī)械波與介質(zhì)分子相互作用，使介質(zhì)分子振動加劇，將機(jī)械波的能量轉(zhuǎn)化為熱能。為了進(jìn)一步研究其誤差，可以先測定塔筒內(nèi)外部環(huán)境溫度，塔筒可分為圓柱體、二維、常物性、穩(wěn)態(tài)和無內(nèi)熱源情況，由導(dǎo)熱微分方程、能量守恒定律公式得到熱量與第三類邊界條件，如公式（5）、公式（6）所示。

（5）

式中：r為塔筒半徑；λ為塔筒導(dǎo)熱系數(shù)，查熱物性表可得；t為溫度；ω為塔筒中任意1個點至原點與X軸的夾角。

（6）

式中：h 為塔筒表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；ti為塔筒外壁溫度；to為塔筒內(nèi)壁溫度。

根據(jù)公式（5）、公式（6），結(jié)合傅里葉定律計算熱流量ψ，如公式（7）所示。

（7）

計算2次不同的熱量ψ再相減，得到機(jī)械波轉(zhuǎn)化為熱能的大小。

3.3.2 聲發(fā)射波幾何路徑誤差

當(dāng)聲發(fā)射進(jìn)行波源發(fā)射時，中心波源向四周擴(kuò)展，隨著傳播速度、傳播距離增加，路徑面積增大，單位面積中的能量逐漸減少，導(dǎo)致誤差。

4 傳輸模塊設(shè)計

使用EKF算法計算已知數(shù)據(jù)、分析內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行模擬，來預(yù)測塔架內(nèi)部會產(chǎn)生的缺陷部位。該算法速度快，占用內(nèi)存少，適用于變化的系統(tǒng)，可改正海上風(fēng)電機(jī)組處理內(nèi)部缺陷問題實時性差的缺點。與一般的BP算法相比，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比LM算法訓(xùn)練速度快、精度高，訓(xùn)練結(jié)果和整體收斂性更理想。采用梯度計算可精確定位卡爾曼濾波算法預(yù)估的銹蝕部位。采用基于Aqua-Fi的嵌入式Linux系統(tǒng)平臺對本設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作，該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控終端與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)平臺組成。硬件采用Samsung公司的32位ARM9TDMI微處理器，該處理器速度快，主頻高；軟件采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)。當(dāng)工作時，采用攝像頭對現(xiàn)場視頻圖像進(jìn)行采集，使用Vide041inux的編程接口，防止圖像視頻過大，使用以預(yù)測技術(shù)為基礎(chǔ)的無損壓縮算法對文件進(jìn)行壓縮，使用Aqua-Fi水下無線系統(tǒng)，利用激光將數(shù)據(jù)傳輸至岸上，對水下工作進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。

5 結(jié)論

綜上所述，本設(shè)備采用聲發(fā)射技術(shù)對風(fēng)機(jī)塔筒缺陷進(jìn)行分析，根據(jù)探頭位置移動分析該部分的顯示圖與回波動態(tài)圖，判斷其內(nèi)部是否存在缺陷。

風(fēng)機(jī)塔筒是一個大型構(gòu)件，不同部位發(fā)生缺陷的概率不同，內(nèi)部缺陷常常發(fā)生在鍛件焊接位置，因此本文主要利用該位置進(jìn)行分析，說明掃查位置，再使用EKF算法與ARM9TDMI微處理器保證本設(shè)備的數(shù)據(jù)實時性。

搭載式風(fēng)電塔筒缺陷診斷監(jiān)測設(shè)備在性能、實用性和準(zhǔn)確性等方面均表現(xiàn)出色，為風(fēng)電行業(yè)的安全運營提供了有力保障。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，應(yīng)用需求不斷變化，未來需要對該設(shè)備進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化和升級，以適應(yīng)新的挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)

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通信作者：卿曉梅（1983-），女，漢族，四川簡陽人，碩士，高級實驗師。研究方向為新能源產(chǎn)品設(shè)計和新材料計算。

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