塔筒螺栓疲勞預測方法及預測系統與流程

本發明屬于風電技術領域，尤其涉及一種用于風力發電機的塔筒上的塔筒螺栓疲勞預測方法及預測系統。

背景技術：

風力發電機塔筒采用螺栓進行連接，在風力發電機工作的過程中，受風力產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致螺栓失效，從而影響到整個塔筒的穩定性。

為了避免塔筒螺栓因為疲勞而失效，常用的是采用對風力發電機進行定期保養的方法，但是由于風力發電機塔筒上的螺栓眾多，如果一次性全部進行保養，必然帶來人工成本的上升，而且全部螺栓保養一次的效率也偏低。

在實踐中，一般是由人工定期抽檢，具體的做法是：抽檢10％按年檢力矩進行緊固，如發現有一顆螺栓松動(被旋緊達到20°以上)，則整個節點的螺栓全部緊固一遍。顯然，這樣的保養策略存在著偶然性、隨機性，并不能通過這樣的把疲勞嚴重的螺栓全部檢出。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行排除，存在著人力財力的浪費。

而事實上，即使是按照10％的比例進行抽檢，對一個風力發電機完成一次抽檢，也需要花費大量的精力。

現有技術中，對于風力發電機塔筒螺栓的疲勞壽命進行分析的方法，大豆停留在整體上進行分析的層面，無法針對單獨螺栓進行疲勞強度計算，所以現在的大多數論文都僅僅停留在理論研究層面。實踐中，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的整體監測和預警。

技術實現要素：

本發明實施例提供了一種塔筒螺栓疲勞預測方法及預測系統，解決當前技術無法檢出風力發電機上偏勞損傷程度高的螺栓的問題。

第一方面，本發明實施例提供一種塔筒螺栓疲勞預測方法，包括：

實時檢測風速V、風向α以及風力發電機的偏航角度ω，其中所述偏航角度指向所述風向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與風向α的夾角θ；

獲得所述待測螺栓的預緊應力F0；

獲得所述待測螺栓上方的塔筒及機艙對所述待測螺栓施加的靜止載荷應力F1；

獲得所述機艙對所述待測螺栓施加的偏心載荷應力F2；

獲得所述待測螺栓上方的塔筒的迎風面對所述待測螺栓施加的迎風載荷應力F3；

獲得所述機艙的葉輪對所述待測螺栓施加的轉動載荷應力F4；

獲得所述待測螺栓的總應力F：總應力F＝預緊應力F0+靜止載荷應力F1+偏心載荷應力F2+迎風載荷應力F3+轉動載荷應力F4；

在預定的時間T范圍內對總應力F進行累積，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艙對所述待測螺栓施加的靜止載荷應力F1，包括：

獲得塔筒的重量G1；

獲得機艙的重量G2；

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

可選擇地，獲得所述機艙對所述待測螺栓施加的偏心載荷應力F2，包括：

獲得機艙的重量G2；

獲得機艙的重心偏離塔筒的中心線的距離D；

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

可選擇地，獲得所述待測螺栓上方的塔筒的迎風面對所述待測螺栓施加的迎風載荷應力F3，包括：

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

根據所述面積S1、所述風速V、所述直徑D和所述高度H計算所述待測螺栓分擔的迎風載荷應力F3，例如可以采用以下公式進行計算：F3＝K3*S1*H*cosθ/n*D，其中，K3是修正系數，n是所述待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數。

可選擇地，獲得所述機艙的葉輪對所述待測螺栓施加的轉動載荷應力F4，包括：

獲得所述葉輪的迎風面的面積S2；

獲得所述葉輪的轉速v；

獲得所述葉輪的葉片相對于迎風面的偏轉角度φ；

根據所述面積S2、所述轉速v、所述風速V、所述偏轉角度φ、所述高度H、所述直徑D計算所述待測螺栓分擔的轉動載荷應力F4，例如可以采用以下公式進行計算：F4＝K4*V*H*S2*v²*cosφ/n*D，其中K4是修正系數，n是所述待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數。

可選擇地，所述在預定的時間T范圍內對總應力F進行累積，包括：

根據總應力F與時間的關系，直接對總應力F進行累積求和；或者，

根據總應力F與時間、應力疲勞關系式的關系，對總應力F進行歸一化處理后再進行累積求和。

可選擇地所述對總應力F進行歸一化處理，包括根據應力疲勞關系式，將所述總應力F換算為預設應力Fs條件下的疲勞頻次。

對總應力F進行累積時，采用離散檢測的方式獲得所述總應力F，或者，采用連續檢測的方式獲得所述總應力F。

可選擇地，本發明實施例提供的塔筒螺栓疲勞預測方法，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與預設閾值Wx進行比較，當Wn≥Wx時，輸出對應的Wn、以及Wn對應的螺栓所在位置信息；

當獲得的疲勞損耗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對應的螺栓所在位置信息。

本發明提供的塔筒螺栓疲勞預測方法，準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確定位，節約機組檢修成本。

第二方面，本發明實施例還提供一種塔筒螺栓疲勞預測系統，包括：

檢測器，用于實時檢測風速V、風向α以及風力發電機的偏航角度ω，其中所述偏航角度指向所述風向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與風向α的夾角θ；

獲得所述待測螺栓的預緊應力F0；

獲得所述待測螺栓上方的塔筒及機艙對所述待測螺栓施加的靜止載荷應力F1；

獲得所述機艙對所述待測螺栓施加的偏心載荷應力F2；

獲得所述待測螺栓上方的塔筒的迎風面對所述待測螺栓施加的迎風載荷應力F3；

獲得所述機艙的葉輪對所述待測螺栓施加的轉動載荷應力F4；

獲得所述待測螺栓的總應力F：總應力F＝預緊應力F0+靜止載荷應力F1+偏心載荷應力F2+迎風載荷應力F3+轉動載荷應力F4；

以及，在預定的時間T范圍內對總應力F進行累積，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艙對所述待測螺栓施加的靜止載荷應力F1，包括：

獲得塔筒的重量G1；

獲得機艙的重量G2；

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

和/或，所述控制器獲得所述機艙對所述待測螺栓施加的偏心載荷應力F2，包括：

獲得機艙的重量G2；

獲得機艙的重心偏離塔筒的中心線的距離D；

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

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

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

根據所述面積S1、所述風速V、所述直徑D和所述高度H計算所述待測螺栓分擔的迎風載荷應力F3，例如可以采用以下公式進行計算：

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

和/或，所述控制器獲得所述機艙的葉輪對所述待測螺栓施加的轉動載荷應力F4，包括：

獲得所述葉輪的迎風面的面積S2；

獲得所述葉輪的轉速v；

獲得所述葉輪的葉片相對于迎風面的偏轉角度φ；

根據所述面積S2、所述轉速v、所述風速V、所述偏轉角度φ、所述高度H、所述直徑D計算所述待測螺栓分擔的轉動載荷應力F4，例如可以采用以下公式進行計算：F4＝K4*V*H*S2*v²*cosφ/n*D，其中K4是修正系數，n是所述待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數。

可選擇地，所述控制器在預定的時間T范圍內對總應力F進行累積，包括：

根據總應力F與時間的關系，直接對總應力F進行累積求和；或者，

根據總應力F與時間、應力疲勞關系式的關系，對總應力F進行歸一化處理后再進行累積求和。

可選擇地，所述對總應力F進行歸一化處理，包括根據應力疲勞關系式，將所述總應力F換算為預設應力Fs條件下的疲勞頻次。

對總應力F進行累積時，采用離散檢測的方式獲得所述總應力F，或者，采用連續檢測的方式獲得所述總應力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與預設閾值Wx進行比較，當Wn≥Wx時，輸出對應的Wn、以及Wn對應的螺栓所在位置信息給報警器；

當獲得的疲勞損耗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對應的螺栓所在位置信息報警器；

所述報警器，用于輸出聲音信號、光信號和/或電子信號。

本發明提供的塔筒螺栓疲勞預測系統，能夠準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確定位，節約機組檢修成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對本發明實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明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明實施例所述塔筒螺栓疲勞預測方法的流程示意圖；

圖2是本發明實施例所述塔筒螺栓疲勞預測系統的模塊示意圖；

圖3是塔筒圓周上的螺栓受力示意圖；

圖4是應力疲勞曲線；

圖5是本發明實施例所述塔筒螺栓疲勞預測方法的示意圖；

圖6是經過預定的時間T之后檢測到的塔筒上的螺栓應力累積示意圖。

圖中：

10、檢測器；20、控制器；30、報警器。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

下面將詳細描述本發明的各個方面的特征和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對于本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發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。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。

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

如圖1、圖3-圖5所示，第一方面，本發明實施例提供一種塔筒螺栓疲勞預測方法，包括：

實時檢測風速V、風向α以及風力發電機的偏航角度ω，其中偏航角度指向風向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與風向α的夾角θ；

獲得待測螺栓的預緊應力F0，通常地，預緊應力F0是在塔筒安裝的時候，根據安裝的需要而由工程師進行設定；

獲得待測螺栓上方的塔筒及機艙對待測螺栓施加的靜止載荷應力F1，由于在風力發電機靜止狀態下，塔筒上的螺栓也會承受由塔筒及上面機艙的重量帶來的應力作用，在計算應力載荷時需要將這部分內容納入考量，以使計算結果更準確；

獲得機艙對待測螺栓施加的偏心載荷應力F2，由于機艙的重心一般不在塔筒的中心線上，所以機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力F2；

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

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

獲得待測螺栓的總應力F：總應力F＝預緊應力F0+靜止載荷應力F1+偏心載荷應力F2+迎風載荷應力F3+轉動載荷應力F4；

在預定的時間T范圍內對總應力F進行累積，得到待測螺栓的疲勞損耗Wn。

本實施例提供的塔筒螺栓疲勞預測方法，風力發電機的塔筒、機艙的相關參數，根據風速和風向信息，就可以得到塔筒圓周上的螺栓承受的應力，通過實時檢測的方式得到的應力數據累積之后，可以判斷螺栓的疲勞損傷程度；特別是在風速、風向變化的工作環境中，可以提前預估到疲勞損傷大的螺栓，從而為檢修和維護提供可靠的參考，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，本實施例提供的塔筒螺栓疲勞預測方法中，獲得待測螺栓上方的塔筒及機艙對待測螺栓施加的靜止載荷應力F1，包括：

獲得塔筒的重量G1；

獲得機艙的重量G2；

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

可選擇地，本實施例提供的塔筒螺栓疲勞預測方法中，獲得機艙對待測螺栓施加的偏心載荷應力F2，包括：

獲得機艙的重量G2；

獲得機艙的重心偏離塔筒的中心線的距離D；

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

可選擇地，本實施例提供的塔筒螺栓疲勞預測方法中，獲得待測螺栓上方的塔筒的迎風面對待測螺栓施加的迎風載荷應力F3，包括：

獲得待測螺栓上方的塔筒的迎風面的面積S1，以及待測螺栓上方的塔筒的高度H；

根據面積S1、風速V、直徑D和高度H計算待測螺栓分擔的迎風載荷應力F3，例如可以采用以下公式進行計算：F3＝K3*S1*H*cosθ/n*D，其中，K3是修正系數，n是待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數，本公式的其他參數均能夠直接獲得。根據已知的上述參數，可以經過計算得到迎風載荷應力F3，但是對迎風載荷應力F3的計算，并不局限于以上提供的公式，本領域技術人員也可以根據以上的參數采用其他的方法計算得到迎風載荷應力F3。

可選擇地，本實施例提供的塔筒螺栓疲勞預測方法中，獲得機艙的葉輪對待測螺栓施加的轉動載荷應力F4，包括：

獲得葉輪的迎風面的面積S2；

獲得葉輪的轉速v；

獲得葉輪的葉片相對于迎風面的偏轉角度φ；

根據面積S2、轉速v、風速V、偏轉角度φ、高度H、直徑D計算待測螺栓分擔的轉動載荷應力F4，例如可以采用以下公式進行計算：

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

可選擇地，本實施例提供的塔筒螺栓疲勞預測方法中，在預定的時間T范圍內對總應力F進行累積，包括：

根據總應力F與時間的關系，直接對總應力F進行累積求和，可以得到一定時間內的應力累積，根據應力累積之后的結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，

根據總應力F與時間、應力疲勞關系式的關系，對總應力F進行歸一化處理后再進行累積求和，由于不同的應力條件下的疲勞損傷是不同的，所以將不同的應力以指定應力Fs為參考進行計算，從而可以得到更準確的疲勞損傷。舉例來說，假如指定應力Fs為6MPa，對應的應力循環次數為Q1＝2×10⁶次，檢測的應力F是8MPa，對應的應力循環次數為Q2＝10⁶次，檢測的應力是1MPa，對應的應力循環次數為無限循環。那么在進行歸一化處理時，不用將1MPa的應力納入統計(因為1MPa的應力不會帶來疲勞損傷)；持續時間t1的8MPa，歸一化為6MPa應力時，等效為t1*Q1/Q2＝2*t1時間，在進行頻次計算的時候就可以根據等效時間來計算。

在通過計算機進行歸一化處理時，也可以不采用特定的公式關系，根據實際經驗，將不同應力下的應力循環次數與指定應力Fs的應力循環次數之間的對應關系統計成表格，將相應的數據錄入計算機程序中，由計算機根據表格所列的數據進行處理。

可選擇地，本實施例提供的塔筒螺栓疲勞預測方法中，應力疲勞關系式為：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疲勞關系公式，根據螺栓的材料不同，都有對應的疲勞關系公式，這在本領域技術人員是熟知的，所使用的的疲勞關系式也不限于以上所列；

和/或，對總應力F進行歸一化處理，包括根據應力疲勞關系式，將總應力F換算為預設應力Fs條件下的疲勞頻次。

對總應力F進行累積時，采用離散檢測的方式獲得總應力F，或者，采用連續檢測的方式獲得總應力F。

如圖6所示，可選擇地，本實施例提供的塔筒螺栓疲勞預測方法，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與預設閾值Wx(例如，如圖6中所示的預設閾值Wx＝6)進行比較，當Wn≥Wx時，輸出對應的Wn、以及Wn對應的螺栓所在位置信息；此時可以檢修疲勞損耗Wn超過預設閾值Wx的螺栓，而不需要檢修全部螺栓。

當獲得的疲勞損耗Wn都不滿足Wn≥Wx時(例如，如圖6中所示的預設閾值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對應的螺栓即可，而不需要檢修全部螺栓。

本發明提供的塔筒螺栓疲勞預測方法，準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確定位，節約機組檢修成本；在螺栓的疲勞達到或超過預設閾值時，預防螺栓因過疲勞而斷裂情況的發生；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度累積情況，從而為優化塔筒設計及螺栓的安裝提供準確的數據支撐。

第二方面，如圖2-圖5所示，本發明實施例還提供一種塔筒螺栓疲勞預測系統，包括：

檢測器10，用于實時檢測風速V、風向α以及風力發電機的偏航角度ω，其中偏航角度指向風向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與風向α的夾角θ；

獲得待測螺栓的預緊應力F0，通常地，預緊應力F0是在塔筒安裝的時候，根據安裝的需要而由工程師進行設定；

獲得待測螺栓上方的塔筒及機艙對待測螺栓施加的靜止載荷應力F1，由于在風力發電機靜止狀態下，塔筒上的螺栓也會承受由塔筒及上面機艙的重量帶來的應力作用，在計算應力載荷時需要將這部分內容納入考量，以使計算結果更準確；

獲得機艙對待測螺栓施加的偏心載荷應力F2，由于機艙的重心一般不在塔筒的中心線上，所以機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力F2；

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

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

獲得待測螺栓的總應力F：總應力F＝預緊應力F0+靜止載荷應力F1+偏心載荷應力F2+迎風載荷應力F3+轉動載荷應力F4；

以及，在預定的時間T范圍內對總應力F進行累積，得到待測螺栓的疲勞損耗Wn。

本實施例提供的塔筒螺栓疲勞預測系統，風力發電機的塔筒、機艙的相關參數，根據風速和風向信息，就可以得到塔筒圓周上的螺栓承受的應力，通過實時檢測的方式得到的應力數據累積之后，可以判斷螺栓的疲勞損傷程度；特別是在風速、風向變化的工作環境中，可以提前預估到疲勞損傷大的螺栓，從而為檢修和維護提供可靠的參考，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，本實施例提供的塔筒螺栓疲勞預測系統中，控制器20獲得待測螺栓上方的塔筒及機艙對待測螺栓施加的靜止載荷應力F1，包括：

獲得塔筒的重量G1；

獲得機艙的重量G2；

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

可選擇地，本實施例提供的塔筒螺栓疲勞預測系統中，控制器20獲得機艙對待測螺栓施加的偏心載荷應力F2，包括：

獲得機艙的重量G2；

獲得機艙的重心偏離塔筒的中心線的距離D；

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

可選擇地，本實施例提供的塔筒螺栓疲勞預測系統中，控制器20獲得待測螺栓上方的塔筒的迎風面對待測螺栓施加的迎風載荷應力F3，包括：

獲得待測螺栓上方的塔筒的迎風面的面積S1，以及待測螺栓上方的塔筒的高度H；

根據面積S1、風速V、直徑D和高度H計算待測螺栓分擔的迎風載荷應力F3，例如可以采用以下公式進行計算：F3＝K3*S1*H*cosθ/n*D，其中，K3是修正系數，n是待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數，本公式的其他參數均能夠直接獲得；根據已知的上述參數，可以經過計算得到迎風載荷應力F3，但是對迎風載荷應力F3的計算，并不局限于以上提供的公式，本領域技術人員也可以根據以上的參數采用其他的方法計算得到迎風載荷應力F3。

可選擇地，本實施例提供的塔筒螺栓疲勞預測系統中，控制器20獲得機艙的葉輪對待測螺栓施加的轉動載荷應力F4，包括：

獲得葉輪的迎風面的面積S2；

獲得葉輪的轉速v；

獲得葉輪的葉片相對于迎風面的偏轉角度φ；

根據面積S2、轉速v、風速V、偏轉角度φ、高度H、直徑D計算待測螺栓分擔的轉動載荷應力F4，例如可以采用以下公式進行計算：F4＝K4*V*H*S2*v²*cosφ/n*D，其中K4是修正系數，n是待測螺栓所在位置的塔筒圓周的螺栓總數，本公式的其他參數均能夠直接獲得。根據已知的上述參數，可以經過計算得到轉動載荷應力F4，但是對轉動載荷應力F4的計算，并不局限于以上提供的公式，本領域技術人員也可以根據以上的參數采用其他的方法計算得到轉動載荷應力F4。

可選擇地，本實施例提供的塔筒螺栓疲勞預測系統中，控制器20在預定的時間T范圍內對總應力F進行累積，包括：

根據總應力F與時間的關系，直接對總應力F進行累積求和，可以得到一定時間內的應力累積，根據應力累積之后的結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，

根據總應力F與時間、應力疲勞關系式的關系，對總應力F進行歸一化處理后再進行累積求和，由于不同的應力條件下的疲勞損傷是不同的，所以將不同的應力以指定應力Fs為參考進行計算，從而可以得到更準確的疲勞損傷。舉例來說，假如指定應力Fs為6MPa，對應的應力循環次數為Q1＝2×10⁶次，檢測的應力F是8MPa，對應的應力循環次數為Q2＝10⁶次，檢測的應力是1MPa，對應的應力循環次數為無限循環。那么在進行歸一化處理時，不用將1MPa的應力納入統計(因為1MPa的應力不會帶來疲勞損傷)；持續時間t1的8MPa，歸一化為6MPa應力時，等效為t1*Q1/Q2＝2*t1時間，在進行頻次計算的時候就可以根據等效時間來計算。

在通過計算機進行歸一化處理時，也可以不采用特定的公式關系，根據實際經驗，將不同應力下的應力循環次數與指定應力Fs的應力循環次數之間的對應關系統計成表格，將相應的數據錄入計算機程序中，由計算機根據表格所列的數據進行處理。

可選擇地，本實施例提供的塔筒螺栓疲勞預測系統中，應力疲勞關系式為：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疲勞關系公式，根據螺栓的材料不同，都有對應的疲勞關系公式，這在本領域技術人員是熟知的，所使用的的疲勞關系式也不限于以上所列。

和/或，對總應力F進行歸一化處理，包括根據應力疲勞關系式，將總應力F換算為預設應力Fs條件下的疲勞頻次。

對總應力F進行累積時，采用離散檢測的方式獲得總應力F，或者，采用連續檢測的方式獲得總應力F。

如圖6所示，可選擇地，本實施例提供的塔筒螺栓疲勞預測系統中，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與預設閾值Wx(例如，如圖6中所示的預設閾值Wx＝6)進行比較，當Wn≥Wx時，輸出對應的Wn、以及Wn對應的螺栓所在位置信息給報警器30；此時可以檢修疲勞損耗Wn超過預設閾值Wx的螺栓，而不需要檢修全部螺栓。

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

報警器30用于輸出聲音信號、光信號和/或電子信號。風電場的值班人員可以得知報警信號，從而提示維護人員作出快速反應，保證風力發電機塔筒的安全。

本發明提供的塔筒螺栓疲勞預測系統，能夠準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確定位，節約機組檢修成本；在螺栓的疲勞達到或超過預設閾值時，預防螺栓因過疲勞而斷裂情況的發生；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度累積情況，從而為優化塔筒設計及螺栓的安裝提供準確的數據支撐。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以權利要求的保護范圍為準。