一种超声纵横波用于水轮机组紧固螺栓的在线应力检测系统的制作方法

1.本发明涉及检测技术领域，具体为一种超声纵横波用于水轮机组紧固螺栓的在线应力检测系统。


背景技术：

2.水电站中的水力发电机组是实现水的位能转化为电能的一种能量转换装置，一般由水轮机、发电机、调速器、励磁系统、冷却系统、电站控制设备等组成。而固定水电机组的外部关键结构主要由顶盖、上机架、下机架等机械结构组成，这些部件之间的连接方式都是采用大小螺栓连接组合成一个整体。螺栓作为工程上常用的机械零件，一般搭配螺母配套使用，用于连接两个机械结构，通过带有内螺纹的通孔机械结构与螺栓上的外螺纹进行旋转紧固，达到连接效果，称为螺栓连接。
3.水电机组的外部关键结构间一般通过紧固螺栓进行连接，螺栓紧固一般为人工紧固，因此各个螺栓的预应力大小不一，所以需要对其进行应力检测。目前工程上常用的方法为扭矩法和转角法，由于螺母与构件的接触面之间及螺母与螺栓的螺纹面之间摩擦系数离散性较大，使得由力矩推算出的轴向应力很不准确，并且误差较大，导致检测结果不准确，同时花费时间长，工作效率低。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种超声纵横波用于水轮机组紧固螺栓的在线应力检测系统，解决了由于螺母与构件的接触面之间及螺母与螺栓的螺纹面之间摩擦系数离散性较大，由力矩推算出的轴向应力不准确，同时花费时间长，工作效率低等问题。
5.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
6.一种基于超声纵横波用于水电厂水轮机组关键结构紧固螺栓的在线应力检测系统，包括核心控制系统和控制系统登录模组，所述核心控制系统通过无线信号与控制系统登录模组实现双向连接，所述核心控制系统的输入端与螺栓应力测量模组的输出端连接，且按信号传递方向，螺栓应力测量模组输出端依次与超声纵横波声时数据采集模块、超声纵横波声时-应力模型建立及数据处理模组、核心控制系统连接，所述核心控制系统还与螺栓应力和声时数据存储模块、螺栓应力和声时数据对比模块实现双向连接。
7.进一步地，所述核心控制系统的输出端与系统报警模块的输入端连接。
8.所述核心控制系统的输入端与系统电源模块的输出端连接，且系统电源模块的输出端与螺栓应力测量模组的输入端连接，所述核心控制系统通过通讯信号与远程数据传输模块实现双向连接。
9.所述远程数据传输模块的输出端与远程终端的输入端连接。
10.优选的，所述控制系统登录模组包括控制系统账户申请模块，所述控制系统账户申请模块的输出端与控制系统账户信息输入模块的输入端连接，所述控制系统账户信息输入模块的输出端与控制系统账户信息核实模块的输入端连接。
11.优选的，所述螺栓应力测量模组包括超声纵横波测量螺栓应力值模块和螺栓应力值数据传输模块。
12.所述超声纵横波声时-应力模型建立及数据处理模组包括超声纵横波声时-应力模型建立单元，所述超声纵横波声时-应力模型建立单元的输出端与超声纵横波声时-应力模型计算模块的输入端连接，所述超声波声时数据采集模块的输出端与超声纵横波声时-应力模型建立单元的输入端连接，所述超声纵横波声时-应力模型计算模块的输出端与核心控制系统的输入端连接。
13.优选的，所述超声纵横波声时-应力模型建立单元包括声时-应力数据信号接收模块、声时-应力数据显示模块、声时-应力数据算法编辑模块和声时-应力曲线模型确立模块。
14.优选的，所述螺栓应力和声时数据存储模组包括螺栓应力和声时数据管理单元，所述螺栓应力和声时数据管理单元与系统数据库实现双向连接，所述系统数据库的输出端与数据备份模块的输入端连接。所述数据备份模块的输出端与云端服务器的输入端连接，且云端服务器与数据加密模块实现双向连接，所述数据加密模块通过无线与系统数据库实现双向连接。
15.优选的，所述螺栓应力和声时数据管理单元包括螺栓应力和传播声时数据记录模块、螺栓应力和声时数据统计模块、螺栓应力和传播声时数据分析模块和螺栓应力和传播声时数据更改模块。
16.本发明提供了一种超声纵横波用于水轮机组紧固螺栓的在线应力检测系统。与现有技术相比具备以下有益效果：
17.(1)、该基于超声纵横波用于水电厂水轮机组关键结构紧固螺栓的在线应力检测系统，包括核心控制系统和控制系统登录模组，所述核心控制系统通过远程通讯与控制系统登录模组实现双向连接，所述核心控制系统的输入端与螺栓应力测量模组的输出端电性连接，通过发射超声纵横波测量螺栓应力值模块对水轮机组关键结构紧固螺栓的应力进行检测，基于超声波在固体中传播速度快，接收的信号稳定性好，数据误差小，保证了很高的准确性。
18.(2)、该应力检测系统，通过超声纵横波声时-应力模型建立及数据处理模组包括超声纵横波声时-应力模型建立单元，所述超声纵横波声时-应力模型建立单元的输出端与超声纵横波声时-应力模型计算模块的输入端连接，所述超声波声时数据采集模块的输出端与超声纵横波声时-应力模型建立单元的输入端连接，所述超声纵横波声时-应力模型计算模块的输出端与核心控制系统的输入端连接。超声纵横波声时-应力模型建立单元包括声时-应力数据信号接收模块、声时-应力数据显示模块、声时-应力数据算法编辑模块和声时-应力曲线模型确立模块，核心控制系统与螺栓应力和声时数据对比模块完成双向连接。并通过超声纵横波声时-应力模型计算模块进行计算，经过螺栓应力和声时数据对比模块将结果数据与预先存入系统数据库中材料的国家标准应力范围值进行比对，有助于工作人员对数据进行分析和处理，减少了工作量，提高了工作效率。
19.(3)、该应力检测系统，螺栓应力和声时数据存储模组包括螺栓应力和声时数据管理单元，所述螺栓应力和声时数据管理单元与系统数据库实现双向连接，所述系统数据库的输出端与数据备份模块的输入端连接。数据备份模块的输出端与云端服务器的输入端连
接，且云端服务器与数据加密模块实现双向连接，所述数据加密模块通过无线与系统数据库实现双向连接。螺栓应力和声时数据管理单元包括螺栓应力和声时数据记录模块、螺栓应力和声时数据统计模块、螺栓应力和声时数据分析模块和螺栓应力和声时数据更改模块。将测量数据保存到螺栓应力和声时数据存储模组中进行备份，方便后期对数据进行调用和分析。
附图说明
20.图1为本发明系统的结构原理框图；
21.图2为本发明控制系统登录模组的结构原理框图；
22.图3为本发明螺栓应力测量模组的结构原理框图；
23.图4为本发明超声纵横波声时-应力模型建立及数据处理模组的结构原理框图；
24.图5为本发明螺栓应力和声时数据存储模组的结构原理框图；
25.图6为本发明螺栓应力和声时数据管理单元的结构原理框图。
26.图中，1核心控制系统、2控制系统登录模组、21控制系统账户申请模块、22控制系统账户信息输入模块、23控制系统账户信息验证模块、3螺栓应力测量模组、31超声纵横波测量螺栓应力值模块、32螺栓应力值数据传输模块、4超声波声时数据采集模块、5超声纵横波声时-应力模型建立及数据处理模组、51超声纵横波声时-应力模型建立单元、511声时-应力数据信号接收模块、512声时-应力数据显示模块、513声时-应力数据算法编辑模块、514声时-应力曲线模型确立模块、52超声纵横波声时-应力模型计算模块、6系统报警模块、7螺栓应力和声时数据存储模组、71螺栓应力和声时数据管理单元、72系统数据库、711螺栓应力和声时数据记录模块、712螺栓应力和声时数据统计模块、713螺栓应力和声时数据分析模块、714螺栓应力和声时数据更改模块、73数据备份模块、74数据加密模块、75云端服务器、8螺栓应力和声时数据对比模块、9系统电源模块、10远程数据传输模块、11远程终端。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.请参阅图1-6，本发明实施例提供一种超声纵横波用于水轮机组紧固螺栓的在线应力检测系统，包括核心控制系统1和控制系统登录模组2，核心控制系统1的输入端与系统电源模块9的输出端连接，且系统电源模块9的输出端与螺栓应力测量模组3的输入端连接，核所述核心控制系统1通过通讯信号与远程数据传输模块10实现双向连接。
29.远程数据传输模块10的输出端与远程终端11的输入端连接。核心控制系统1的输出端与系统报警模块6的输入端连接，但所测量应力值超出系统预定的范围时，会发出警报。核心控制系统1通过无线信号与控制系统登录模组2实现双向连接，核心控制系统1的输入端与螺栓应力测量模组3的输出端连接，螺栓应力测量模组3包括超声纵横波测量螺栓应力值模块31和螺栓应力值数据传输模块32，超声纵横波声时-应力模型建立及数据处理模组5包括超声纵横波声时-应力模型建立单元51，超声纵横波声时-应力模型建立单元51包
括声时-应力数据信号接收模块511、声时-应力数据显示模块512、声时-应力数据算法编辑模块513和声时-应力曲线模型确立模块514，声时-应力数据信号接收模块511对超声纵横波的声时数据进行接收，然后通过声时-应力数据显示模块512呈现出来，再之后经过声时-应力数据算法编辑模块513编写一个声时-应力两者之间的关系算法公式，声时-应力曲线模型确立模块514则将声时-应力两者之间的关系算法公式进行确立，算法公式为超声纵横波声时与应力之间的计算公式，此为一套完备的理论基础，不做详细赘述，关系算法公式确立后，通过超声纵横波声时-应力模型计算模块52进行计算。
30.控制系统登录模组2包括控制系统账户申请模块21，控制系统账户申请模块21的输出端与控制系统账户信息输入模块22的输入端连接，控制系统账户信息输入模块22的输出端与控制系统账户信息核实模块23的输入端连接。螺栓应力和声时数据存储模组7包括螺栓应力和声时数据管理单元71，螺栓应力和声时数据管理单元71与系统数据库72实现双向连接，螺栓应力和声时数据管理单元71包括螺栓应力和声时数据记录模块711、螺栓应力和声时数据统计模块712、螺栓应力和声时数据分析模块713和螺栓应力和声时数据更改模块714，系统数据库72的输出端与数据备份模块73的输入端连接，云端服务器75与数据加密模块74实现双向连接，数据备份模块73对系统数据库72内的数据进行备份，然后传输到云端服务器75中，并且通过数据加密模块74对传输到服务器中的数据进行加密处理，数据加密模块74通过无线与系统数据库72实现双向连接，超声纵横波声时-应力模型建立单元51的输出端与超声纵横波声时-应力模型计算模块52的输入端连接，超声波声时数据采集模块4的输出端与超声纵横波声时-应力模型建立单元51的输入端连接，超声纵横波声时-应力模型计算模块52的输出端与核心控制系统1的输入端连接，螺栓应力测量模组3的输出端与超声纵横波声时数据采集模块4的输入端连接，超声纵横波声时数据采集模块4的输出端与超声纵横波声时-应力模型建立及数据处理模组5的输入端连接，并且超声纵横波声时-应力模型建立及数据处理模组5的输出端与核心控制系统1的输入端连接，核心控制系统1与螺栓应力和声时数据存储模块7实现双向连接，核心控制系统1与螺栓应力和声时数据对比模块8实现双向连接，超声纵横波声时-应力模型计算模块52通过已经建立的超声波声时-应力的关系算法公式对数据进行计算，然后将计算出的应力结果传输到核心控制系统1中，结合螺栓应力和声时数据对比模块8将结果和系统数据库72中已设定的应力值范围进行比对。
31.在超声仪器正常运行时，系统电源模块9负责对螺栓应力测量模组3和核心控制系统1进行供电，被测螺栓与超声纵横波测量螺栓应力值模块31通过耦合剂接触连接，超声纵横波测量螺栓应力值模块31对被测螺栓所受应力大小进行测量，通过螺栓应力值数据传输模块32将数据传输到核心控制系统1中，核心控制系统1再将数据上传到系统数据库中保存，与此同时超声波声时数据采集模块4对超声纵横波在螺栓内部的声时长短进行采集，然后将采集后的数据传输到超声纵横波声时-应力模型建立及数据处理模组5中，声时-应力数据信号接收模块511对超声纵横波的声时数据进行接收，然后通过声时-应力数据显示模块512呈现出来，再之后经过声时-应力数据算法编辑模块513编写一个声时-应力两者之间的关系算法公式，算法公式为t＝(s
l
/s
t-x0)/cr，其中t为螺栓检测应力值，cr为与材料和夹紧距离有关的系数，s
l
，s
t
为超声波纵波及横波的声时，x0为螺栓不受应力时的横、纵波波速之比值，声时-应力曲线模型确立模块514则将声时-应力两者之间的关系算法公式进行确
立，关系算法公式确立后，通过超声纵横波声时-应力模型计算模块52进行计算，并将计算结果传输到核心控制系统1中，结合螺栓应力和声时数据对比模块8将结果和系统数据库72中已设定的应力值范围进行比对，具体对比方式为将现场测量螺栓的应力值与实验室中所计算出的应力值进行对比，具体对比以数值方式呈现在超声仪器显示屏上或通过远程数据传输模块10传输至远程终端11上，若应力结果不在其范围内，则核心控制系统1的输出端控制系统报警模块6实施报警，提醒工作人员，并通过远程数据传输模块10将计算结果传送到远程终端11，方便工作人员观察结果，将螺栓应力测量模组3中测量被检测螺栓的应力值和通过超声纵横波声时-应力模型计算出的应力值均上传到螺栓应力和声时数据存储模组7中的系统数据库72中，数据备份模块73对系统数据库72内的数据进行备份，然后传输到云端服务器75中，并且通过数据加密模块74对传输到服务器中的数据进行加密处理，当工作人员调用和记录数据时，则先通过控制系统登录模组2中的控制系统账户申请模块21提出申请，然后在通过控制系统账户信息输入模块22输入其账户信息，并通过控制系统账户信息核实模块23进行核实验证，信息核对无误后，则可进入螺栓应力和声时数据存储模组7对数据进行调用和分析处理，螺栓应力和声时数据管理单元71对系统数据库72中的数据进行整合管理，螺栓应力和声时数据记录模块711记录所测量的数据，螺栓应力和声时数据统计模块712对所记录的数据进行统计，螺栓应力和声时数据分析模块713对数据进行进一步的分析和处理，螺栓应力和声时数据更改模块714则可以对已记录的数据进行更正和修改。
32.具体地，所述超声纵横波声时-应力模型建立及数据处理模组中编号对应的超声纵横波声时-应力模型建立单元生成时，如图4所示，需要执行下述步骤：通过拉伸机和超声仪进行标定实验，经511声时-应力数据信号接收模块和512声时-应力数据显示模块，对声时数据信号进行转换，513声时-应力数据算法编辑模块将声时与输入对应的应力值绘制散点图，并进行曲线拟合，拟合方式若个别数据点的方差不大，首先用一次函数拟合，若方差过大，则采用用多项式拟合，经实验验证，采用二次多项式拟合得出的声时-应力函数算法模型偏差最小，重复试验获得多组模型，经514声时-应力曲线模型确立模块将多种算法模型取平均值后，确定最终的声时-应力函数算法模型。函数算法模型的具体形式为t＝(s
l
/s
t-x0)/cr。在实际中，超声声时经信号转换传输至52超声纵横波声时-应力模型计算模块中，将超声声时代入其中已确定好的声时-应力函数算法模型计算出应力。
33.实施例一
34.本发明的实施案例中，为针对水电厂顶盖螺栓、蜗壳进人门螺栓及转动部件螺栓结构特性、布置空间位置特点等，建立一套水电站螺栓智能检测与分析系统，实现在线式检测，诊断与预警，保证水电站设备安全稳定可靠运行。首先将被测螺栓与超声纵横波测量螺栓应力值模块31通过耦合剂接触连接放至拉伸试验机上进行标定实验，实验之前将螺栓公称直径和有效长度等参数输入到超声仪器中，拉伸试验工作时，超声仪器对被测螺栓发生超声波，系统电源模块9负责对螺栓应力测量模组3和核心控制系统1进行供电，超声纵横波测量螺栓应力值模块31对被测螺栓当前形变所受应力大小进行测量，并通过螺栓应力值数据传输模块32将数据传输到核心控制系统1中，核心控制系统1再将数据上传到系统数据库中保存，与此同时超声波声时数据采集模块4对超声纵横波在螺栓内部的声时长短进行采集，然后将采集后的数据传输到超声纵横波声时-应力模型建立及数据处理模组5中，声时-应力数据信号接收模块511对超声纵横波的声时数据进行接收，然后通过声时-应力数据显
示模块512呈现出来，再之后经过声时-应力数据算法编辑模块513编写一个声时-应力两者之间的关系算法公式，算法公式为t＝(s
l
/s
t-x0)/cr，得出cr和x0的具体数值并保存至系统数据库中，至此标定实验完成。
35.然后将已完成标定实验的超声仪器与水电厂现场已紧固的螺栓通过耦合剂接触连接，启动机组待机组运行后，开启超声仪器，超声波声时数据采集模块4对超声纵横波在螺栓内部的声时长短进行采集，然后将采集后的数据传输到超声纵横波声时-应力模型建立及数据处理模组5中，通过超声纵横波声时-应力模型建立及数据处理模组5中已确定的关系算法公式，计算出被测螺栓当前所处的应力值，并将计算结果传输到核心控制系统1中，结合螺栓应力和声时数据对比模块8将结果和系统数据库72中已设定的应力值范围进行比对，若应力结果不在其范围内，则核心控制系统1的输出端控制系统报警模块6实施报警，提醒工作人员，并通过远程数据传输模块10将计算结果传送到远程终端11，方便工作人员观察结果，超声波声时数据采集模块4采集的超声纵横波声时和计算出的应力值均上传到螺栓应力和声时数据存储模组7中的系统数据库72中，数据备份模块73对系统数据库72内的数据进行备份，然后传输到云端服务器75中，并且通过数据加密模块74对传输到服务器中的数据进行加密处理，当工作人员调用和记录数据时，则先通过控制系统登录模组2中的控制系统账户申请模块21提出申请，然后在通过控制系统账户信息输入模块22输入其账户信息，并通过控制系统账户信息核实模块23进行核实验证，信息核对无误后，则可进入螺栓应力和声时数据存储模组7对数据进行调用和分析处理，螺栓应力和声时数据管理单元71对系统数据库72中的数据进行整合管理，螺栓应力和声时数据记录模块711记录所测量的数据，螺栓应力和声时数据统计模块712对所记录的数据进行统计，螺栓应力和声时数据分析模块713对数据进行进一步的分析和处理，螺栓应力和声时数据更改模块714则可以对已记录的数据进行更正和修改。
36.本发明通过超声纵横波测量螺栓应力值模块对水轮机组关键结构紧固螺栓的应力进行检测，基于超声波在固体中传播速度快，接收的信号稳定性好，数据误差小，保证了很高的准确性。
37.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
38.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。