- 监测系统捕捉到塔基锚栓的异常动载荷
- 稳定的基础结构背后藏着不为人知的风险
在风电机组的庞大结构中，基础锚栓常被视为最稳定的部分。按传统设计理念，它们应在“静态工作”，几乎不受动载影响。
然而近期的监测数据却揭示了一个惊人事实：基础锚栓在变工况下存在周期性动载荷波动。这一发现为“锚栓为何仍可能发生疲劳断裂”提供了关键解释。
现场监测：塔筒锚栓有严重的冲击现象
某风电场双馈风机安装了MS9000智能锚栓监测系统。塔筒高度100m，基础直径4460mm。
图 1 智能锚栓布局图
图 2 智能锚栓剖面图
图 3 智能锚栓和信号线
图 4 智能锚栓轴力监测（现场和远程）
2025年8月2日的监测数据显示，69#锚栓在上午出现明显轴力跳变，其他智能锚栓也有同样的现象。
图 5 黄色线是69#智能锚栓轴力趋势（平稳趋势中有阶跃冲击）
冲击从何而来？桨叶调整与锚栓轴力高度相关
取SCADA上的桨叶数据和风速与锚栓轴力数据交叉比对，技术人员发现锚栓轴力冲击与机组变桨动作在时间上高度吻合。
图 6 开桨或收桨与锚栓轴力阶跃跳变高度相关
冲击导致塔筒自激振动
对阶跃的数据进行放大，锚栓秒级轴力数据呈现正弦波动规律，峰谷差超过25kN，其波动的频率与塔筒弯矩一阶固有频率相关，约为0.28Hz。表明锚栓轴力波动与塔筒自振相关。
这个现象立即引起了技术团队的警觉——长期被认为静态受力的锚栓，实际上正在经历周期性动载荷的冲击。
图 7 锚栓承受塔筒自振频率的动载荷
锚栓动载荷的主要原因分析
a. 急速变桨导致瞬态冲击是主要诱因
当风速突变，控制系统为了稳定功率，会快速调整桨叶角度。若变桨速率过快，塔筒将承受巨大的冲击弯矩。这个载荷会像波浪一样沿塔筒向下传递，最终在塔基处转化为对锚栓的冲击。
b. 塔筒受到阶跃冲击和自激振动导致锚栓轴力波动
塔筒的弯矩最终由锚栓承受。弯矩与开桨和收桨速率正相关，桨叶调整越快，塔筒弯矩越大，对锚栓冲击越大；轴力幅值也越大。
锚栓轴力幅值也与桨叶调整间隔相关，若调整间隔较短，两次冲击就会叠加，锚栓幅值就会逐渐增大；
若桨叶调整间隔时间长，塔筒呈现自由振动，能量会逐渐衰减，锚栓轴力波动会逐渐趋于平稳。
锚栓动载荷会导致疲劳失效
锚栓动载荷超过疲劳强度，每个应力循环都在金属晶格层面造成不可逆的损伤。
阶段一：裂纹萌生经过数万次应力循环后，微观缺陷逐渐汇聚形成可见裂纹。
阶段二：稳定扩展一旦裂纹长度超过临界尺寸（通常0.1-0.5mm），便进入稳定扩展阶段。形成典型的贝壳状疲劳纹。
阶段三：失稳断裂当裂纹扩展到无法承受工作应力时，发生瞬间脆性断裂。断口呈现明显的疲劳源区、扩展区和瞬断区特征。
锚栓动载荷提醒我们要主动优化变桨策略
优化控制策略，从源头“减震”
在风机控制逻辑中，增加变桨与功率调节的平滑过渡算法，限制最大变化率，从源头上削减动态载荷的幅值。
强化状态监测，实现“预见性”运维
对关键锚栓实施周期性轴力检测，或部署在线智能监测系统。通过实时追踪轴力波动趋势，及早识别异常动载响应，将风险扼杀在摇篮里。
升级设计理念，预留“疲劳裕度”
在新机型的设计阶段，就必须将变工况下的动载荷影响纳入塔基疲劳寿命的核心计算中，合理提高安全系数和疲劳强度裕度。
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