掃描儀為大空間風力發(fā)電塔運營維護監(jiān)測

項目概述

風電場需要定期對風機進行日常的巡視、檢修和維護，因為地域偏遠，設備分散，對于出現(xiàn)的各種故障難以做到快速，高效地排風能作為一種資源極其豐富的清潔可再生能源，得到越來越多國家的關注排查解決。盡管風力發(fā)電前景廣闊，但其高昂的維護與檢修費用卻導致了總體運行成本的居高不下。

風力發(fā)電的檢修主要在兩方面，風力發(fā)電機和風電塔。風電塔塔筒屬于典型的薄壁結(jié)構， 在風機運行產(chǎn)生的長期疲勞荷載或者極端環(huán)境荷載下，塔筒表面微小凹坑也可能導致塔筒的局部屈曲；另外，作為一類頭重腳輕的高聳結(jié)構，長期往復的循環(huán)荷載患有可能造成地基變松， 塔身傾斜，進而對風電機運行造成一定的損害。

因此，塔筒的外形檢測對風電塔安全有重要意義。在少數(shù)涉及風電塔外形檢測的相關工作中，傳統(tǒng)方法主要采用全站儀進行測量，通常費事費力，獲取的數(shù)據(jù)比較單一，無法精細化地對風電塔外形結(jié)構進行全面分析管理。

由于風電塔結(jié)構簡單直觀，應用三維激光掃描技術可較好地實現(xiàn)外形描繪、幾何形狀變化、垂直度檢測等風電塔檢測項目。通過采用三維激光掃描技術對風電塔的外形進行掃描，并把測量數(shù)據(jù)應用于風電塔建模，從而驗證結(jié)構的幾何變形，并對其垂直度進行檢測評估。

1. 三維激光掃描儀工作原理：掃描儀內(nèi)置的激光發(fā)射器發(fā)射出激光，通過中心鏡面的反射， 使激光投射在物體表面，再由該處反射回掃描儀接收模塊，從而獲得從掃描儀中心到物體表面該點處的數(shù)據(jù)并對該點進行定位。中心鏡面通過旋轉(zhuǎn)將激光豎直向方向 360°均勻射出；與此同時機座中心馬達使機器主體水平方向 360°旋轉(zhuǎn)。通過這樣的過程，獲得以掃描儀為中心全景大空間的三維坐標數(shù)據(jù)。三維激光掃描測繪技術因其快速、靈活的作業(yè)模式，精確飽滿地獲取全方位的三維空間位置、色彩、影像信息，實現(xiàn)測量對象的真實全方位、全細節(jié)的完整記錄，數(shù)據(jù)可進行深加工形成各種實用精細的成果，較其它測量方式具有絕對的優(yōu)越性。

2. 作業(yè)流程：

外業(yè)數(shù)據(jù)采集：首先進行現(xiàn)場勘查，由于掃描環(huán)境較為空曠，特征點較少，故需根據(jù)環(huán)境布置標靶球。布置完標靶球根據(jù)實際情況設置分辨率、質(zhì)量、是否需要色彩、掃描時間等數(shù)據(jù)，設置完成后即可點擊開始掃描。

1) 數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理主要為各站的點云拼接，可在 FARO 自帶軟件里進行全自動拼接。

2) 數(shù)據(jù)分析：通過軟件提取不同高度的點云數(shù)據(jù)生成斷面，通過比對不同站生成的斷面可得到不同高度不同時間發(fā)電機的偏移量。進行塔筒中心軸線擬合，通過點云擬合的中心軸線與設計模型（或上一期掃描數(shù)據(jù)）的中心軸線對比，可以得到偏差值，通過中心軸線的變化，來判斷塔筒變化趨勢或者規(guī)律，或進行其它計算與分析。

表 1：葉片靜止發(fā)電塔不同時刻偏移量

表 2：葉片轉(zhuǎn)動不同時刻發(fā)電塔偏差量 

將發(fā)電塔點云切片導入CAD，根據(jù)切片擬合出切片圓心，連出中軸線。

上圖：切片導入

上圖：軸線擬合

此次掃描一共掃描 7 站，分別為 11、12、13、14、15、16、17 期數(shù)據(jù)，其中 11、12、13、14 為葉片轉(zhuǎn)動時數(shù)據(jù)，15、16、17 為葉片靜止時數(shù)據(jù)，進行分組，11 期、14 期為一組，12 期、13 期為一組，15 期、16 期為一組，16 期、17 期為一組，將每組數(shù)據(jù)軸線進行對比。

上圖：11 期、14 期軸線對比 a

上圖：11 期、14 期軸線對比 b

上圖：12、13 期軸線對比 a

上圖：12、13 期軸線對比 b

上圖：15、16 期軸線對比 a

上圖：15、16 期軸線對比 b

上圖：16、17 期軸線對比a

上圖：16、17 期軸線對比b

表 3：角度偏差

為提高結(jié)果準確度，角度的計算采用公式推導得到，在角度足夠小，邊長較長的情況下，求出弧度值后，在根據(jù)轉(zhuǎn)換關系，將弧度值換算為角度值，即得到表中數(shù)據(jù)。表格中，前兩組數(shù)據(jù)為葉片轉(zhuǎn)動時，不同時刻的角度偏差，后兩組為葉片停止轉(zhuǎn)動時的角度偏差， 可以看出，整體上來說，角度偏移極小，后兩組數(shù)據(jù)明顯小于前兩組數(shù)據(jù)。