Testing of strain-based sensorized bolts for loosening detection and condition monitoring

The installation of sensorized bolts in the main shaft bolt connection of wind turbines is an innovative approach that allows manufacturers and operators to gain insights into the operating conditions of the drivetrain. This article focuses on the use of sensorized bolts in the flange connections of wind turbines, particularly in the drivetrain. Fraunhofer IWES investigated the suitability of such sensors for determining the loads on the drivetrain and for monitoring the condition of the preload in the bolts of flange connections. In this context, to investigate the behavior of sensorized bolts equipped with strain gauges, a series of tests were carried out on a downscaled drivetrain test bench. Within the flange connection between the hub and the main shaft, four sensorized bolts and four non-sensorized bolts are used, alternating their positions in the flange. The use of these bolts for monitoring the preload in the flange connections is assessed and the results of tests with individual load conditions are evaluated. For this purpose, various load cases with combinations of bending moments and shear forces were applied. The load cases are reflected as cyclical changes in the bolts load due to the rotation of the drivetrain. These changes are captured by the sensorized bolts and the measurement results are presented in this paper.

Der Einbau von Sensorschrauben in die Flanschverbindungen von Hauptwellen von Windenergieanlagen ist ein innovativer Ansatz, der es Herstellern und Betreibern ermöglicht, Einblicke in die Betriebsbedingungen des Triebstrangs zu gewinnen. Dieser Artikel befasst sich mit diesem Einsatz von Sensorschrauben. Das Fraunhofer IWES untersuchte die Eignung solcher Sensoren zur Ermittlung der Belastungen am Triebstrang und zur Überwachung der Vorspannung in den Schrauben. Um das Verhalten der mit Dehnungsmessstreifen ausgestatteten Schrauben zu untersuchen, wurden Versuchsreihen auf einem skalierten Antriebsstrangprüfstand durchgeführt. Innerhalb der Flanschverbindung zwischen Nabe und Hauptwelle werden vier Sensorschrauben und vier Standard-Schrauben verwendet, die abwechselnd im Flansch positioniert sind. Der Einsatz dieser Bolzen zur Überwachung der Vorspannung und zur Bestimmung der eingeleiteten Biegemomente in den Flanschverbindungen wird beurteilt und die Ergebnisse von Versuchen mit verschiedenen Lastfällen ausgewertet. Dazu wurden verschiedene Kombinationen von Biegemomenten und Querkräften aufgebracht. Die Lastfälle spiegeln sich aufgrund der Rotation des Antriebsstrangs als zyklische Änderungen der Schraubenbelastung wider. Diese Änderungen werden von den Sensorschrauben erfasst. Die Messergebnisse werden in dieser Arbeit vorgestellt.