Kan et hammerslag afsløre, om en vindmølle er i fare for at styrte i havet?
En vindmølle bliver holdt sammen af tusindvis af bolte. Kan man lytte sig til, om de er stramme nok?
Bolte-vindmøller-spændingsværktøjer

Marie Brøns har med sin forskning forsøgt at finde en smartere måde at tjekke, om boltene holder ordentligt sammen på vindmøllerne. (Foto: Shutterstock)

Marie Brøns har med sin forskning forsøgt at finde en smartere måde at tjekke, om boltene holder ordentligt sammen på vindmøllerne. (Foto: Shutterstock)

Vindmøller holdes sammen af tusindvis af bolte, og det er vigtigt, de er strammet korrekt. De må hverken være for løse eller for stramme.

Begge dele kan lede til driftsvigt og i værste fald kollaps, som det for eksempel skete i 2015 i Lemnhult vindmøllepark i Sverige.

Her væltede en 129 meter høj landvindmølle efter kun tre års drift, fordi boltene ikke var stramme nok.

Løse bolte kan ikke holde vindmøllekomponenter ordentligt sammen, og for stramme bolte er i fare for at knække. Begge dele skal undgås.

Vindmølleindustrien bruger derfor mange kræfter og ressourcer på at sikre korrekt boltspænding, så vindmøller ikke styrter i havet.

Ét af problemerne er, at boltspændingsværktøjer er tunge, besværlige at bruge og ikke mindst upræcise. Oftest er det kun et fåtal af bolte, som løsner sig, men fordi man ikke kan risikere ulykker, efterspænder man mange flere end nødvendigt.  

Hvad hvis man i stedet kunne bestemme boltspænding ved at give bolten et lille slag med en hammer? Så kunne man nøjes med at efterspænde de bolte, der faktisk har brug for det. Det er netop det, jeg forsøger at opnå med min forskning.

Men hvorfor skulle et hammerslag kunne bruges til noget? En løs og en stram bolt lyder simpelthen forskelligt, når man slår på dem. Og det har jeg udnyttet kvantitativt.

Fakta
Om Forskerzonen

Denne artikel er en del af Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler deres forskning, viden og holdninger til et bredt publikum – med hjælp fra redaktionen.

Forskerzonen bliver udgivet takket være støtte fra Lundbeckfonden. Forskerzonens redaktion prioriterer indholdet og styrer de redaktionelle processer, uafhængigt af Lundbeckfonden. Læs mere om Forskerzonens mål, visioner og retningslinjer her.  

Hver bolt har sine egne toner

Når man slår direkte på en bolt, vil den vibrere, og det vil den gøre med sine egenfrekvenser. Egenfrekvenser er de toner, en bolt helst vil svinge ved. De afhænger af, hvor spændt bolten er, særligt de tværgående egenfrekvenser, hvor bolten svinger op og ned.

Det svarer lidt til at slå en tone an på en guitarstreng. Alt efter hvor stram strengen er, vil tonen være forskellig.

En bolts egenfrekvenser stiger, når bolten spændes, idet kontaktfladen mellem bolthovedet og den omkringliggende struktur gøres stivere, og fordi der trækkes i stålet (se her og her).

Jeg har fundet ud af, at svingningerne i en stram bolt vil vare i længere tid (de er mindre dæmpede), fordi kontaktfladen er fastspændt, så der er mindre friktion.

En løs bolt har en kort, flad lyd

Hvordan hænger det sammen med lyden, man hører? Kling eller klonk kan det eksempelvis lyde, når man slår med en hammer.

Lyden er faktisk summen af en hel masse forskellige svingninger, med forskellige egenfrekvenser, der er dæmpet forskelligt.

Generelt vil en løs bolt give en kort, flad lyd, fordi de fleste egenfrekvenser er meget dæmpede, hvorimod en stram bolt vil give en mere længerevarende ringende lyd, fordi dæmpningen er lavere.

Lyden alene kan derfor indikere, at en bolt er meget løs, men den kan ikke afsløre, præcis hvor stram en bolt er.

Det har vi brug for tonerne (egenfrekvenserne) til. De stiger nemlig systematisk, når bolten spændes og er oplagte at bruge som mål for boltspænding.

Bolt-egenfrekvenser

Når man slår på en bolt, kan man måle dens toner (egenfrekvenser), som viser, hvor hårdt bolten er strammet. (Figur: Marie Brøns)

Egenfrekvenserne rummer nøglen

Vi er dog stadig ikke i mål. Problemet er, at boltens egenfrekvenser er afhængige af boltens dimensioner og materialeegenskaber.

Vi har derfor brug for referenceværdier for samtlige typer af bolte (vi taler tusindevis) for at estimere boltspænding.

Det er upraktisk.

Jeg har derfor fået den idé at slå to gange på bolten. Ved det andet slag tilføjer jeg en lille ekstra vægt for enden af bolten. På den måde kan man måle en ændring i egenfrekvensen.

Det gør referenceværdier unødvendige.

Man kan forestille sig det sådan: En stram bolt sidder godt fast, og det er kun boltens skaft, imellem bolthoved og møtrik, der svinger.

Tilføjes der en ekstra lille møtrik for enden af bolten, ændrer det ikke noget. Ved en løs bolt, derimod, svinger møtrik og bolthoved med.

Tilføjes der yderligere vægt for enden af bolten, vil den også svinge med. Det sænker egenfrekvensen, og nu kan vi måle en ændring.

Fra laboratorie ud i virkeligheden?

Jeg har tilpasset en matematisk model, så den kan forudsige en bolts egenfrekvenser. Modellen styres af flere parametre, blandt andet boltspænding.

Disse parametre er desværre ukendte, så det er her, mine målinger kommer i spil. Jeg regner ’baglæns’ og tilpasser parametrene, indtil modellen forudsiger de samme egenfrekvenser, som jeg har målt.

Når model og målinger stemmer overens, vil modellens bud på boltspændingen være meget nøjagtigt.

På nuværende tidspunkt er teknologien ikke i brug i industrien.

Indtil videre har jeg testet den i et laboratorium under kontrollerede forhold.

Før at det kan anvendes i virkeligheden, skal måleteknik og den matematiske algoritme testes på rigtige vindmøller og tilpasses virkelighedens mange udfordringer, såsom hvordan man skalerer konceptet op til store bolte eller håndterer påvirkning fra vindmøllestøj i målingerne.

Ikke desto mindre er der nu baggrund for at bruge en bolts toner i samspil med matematisk modellering til at estimere boltspænding med høj præcision.

Vibrationer er derfor meget mere end noget, som blot skal undgås – de kan potentielt bruges aktivt til at afsløre farlige situationer i vindmøller.

Mit ph.d.-projekt er støttet af Danmarks Frie Forskningsfond (DFF-6111-00385), og jeg har udført arbejdet på DTU Mekanik under hovedvejledning af lektor, dr. techn., Jon Juel Thomsen.

Alle må bruge og viderebringe Forskerzonens artikler

På Forskerzonen skriver forskere selv om deres forskning. Vi mener, det er vigtigt, at alle får mulighed for at læse om forskning fra forskerens egen hånd.

Alle må derfor bruge, kopiere og viderebringe Forskerzonens artikler udfra følgende enkle krav:

  • Det skal krediteres: 'Artiklen er oprindelig bragt på Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler'. Hvis artiklen bringes på web, skal der linkes til artiklen på Forskerzonen.
  • Artiklen må ikke redigeres og skal bringes i fuld længde (medmindre andet aftales med forskeren).
  • Du skal give forskeren besked om, at du genpublicerer.
  • Artikler, som er oversat fra The Conversation, skal have indsat en HTML-kode til indsamling af statistik i bunden. HTML-koden finder du i den originale artikel på The Conversations hjemmeside ved at klikke på knappen "Republish this article" ude til højre, derefter klikke på 'Advanced' og kopiere koden. Du finder linket til artiklen på The Conversation i bunden af Forskerzonens oversatte artikel. 

Det er ikke et krav, men vi sætter pris på, at du giver os besked, hvis du publicerer vores indhold (undtaget indhold fra The Conversation). Skriv til redaktør Anders Høeg Lammers på ahl@videnskab.dk.

Læs mere om Forskerzonen i Forskerzonens redaktionelle retningslinjer.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs mere om Hubbles utrolige billeder her.