風電機組高強度螺栓扭矩擰緊工藝研究

何家瑩，陳中亞，應華冬，羅勇水

（浙江運達風電股份有限公司和浙江省風力發(fā)電技術重點實驗室，浙江 杭州310012）

0 前言

風力發(fā)電機組裝配過程中，較多核心部件的連接均采用大六角高強度螺栓，例如：塔筒螺栓連接、槳葉螺栓連接、變槳軸承與輪轂螺栓連接等等，這些關鍵位置螺栓連接后的預緊力值的大小和分散度直接決定著機組的載荷傳遞和運行安全[1，2]。假如螺栓預緊力過大而超出螺栓的屈服極限，螺栓會產(chǎn)生塑性變形，容易斷裂；假如螺栓預緊力未達到規(guī)定的大小，伴隨風電機組交變載荷的作用，螺栓容易產(chǎn)生松動，增大機組運行的危險性[3-6]。

國內(nèi)高強度螺栓連接普遍采用扭矩擰緊法，其原理是根據(jù)扭矩來間接控制螺栓預緊力[7]，但由于螺栓螺紋面和墊片接觸面之間摩擦系數(shù)的離散性，對螺栓實施相同的扭矩，預緊力的誤差可能會較大。各風電主機廠商采購高強度螺栓時會要求螺栓制造廠提供螺栓扭矩系數(shù)實驗室抽檢測試報告，由于實驗室與實際現(xiàn)場裝配環(huán)境和操作工藝等方面存在較大的差異，得到的實驗數(shù)據(jù)只能作為參考[5]。

為了檢測實際現(xiàn)場裝配中扭矩擰緊法控制螺栓預緊力的效果，本研究選用2.0 MW風電機組的變槳軸承與輪轂的連接位置進行測試，研究5種螺栓扭矩擰緊方法條件下的螺栓預緊效果，同時研究螺栓預緊次數(shù)和二硫化鉬涂抹方式對螺栓實際預緊力的影響。

1 實驗方法

1.1 實驗材料與工具

本次實驗的實驗材料主要有：（1）2臺待裝配的2.0MW輪轂及6個配套的變槳軸承；（2）450顆定制螺栓，選用同一批次號的“GB/T 5782-2000螺栓M36X335-10.9-dc71”，按圖1要求兩端車平，該批次螺栓連接副扭矩系數(shù)實驗出廠檢驗數(shù)據(jù)見表1；（3）450個普通墊片；（4）型號為LPS04110的二硫化鉬。

圖1 定制螺栓制備要求

表1 螺栓連接副扭矩系數(shù)出廠檢驗

本次實驗的實驗工具主要有：（1）超聲波測試儀，如圖2所示，儀器精度±2%；（2）有靠臂液壓扳手，儀器精度±3%；（3）手動扳手（配套筒 M36）。

圖2 超聲波測試儀Boltight Echometer

1.2 實驗工況與步驟

將450顆定制螺栓平均分為5組（每組90顆），分別標記組號為A、B、C、D、E，各組螺栓分別編號為A1～A90、B1～B90、C1～C90、D1～D90 、E1～E90。實驗中各組螺栓編號及安裝順序如圖3所示。用超聲波測試儀分別測量5組螺栓的初始長度，5組螺栓分別按照表2中二硫化鉬涂抹方式（全涂抹：螺栓螺紋面和墊片接觸面均涂抹二硫化鉬；半涂抹：僅在螺栓螺紋面涂抹二硫化鉬）和預緊力次數(shù)及力矩值進行預緊，預緊后立即用超聲波測試儀分別測量5組螺栓伸長量。

圖3 螺栓安裝位置及編號順序

表2 實驗分組

1.3 實驗數(shù)據(jù)處理

（1）目標預緊力

本次實驗的目標預緊力為螺栓材料屈服強度的70%，即：

其中：Qm為目標預緊力，kN；As為螺栓應力截面積，mm2；σs為螺栓材料屈服強度，MPa。

已知本實驗螺栓應力截面積As=816.7 mm2，螺栓材料屈服強度σs=940 MPa，計算可得目標預緊力Qm=538 kN。

（2）螺栓擰緊力矩

扭矩擰緊法擰緊螺栓時擰緊力矩計算公式如下：

其中：M為擰緊力矩，N·m；Q 為預緊力，kN；K為扭矩系數(shù)；d為螺栓公稱直徑，mm。

由式（1）計算得本實驗螺栓目標預緊力Qm=538 kN，該批次實驗螺栓平均扭矩系數(shù)理論值為K=0.13，本實驗螺栓公稱直徑d=36 mm，可計算得擰緊力矩為2 518 N·m，即為表2中的額定力矩。

（3）螺栓預緊力計算

螺栓伸長量ΔL與預緊力Q的關系如公式（3）所示：

其中：Q為預緊力，kN；L為螺栓夾持長度，mm；ΔL為螺栓變形伸長量，mm；E為彈性模量，MPa；As為螺栓應力截面積，mm2。

已知本實驗測試螺栓的夾持長度L=299 mm，彈性模量E=210 MPa，應力截面積As=816.7 mm2，根據(jù)實驗測得的螺栓伸長量ΔL可以計算出螺栓的預緊力Q。

2 實驗結果分析

2.1 預緊力分布和預緊效果評價

如圖4～圖8所示為5組實驗螺栓預緊力分布統(tǒng)計直方圖，經(jīng)檢驗5組螺栓預緊力分布均服從正態(tài)分布。5組螺栓預緊力與目標預緊力538 kN的最大正偏差、最大負偏差和平均偏差如表3所示。其中A組和B組螺栓預緊力與目標預緊力最大正偏差分別為21.4%和27.0%、最大負偏差分別為16.2%和13.0%、平均偏差分別為7.7%和8.6%，A組和B組螺栓預緊效果相近，預緊力介于螺栓屈服強度767 kN的60%～90%之間；C組螺栓預緊力均高于目標預緊力，最大正偏差56.9%，平均偏差26.0%，多顆螺栓預緊力超出螺栓屈服強度767 kN；D組和E組螺栓預緊力均低于目標預緊力，最大負偏差分別為74.7%和66.5%，平均偏差分別為54.7%、51.6%，D組和E組與目標預緊力相差較大，平均預緊力僅為目標預緊力的一半左右，介于屈服強度767 kN的50%～70%之間。

圖4 A組實驗螺栓預緊力分布統(tǒng)計直方圖

圖5 B組實驗螺栓預緊力分布統(tǒng)計直方圖

圖6 C組實驗螺栓預緊力分布統(tǒng)計直方圖

圖7 D組實驗螺栓預緊力分布統(tǒng)計直方圖

圖8 E組實驗螺栓預緊力分布統(tǒng)計直方圖

表3 5組螺栓預緊力與目標預緊力偏差

表4給出了各組螺栓預緊效果評價，其中A組和B組螺栓預緊效果較好，C組、D組和E組預緊效果較差。

表4 各組螺栓預緊效果評價表

2.2 預緊次數(shù)對螺栓預緊效果的影響

圖9和圖10給出了預緊次數(shù)對螺栓預緊力和扭矩系數(shù)的影響，結合表4中A組、B組、C組的平均預緊力和平均扭矩系數(shù)可知，在相同擰緊力矩時，隨著預緊次數(shù)的減少，螺栓的預緊力呈增大趨勢，螺栓的扭矩系數(shù)呈減小趨勢，由分3次預緊減為分2次預緊時，螺栓的預緊力增大和扭矩系數(shù)減小比例均較小，在5%以內(nèi)。而當由分2次預緊減為分1次預緊時，螺栓的預緊力增大和扭矩系數(shù)減小比例較大，達到20%左右。研究結果表明：相同擰緊力矩下，對變槳軸承與輪轂連接螺栓分3次和2次預緊，螺栓預緊力均貼近目標預緊力，預緊效果基本相同；而分1次預緊時螺栓預緊力偏離目標預緊力較多，且分散度較大，預緊效果較差。

圖9 預緊次數(shù)對螺栓預緊力的影響

圖10 預緊次數(shù)對螺栓扭矩系數(shù)的影響

2.3 二硫化鉬涂抹方式對螺栓預緊效果的影響

圖11 和圖12給出了二硫化鉬涂抹方式對螺栓預緊力和扭矩系數(shù)的影響，由圖可知，在相同擰緊力矩時，A組和B組螺栓螺紋面和墊片接觸面均涂二硫化鉬（全涂抹）時，螺栓預緊力更貼近目標預緊力，螺栓扭矩系數(shù)更貼近理論扭矩系數(shù)；而D組和E組僅在螺栓螺紋面涂二硫化鉬（半涂抹）時，螺栓預緊力僅為目標預緊力的一半左右，螺栓扭矩系數(shù)為理論扭矩系數(shù)的兩倍左右。研究結果表明：二硫化鉬涂抹方式對螺栓預緊力和扭矩系數(shù)影響較大，為了使螺栓預緊力更貼近目標值，在實際的裝配工藝中應采用全涂抹方式。

圖11 二硫化鉬涂抹方式對螺栓預緊力的影響

圖12 二硫化鉬涂抹方式對螺栓扭矩系數(shù)的影響

3 結束語

本研究采用了超聲波測螺栓預緊力的方法，比較研究了實際現(xiàn)場裝配中扭矩擰緊法控制螺栓預緊力的效果。主要得出以下結論：

（1）額定擰緊力矩、螺栓全涂抹條件下，對變槳軸承與輪轂連接螺栓分3次預緊和分2次預緊，螺栓所獲得的預緊力分布均貼近目標預緊力，預緊效果基本相同，螺栓裝配工藝中可以將分3次預緊調(diào)整為分2次預緊，節(jié)省裝配時間。

（2）二硫化鉬涂抹方式對螺栓預緊力和扭矩系數(shù)影響較大，螺栓全涂抹時螺栓的預緊效果要明顯好于螺栓半涂抹，為了使螺栓預緊力更貼近目標值，在實際的裝配工藝中應采用全涂抹方式。