液壓拉伸法技術在風電機組螺栓擰緊過程中 的應用分析

朱希華

摘 ?要

連接螺栓作為風電機組的主要連接方式之一，大型風電機組對連接螺栓擰緊一般都有預緊力要求，同時嚴格要求緊固精度和使用。目前，在風電機組中使用 的連接螺栓擰緊方法一般是力矩擰緊法和液壓拉伸法。有效的連接螺栓擰緊是保證風電機組功能正常運行及安全的重要保障。試驗數(shù)據表明，液壓拉伸法對連接螺栓擰緊的預緊力控制更為精確。

本文介紹了液壓拉伸法的原理，以及液壓拉伸法技術具有準確控制預緊力、緊固件無扭矩系數(shù)要求和液壓拉伸法技術固有的“回彈”現(xiàn)象等特點。通過風電機組的實驗，來檢驗分析液壓拉伸法技術的工作原理及其主要特點，加深理解對液壓拉伸 法技術在風電機組連接螺栓擰緊過程中的實際運用。實驗分析表明，液壓拉伸法技術具有“回彈”現(xiàn)象客觀存在性、長螺栓對“回彈”不敏感性、多次擰緊可減少“回彈”效應性、某些工作情況不宜使用液壓拉伸法技術等特點。因此，采用液壓拉伸法技術擰緊連接螺栓，不僅可 以保證獲得足夠的設計預緊力，同時使連接螺栓的預緊更安全、更可靠。在未來大型風電機組組裝過 程中，液壓拉伸法技術在擰緊連接螺栓的應用值得推廣。

關鍵詞：液壓拉伸法，風電機組，螺栓擰緊，應用分析

緒 論

1、研究背景

風能作為清潔的可再生資源，近年來受到全世界的高度重視和關注，使風電能源行業(yè)得到快速發(fā)展，風電機組單機功率也逐步往大型化方向發(fā)展，塔筒高度 、葉片尺寸也越來越大，對螺栓連接的擰緊力要求也越來越高。風電機組的零部件設備主要靠螺栓連接，廣泛應用在機架、輪轂、塔筒、等關鍵部位，因此，連接螺栓對整個風電機組安全可靠運行至關重要。據統(tǒng)計，風電機組三個最重要的載重部位 螺栓連接數(shù)量如下：（1）葉輪與輪轂機艙連接高強螺栓約280套;（2）法蘭塔筒連接高強螺栓約300套左右;（3）塔筒基礎部分連接用的高強地腳螺栓，每臺風電機組大約200套。

目前，廣泛使用的螺栓連接預緊工藝主要是力矩擰緊法和液壓拉伸法。力矩擰緊法由于對工藝要求高，控制起來難度比較大，因此取得的擰緊力分散系數(shù)較大，液壓拉伸法主要通過專用工具（液壓拉伸器）直接將連接螺栓拉長產生擰緊力，在擰緊的過程中不需要考慮扭轉、摩擦等方面的影響，只需考慮軸向力，因此預緊工藝易控制，從而獲得的擰緊力分散系數(shù)較小1-2。有關數(shù)據也表明，用力矩擰緊法技術獲得的擰緊力分散系數(shù)是1.7-2.5，而采用液壓拉伸法技術取得的預緊力分散系數(shù)為 1.0。3 因此，液壓拉伸法技術在螺栓擰緊對預緊力控制更為有效。而在目前的風電機組零部件、整機裝配過程中，一般直徑小的螺栓連接主要靠扳手擰緊螺母來實現(xiàn)螺栓的預緊，直徑稍大的螺栓連接則靠榔頭敲擊扳手或采用液壓扳手，重要部位也有采用螺栓加熱的方法來實現(xiàn)螺栓的預緊。但這些方法對設備、螺栓都有一定程度上的損傷 ，同時也會造成設備接觸面預緊力的不均勻。因此，風機機組在組裝過程中如何減少擰緊力的分散系數(shù)、減少設備 的損耗、提高工作效率一直是我們需要攻克的課題。

2、研究目的

本文將通過風電機組安裝過程中的工況試驗，來檢驗液壓拉伸法技術的理論及其主要特點，加深理解液壓拉伸法技術在風電機組螺栓擰緊中的應用情況。同時也為液壓拉伸法技術在項目現(xiàn)場如何擰緊大規(guī)格連接螺栓，如塔筒與基礎錨栓的連接、塔筒與塔筒的連接、葉輪、偏航軸承等組裝過程中的提供理論基礎。

3、研究意義

本文研究的意義在于：

（1）理論與實際相結合，通過實際試驗檢驗，對液壓拉伸法技術在風電機組連接螺栓擰緊的實際應用進行了檢驗。

（2）推進風電安裝技術的創(chuàng)新，促進技術廣泛實際應用。

一、液壓拉伸法技術

1、工作原理

通過專用工具（液壓拉伸器）完成連接螺栓的預緊工作的液壓拉伸法技術，主要利用液壓拉伸器的高壓油泵產生的壓力，經過液壓傳送管直接作用到拉伸器活塞的表面上，利用拉伸器上的拉伸頭與被拉伸連接螺栓相互作用而使連接螺栓拉伸，直到壓力到達設定值后，用扳手擰緊螺母，使螺母與被緊固件表面正確貼合，釋放壓力緊固螺母。4

2、技術特征

（1）工藝可靠

液壓拉伸法主要通過專用工具（液壓拉伸器）直接將連接螺栓拉長產生擰緊力，在擰緊的過程中不需要考慮扭轉、摩擦等方面的影響，只需考慮軸向力，因此預緊工藝易控制、更可靠，所以該技術可以應用于任何尺寸的連接螺栓，也可以同時給一組連接螺栓施加載荷，均勻壓緊墊片和法蘭，不會出現(xiàn)翹曲、傾斜等現(xiàn)象而影響預緊力的精確控制。

（2）緊固件無扭矩系數(shù)要求

采用液壓拉伸法技術進行的螺栓連接，連接螺栓的軸向力是直接通過拉伸器獲得，從而使連接螺栓變長，通過擰緊螺母使螺母與被 連接件、墊圈咬合，松開拉伸器完成緊固工作。在此過程中，螺栓軸向力的精度是由液壓拉伸器來保證，而與緊固件的扭矩系數(shù)沒有任何關系。因此，對于使用液壓拉伸法安裝的螺栓，對 螺栓連接無扭矩系數(shù)要求。6

（3）“回彈”現(xiàn)象

液壓拉伸法技術是利用液壓拉伸器來完成連接螺栓的預緊工作，拉伸器撤去壓力后，連接螺栓會因突然施加的載荷而變形，從而使連接螺栓剩余預緊力要小于施加目標的預緊力，該現(xiàn)象稱之為“回彈”，也是采用液壓拉伸法技術必然出現(xiàn)的現(xiàn)象。7因此可以理解，受該“回彈”現(xiàn)象的影響，液壓拉伸法技術不適合應用于有效作用長度較小的工況。

二、工況試驗分析

顯然連接螺栓預緊力對于工況的安全、穩(wěn)定至關重要，過大或過小的預緊力都會對工況產生嚴重影響，過大，容易出現(xiàn)超擰;過小，無法 保證強度。以下將通過實際工作中的試驗來檢驗液壓拉伸法技術的原理及 主要特點。

1、試驗說明

2、試驗數(shù)據

試驗一，液壓拉伸器對機架與軸承座的連接螺栓施加載荷，測得對應的剩余預緊力，如表 2-1 所示。

為進一步清楚之間的關系，將工況試驗一數(shù)據轉化為圖形。X軸為液壓泵壓力值;Y軸包括施加載荷、剩余載荷、目標預緊力、屈服極限等載荷值，如下圖2-1所示：

試驗二，液壓拉伸器對前后機架的連接螺栓施加載荷，測到的對應剩余預緊力，如表 2-2 所示。

同樣為進一步清楚之間的關系，將工況試驗二數(shù)據轉化為圖形。X軸為液壓泵壓力值;Y軸包括施加載荷、剩余載荷、目標預緊力、屈服極限等載荷值，，如下圖2-2所示：

3、試驗分析

根據液壓拉伸法技術的工作原理，通過2個工況試驗結果數(shù)據進行分析，可知得出液壓拉伸法技術以下幾個特點：

（1）“回彈”現(xiàn)象客觀存在性

如圖2-1和圖2-2中的剩余載荷折線在目標載荷折線的下方。說明拉伸器撤去壓力后，連接螺栓會因突然施加的載荷而變形，使螺栓剩余預緊力小于施加目標的預緊力。因此，“回彈”現(xiàn)象是客觀存在的。

（2） 長螺栓對“回彈”現(xiàn)象具有不敏感性

試驗一中，試驗的連接螺栓長度為 390mm，施加781KN載荷時，剩余預緊力值為515KN，為屈服極限值的57.3%;試驗二中，試驗的連接螺栓的長度約為180mm，施加398KN載荷時，剩余預緊力值為230KN，為屈服極限值的44.7%。由此可知，連接螺栓的長短對“回彈”現(xiàn)象具有敏感性，螺栓長度越長，“回彈”越不明顯。

（3）技術應用不適宜性

在實際工作中，液壓拉伸器施加的載荷要高于目標預緊力，是為了解決“回彈”現(xiàn)象。如圖 2 所示，由于試驗二中的連接螺栓比較短，“回彈”現(xiàn)象比較明顯，施加的載荷力不小于屈服極限時，剩余預緊力將達不到目標預緊力的要求，可能會出現(xiàn)“超拉”致連接螺栓失效。因此，連接螺栓較短的預緊不宜采用液壓拉伸法技術。

（4）多次擰緊可減少“回彈”效應

通過2個工況試驗數(shù)據可知，多次擰緊連接螺栓，會降低“回彈”現(xiàn)象，提高剩余拉伸力。所以，在編寫工藝時，為減少“回彈”現(xiàn)象導致的預緊力損失，可采用多次施加載荷或者重復施加載荷的方法。

（5）降低對防腐涂層的破壞

風電機組在組裝過程中，有部分裸露在大氣中的螺栓一般都需要進行防腐涂層處理，只要使用扭矩扳手擰緊連接螺栓時，連接螺栓表面涂層就容易遭到破壞，防腐效果大大降低。但如果擰緊連接螺栓采用液壓拉伸法技術，連接螺栓得到的扭矩很小，所以一般不會造成連接螺栓防腐涂層的破壞。

三、結論

有效的連接螺栓擰緊是保證風電機組功能正常運行及安全的重要保障。采用液壓拉伸法技術擰緊連接螺栓，不僅可以保證足夠的預緊力，使連接螺栓的預緊更可靠、更安全，而且擰緊過程具有可操作性、可控性等優(yōu)點，在未來大型風電機組組裝過 程中，液壓拉伸法技術能得到廣泛應用。

參考文獻

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