用于風電機組的新型螺栓連接形式探究*

關雪松，萬保庫，張芹

（華銳風電科技（集團）股份有限公司，北京 100872）

用于風電機組的新型螺栓連接形式探究*

關雪松，萬保庫，張芹

（華銳風電科技（集團）股份有限公司，北京 100872）

為了提高風電機組中螺栓連接的可靠性，提高螺栓連接的承載能力，并減小相應零部件的連接尺寸，本文提出了兩種新型的風電機組螺栓連接形式：一種是采用摩擦片增加接觸面摩擦系數；一種是采用銷套螺栓的形式提高螺栓連接的抗剪切能力。這兩種方法都可以有效地提高螺栓連接的承載能力，為風電機組提供安全可靠的連接方式。

風電機組；螺栓連接；摩擦片；銷套

0 引言

隨著風力發電技術的不斷發展，風電機組的容量不斷增大，其所承受的風載荷以及各零部件的結構尺寸和重量也隨之不斷增大[1-2]。螺栓連接是風電機組中不同零部件之間最主要的連接方式，螺栓連接的安全性會直接影響到整個風電機組運行的安全性和可靠性。本文提出了兩種新的風電機組螺栓連接形式：一種是采用摩擦片增加接觸面摩擦系數；一種是采用銷套螺栓的形式提高連接的抗剪切能力。采用這兩種方法可以有效提高螺栓連接的承載能力，控制連接部位尺寸，降低成本。

1 采用摩擦片的螺栓連接形式

風電機組中所用到的高強螺栓基本都是摩擦型高強螺栓，即螺栓靠預緊力在零部件之間的接觸面處產生的摩擦力來抵抗橫向載荷。根據VDI2230[3]，螺栓所需要的最小夾緊力為：

其中：FKQ為所需要的最小夾緊力，FQmax為最大的橫向載荷，MYmax為最大的扭矩，qF為傳遞橫向載荷的接觸面個數，qM為傳遞扭矩的接觸面個數，ra為摩擦半徑，μTmin為摩擦系數。兩個機加工后的零部件接觸面之間的摩擦系數一般為0.1－0.3之間，由上面的公式可知，抵抗剪切力時，螺栓需要使用數倍于剪切力的軸向拉力（夾緊力）才能滿足連接要求。如果螺栓需要承受很大的切向力，那么螺栓需要的預緊力可能會超過螺栓的許用值，為了滿足連接要求就需要增加螺栓個數或增大螺栓規格，這時零部件連接處的尺寸可能不能滿足螺栓連接的尺寸要求，這時就需要修改零件連接處的尺寸甚至是修改整個結構。根據公式（1），我們可以通過改變連接零部件接觸面之間的摩擦系數來減少所需最小夾緊力FKQ，從而減小螺栓預緊力。通過傳統的處理方法噴砂涂漆可以提高表面的摩擦系數，但是噴砂涂漆除了需要特定的操作空間和工具外還需要滿足特定的溫度、濕度等環境條件，特別是對于大尺寸結構件，如主機架、輪轂等，操作上存在一定的難度，而且摩擦系數提高程度有限。

摩擦片主要通過鎳涂層上突出的特定大小和分布的金剛石顆粒來增加接觸面之間的靜摩擦系數的，如圖1所示。薄鋼箔上的鎳涂層直接與零件的配合面接觸，在一定壓力的作用下，金剛石顆粒嵌入到接觸面中，形成微型互鎖，提高接觸面摩擦系數，通過這種方法可使摩擦系數提高到0.5，甚至更高。

在實際的螺栓計算時，通常將機組承受的扭矩也轉化成每顆螺栓上的剪切力和FQmax一起來計算螺栓所需要的最小夾緊力FKQ。一般情況下，對于風電機組結構件之間的螺栓連接計算，接觸面之間的摩擦系數一般設為0.2。現以某兆瓦級風電機組中輪轂與主軸的螺栓連接為例說明摩擦片的作用。表1為Mx最大工況的載荷。

初步設計連接使用兩圈螺栓，內外圈均為48顆M36的螺栓，將力分配到每一顆螺栓上，螺栓的軸向力Fa=14.61kN，螺栓的切向力Fr=70.93kN，根據VDI2230計算[3]，使用扭矩扳手安裝時每顆螺栓至少需要590kN的預緊力，而10.9級M36螺栓的最高許用預緊力為650kN。若使用摩擦片，摩擦系數可提高到0.5，此時根據計算，僅使用外圈的48顆M36螺栓時，螺栓的軸向力Fa=25.76kN，螺栓的切向力Fr=125.71kN，但螺栓僅需要456kN的預緊力即可滿足要求。

表1 Mx工況載荷

通過上面的例子可以看出，使用摩擦片可以有效提高螺栓組的承載能力，減小零件的尺寸和重量，使整個結構更緊湊，降低整個機組的成本。摩擦片可通過沖壓或激光切割等方式加工成與連接處一樣的形狀，不需要改變零件結構，而且摩擦片使用壽命長，不需要維護，拆卸后可重復使用。

2 采用銷套螺栓的連接形式

圖1 摩擦墊片結構

除了前面提到的利用摩擦片來增加摩擦系數的方法來提高螺栓連接的承載能力外，還可以通過在螺栓連接中加入銷，通過銷來承受剪切力，使螺栓僅承受軸向拉力來提高整個連接的載荷承載能力。但是一般情況下，在使用銷來承受橫向載荷時，如果螺栓是沿圓周方向布置的，那么通常銷和螺栓是間隔布置的。但 這種方式需要的空間比較大，兩個待連接零部件之間一般沒有足夠的連接空間同時布置螺栓和銷。為解決這一問題，本文提出了一種銷套螺栓的新型螺栓連接形式，如圖2和圖3所示。圖2為使用螺栓內螺紋來連接兩個待連接零部件，圖3為使用螺栓螺母來連接兩個待連接零部件。零件3和零件4為待連接零件，在零件3上打一個通孔，在零件4上打一段光孔和一段螺紋孔。將銷1壓入零件3和零件4，銷與零件3和4之間采用過盈配合，這樣可以承受橫向載荷。沿銷的軸線放置螺栓2，螺栓與銷之間采用間隙配合，銷和螺栓之間沒有力和力矩的傳遞，螺栓通過銷后與零件4上的螺紋孔擰緊，這樣螺栓就可以承受軸向載荷。銷的承載能力取決于銷的橫截面積，因此，螺栓與銷孔之間采用螺栓與孔的精裝配關系，最大限度增大銷的橫截面積，提高銷的承載能力，例如連接使用M48的螺栓，采用螺栓與孔的精裝配關系時中空圓柱銷的內徑為50mm，而一般情況下螺栓與孔之間為中等裝配關系，M48螺栓通過的光孔直徑為52mm。銷的內徑可根據標準GB/T5277－1985來確定[4]。通過銷套螺栓的形式連接兩個零件，先安裝銷，銷僅承受橫向載荷，使兩個零件之間可以傳遞扭矩，然后再安裝螺栓，并通過施加預緊力使螺栓承受軸向載荷，使兩個零件之間可以傳遞彎矩。這種連接形式可以節約連接空間，且比現有的銷與螺栓間隔布置的方式能承受更大的扭矩和彎矩。

下面以一個實例來說明銷套螺栓連接方式的作用。假設呈環形布置的螺栓組需要承受總的軸向拉力為Fa=19000kN，切向力為Fr=5800kN，僅靠螺栓承載則需要68顆10.9級M48的螺栓，螺栓組節圓直徑由螺栓安裝空間來決定，M48螺栓使用的套筒直徑為131mm，則節圓直徑至少為2285mm。如果采用螺栓和銷間隔布置的方式，那么所需銷的直徑由公式2確定。

圖2 銷套螺栓連接方式1

圖3 銷套螺栓連接方式2

若銷的材料為40Cr，則其許用抗剪切應力為314MPa。總的軸向拉力為19000kN，根據計算需要48顆M36的螺栓，每顆螺栓的預緊力為612kN。螺栓和銷間隔布置，因此公式（2）中的n=48，經過計算銷的直徑確定為25mm，即：

這時，根據螺栓施工套筒的尺寸和銷的直徑，螺栓安裝的節圓直徑最小為1713mm。

現在對銷套螺栓的連接形式進行計算。根據GB/ T5277－1985與M36精配合的孔徑為37mm，則中空的圓柱銷的內徑為37mm，根據計算銷的外徑取為45mm時，銷的剪切應力為：

這時，48顆M36螺栓套中空銷布置方式的節圓直徑最小僅需1170mm，但承載能力與螺栓與銷間隔布置的方式相同。

3 結論

螺栓是風電機組中最常用的連接方式，螺栓連接的設計會影響到整個機組的設計。本文提出了使用摩擦片和銷套螺栓兩種新的風電機組螺栓聯接形式，在充分利用螺栓承載能力的前提下能減小螺栓連接設計的尺寸，根據實例分析，這兩種方法都能有效提高螺栓連接的承載能力，并控制連接尺寸，使零件的設計更緊湊，是減少風電機組成本的有效手段。

[1] Tony Bruton, 武鑫等譯. 風能技術[M].北京:科學出版社,2007.

[2] 宮靖遠,等. 風電場工程技術手冊[M]. 北京:機械工業出版社,2004.

[3] VDI2230-2003E Systematic calculation of high duty bolted joints joints with one cylindrical bolt[S],2003.

[4] 成大先,等.機械設計手冊第二卷[M].北京：化學工業出版社,2008.

Analysis of New Bolt Connection Forms for Wind Turbines

Guan Xuesong, Wan Baoku, Zhang Qin
(Sinovel Wind Group Co., Ltd., Beijing 100872, China)

In order to increase the reliability and load capacity of bolted connection and decrease the connection size, two methods of bolted connection used in wind turbine are proposed in this paper, one is to use friction shims to increase the friction coefcient between the interface, the other is to use the bolt enveloped with a hollow pin to increase the load capacity of connection. These two methods all can increase the load capacity of bolted connection that can provide the safe and reliable connection methods for wind turbine.

wind turbine; bolt connection; friction shim; hollow pin

TM614

A

1674-9219(2013)12-0078-03

國家863計劃項目——超大型增速式海上風電機組設計技術研究，編號（2012AA052303）。

2013-11-26。

關雪松（1977-），女，博士，工程師，主要從事風電相關工作。

萬保庫（1981-），男，碩士，工程師，主要從事風電機組研發工作。

張芹（1977-），女，碩士，高級工程師，主要從事風力發電相關工作。