風機塔筒螺栓防松檢測技術

魏 泰，吳 坤，黃軍威

（1.甘肅省特種設備檢驗研究中心，甘肅 蘭州 730020；2.濟南軌道交通裝備有限責任公司風電裝備研究所，山東 濟南 250022）

0 引言

塔筒維護是風機運營維護的重要組成部分，其中，又以高強螺栓防松為關鍵。風機在正常運行中時，各連接部件的螺栓長期運行在各種振動的合力當中，極易使其松動。為了不使其在松動后導致局部螺栓受力不均被剪切，必須定期對螺栓進行防松檢查。設計出一套可靠的防松監控系統，可大大降低勞動強度及運營維護成本。

1 高強度螺栓連接的受力機理

1.1 高強度螺栓受力分析

高強度螺栓連接是通過螺栓桿內很大的擰緊預拉力把連接件夾緊，足以產生很大的摩擦力，從而提高連接的整體性和剛度。風機塔筒所用的高強度螺栓是按照摩擦型連接進行抗剪設計的，即高強度螺栓所承受的外剪力達到連接件接觸面間由螺栓擰緊力所提供的最大摩擦力作為極限狀態，也即是保證連接在整個使用期間內外剪力不超過最大摩擦力，連接件不會發生相對滑移變形（螺桿和孔壁之間始終保持原有空隙量），螺栓不承受剪力，連接件按彈性整體受力。涂油后的螺栓可降低螺栓扭矩系數，減小螺栓的復雜應力狀態的影響，改善螺栓扭矩系數用較小的扭矩達到較大的預緊力，但同時會對螺栓的防松有負面的影響，因此可采用替代品螺栓緊固膠，不僅可減小扭矩系數，且負面影響很小。

1.2 高強度螺栓連接松動分析

高強度螺栓采用普通螺紋，在靜載荷下，螺紋升角（1°42′≤Ψ≤3°2′）小于螺旋副的當量摩擦角（6.5°≤φV≤10.5°）。因此，連接螺紋都能滿足自鎖條件（Ψ＜φV），再加上擰緊后螺母和螺栓頭部與被連接件或墊圈支撐面之間的摩擦力，在靜載荷和工作溫度變化不大時，螺紋連接很難自動松脫。

螺母開始松動時，要克服螺紋力矩和螺母支撐面力矩的阻礙。在螺栓預緊力F0的作用下，以擰緊力矩T連接的螺栓副，只要作用在螺母或螺栓頭部的松動力矩TE不大于阻止螺母松動的力矩TR，連接就不會松動。但在變載、振動和沖擊力的作用下，螺栓副的摩擦系數會急劇下降，且螺栓副和螺母支撐面處的摩擦阻力會瞬時消失，螺栓副不能滿足自鎖條件而有微量蠕變和滑動，導致螺母回轉，這樣多次重復就會導致螺栓連接松動。

1.3 高強度螺栓扭矩法施工受力分析

如圖1所示，由于擰緊力矩T（T=FL）的作用，使螺栓和風機塔筒法蘭之間產生預緊力F0。由機械原理可知，擰緊力矩T等于螺旋副間的摩擦阻力矩T1和螺母環形端面與風機塔筒法蘭（或墊圈）支撐面間的摩擦阻力矩T2之和；螺栓頭環形端面與風機塔筒法蘭（或墊圈）支撐面間的摩擦阻力矩T3產生反向力矩，與T2相等［1］。即

圖1 螺栓受力

螺旋副間的摩擦力矩為：

螺母與風機塔筒法蘭面間的摩擦力矩為：

以風機塔筒連接常用的高強螺栓M36為例，螺紋中徑d2=0.924d；螺紋升角 Ψ=arctan［1.5／（nd2）］（1.5為粗牙螺紋；n為螺紋線數）；螺旋副的當量摩擦角φV=arctan（μ／cos30°）（μ為摩擦系數，當涂螺栓緊固膠時，取μ=0.12；30°為螺紋半斜面角）；螺栓孔直徑d0≈1.1d；螺栓環形支撐面的外徑D0≈1.5d；螺母與支撐面之間的摩擦系數μc=0.15。將上述參數代入式（5）整理后得：

1.4 高強度螺栓在拉壓交變力作用下的松動機理

當螺栓連接受到壓力ΔF，使螺桿預緊力由F0降為F′，即

當F′≥0.526F0，即壓力 ΔF＜0.474F0時，螺栓不松動。0.474F0即為47.4%的載荷設計值。

根據風機載荷規范GL2010可知［3］，乘以γ=1.35，得64%的載荷標準值。故在正常載荷工況條件下，用扭矩法施工的高強度螺栓在64%的風荷載標準值作用下有可能松動。

2 螺栓防松長期監測技術及設備

2.1 檢測系統的優點

建立一套可行的長期監測系統，是為了杜絕因螺栓松動而發生重大安全事故，能夠讓風機正常穩定運行，同時也能夠節約運營維護成本。其優點有：

a.投資約為風機總造價的0.1%，但能確保其安全運行。

b.有針對性、有目的檢修，可以減少運營維護投入，減少人力消耗。

c.準確、有效反饋信息可延長全面檢修的周期。

2.2 風機塔筒螺栓防松監測裝置

傳感器安裝位置如圖2所示。

圖2 傳感器安裝位置

a.每一層塔筒法蘭處，沿圓周均布4個螺栓防松傳感器。

b.每一層4個放松傳感器，以塔筒門角度方向為起始點，順時針每隔90°布局，編號為A，B，C和D。

c.以現在主流的4節塔筒為例，每個風機塔筒自下而上有5個法蘭高強度螺栓緊固區，依次可編號為1、2、3、4和5（針對塔筒和主機的緊固件的檢測，可視位置情況做相應的調整）。

d.一個風機塔筒上的螺栓防松報警器可以惟一的由法蘭編號和傳感器編號組合表示。

e.一個風機塔筒上所有螺栓防松傳感器可以采用一個電源；信號傳輸至主控柜，并最終傳至風場監控中心的監控顯示屏上。

2.3 系統工作分析

在指定的被監測螺母上安裝一個角度傳感器及接收器，通過實時監測得出螺母逆時針旋轉的角度信號，該信號是以正弦函數形式輸出。如圖3所示，將螺栓的最大預緊力作為初始狀態，傳感器的計數值設為0，隨著螺栓的蠕動，螺母會發生逆時針旋轉，傳感器隨之計數。螺母發生不同的轉動角位移時，表示螺栓的預緊力有所松弛，當螺栓發生10%的預緊力松弛時，監控中心的黃色警示燈亮起，表示該螺母開始松動；當螺栓發生50%的預緊力松弛時，監控中心的紅色警示燈亮起，表示該螺母及周邊的螺母需要及時進行維護檢修。

圖3 傳感器安裝位置計數

2.4 參數檢測與控制機構工作原理

為了同步檢測螺栓副的預緊力松弛，系統采用非接觸角度傳感器，實現參數自動測量和控制［4］。參數檢測與控制機構工作原理如圖4所示。

圖4 參數檢測與控制機構工作原理

傳感器采集到的信號進入各路采樣保持電路，然后由多路開關可選擇地將各路信號送入A／D轉換器進行轉換。經過數據處理后，把檢測結果傳送到主控柜，并最終傳至風場監控中心的監控顯示屏上。這樣的采樣保持電路用同一個信號控制時，即可保證同一時刻采集到各通道參數，又可以保證信號間的同步關系。這種采集方式非常適合螺栓防松檢測中對采集頻率要求不高的系統。

3 結束語

高強度螺栓防松的原理，為塔筒高強度螺栓聯接的可靠度及檢測數據提供支持；提供了一種可行的檢測系統，方便快捷地實現了塔筒用高強度螺栓的有效檢測，降低了成本；其實用性可拓展至整個風機系統中螺栓的監測。塔筒用高強度螺栓預緊力檢測針對的是拉力松弛中螺栓螺母的相對轉動，而螺栓的失效形式中螺紋的蠕動造成的失效比重較大，對螺栓蠕動的檢測技術是未來的研究趨勢，也可選用適合的角度編碼器來完成實時監測任務。

［1］濮良貴，紀名剛.機械設計.7版［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］馬人樂.風機塔筒螺栓防松的機理、現狀及對策［R］.上海：同濟大學.

［3］GL2010.Guideline for the certification of wind turbines［S］.

［4］龔元明，吳長水.高強度螺栓試驗與測試系統的開發［J］.上海工程技術大學學報，2011，（25）：27-30.