風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)選用的探討

張凌寶，趙鵬

（鋒電能源技術(shù)有限公司，北京 100080）

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)的迅猛發(fā)展，風(fēng)電用高強(qiáng)度螺栓逐漸顯現(xiàn)出它的重要性。近幾年各地風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)不同程度的風(fēng)電機(jī)組墜頭甚至倒塌事故，造成了重大的財(cái)產(chǎn)損失，不僅對(duì)風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)商、風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主造成影響，也更加影響到整個(gè)國(guó)產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組行業(yè)的質(zhì)量信譽(yù)。其中，由于螺栓預(yù)緊力不足，造成螺栓松動(dòng)，機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)過大，螺栓在長(zhǎng)期高頻振動(dòng)下，剪切斷裂，最終造成重大事故的比例較大。究其原因，一是螺栓本身質(zhì)量不過關(guān)，設(shè)計(jì)制造過程中出現(xiàn)問題；另外一個(gè)就是機(jī)組在安裝及維護(hù)過程中螺栓預(yù)緊力不足，運(yùn)行過程中螺栓松動(dòng)造成的。本文主要針對(duì)機(jī)械性能滿足GB/T 3098.1的高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊力矩進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)螺栓扭矩系數(shù)的選用進(jìn)行探討。

1 國(guó)內(nèi)外扭矩系數(shù)的選用標(biāo)準(zhǔn)比較

國(guó)內(nèi)比較普遍使用的螺栓扭矩簡(jiǎn)便算法：MA=K×Fp×d

其中預(yù)緊力Fp=0.7×As×σp0.2

式中：

MA—預(yù)緊力矩，N·m；

Fp—預(yù)緊力，KN；

K—扭矩系數(shù)；

d—螺栓公稱直徑，mm；

As—螺紋公稱應(yīng)力截面積，mm2；

σp0.2—螺栓材料屈服強(qiáng)度，N/ mm2。

通過分析以上算法，預(yù)緊力是螺紋公稱應(yīng)力截面積As與螺栓材料屈服強(qiáng)度σp0.2乘積的0.7倍，這一預(yù)緊力必須通過旋轉(zhuǎn)螺母產(chǎn)生或者通過螺栓頭與墊圈適當(dāng)潤(rùn)滑得出[2]。考慮到螺栓的強(qiáng)度，一般規(guī)定擰緊后的螺紋聯(lián)接件預(yù)緊應(yīng)力不得大于其材料屈服強(qiáng)度σp0.2的80%，另?yè)?jù)國(guó)外針對(duì)預(yù)緊力消耗、衰減的研究，提出預(yù)緊力達(dá)到其材料屈服強(qiáng)度σp0.2的80%。預(yù)緊力一定時(shí)，扭矩系數(shù)K的變化直接影響預(yù)緊力矩的大小。預(yù)緊力矩過大，增大工具磨損、操作的危險(xiǎn)性，預(yù)緊力矩過小，松動(dòng)力矩必然會(huì)小[3]，螺栓易松動(dòng)，大大降低風(fēng)電機(jī)組的可靠性，達(dá)不到設(shè)計(jì)預(yù)緊效果。對(duì)于預(yù)緊力，在VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)中指出根據(jù)典型的摩擦系數(shù)μG≈0.14，實(shí)際組件預(yù)載大約損失10%。同時(shí)，在VDI 2230中還指出螺栓連接件的裝配預(yù)緊力主要受到下述影響：

①周圍區(qū)域中其他螺栓的緊固

②接觸表面的預(yù)埋

③自松動(dòng)的旋轉(zhuǎn)

④材料的松弛

⑤溫度的變化

⑥接頭的過載

⑦連接件（螺栓、螺母、夾緊件）的幾何形狀

⑧連接件的強(qiáng)度

⑨緊固工具

另外，在估計(jì)摩擦系數(shù)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤、摩擦系數(shù)的分散、不同的緊固技術(shù)，以及儀器、操作和讀數(shù)錯(cuò)誤都或多或少地導(dǎo)致相當(dāng)?shù)难b配預(yù)緊力的分散，這就要求對(duì)于預(yù)緊力進(jìn)行科學(xué)、嚴(yán)格的控制。

風(fēng)電作為一個(gè)新能源產(chǎn)業(yè)，風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓世界范圍內(nèi)還沒有完善的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范使用，但是根據(jù)相關(guān)行業(yè)的使用經(jīng)驗(yàn)，也可以為我們提供一個(gè)合理的參考依據(jù)。針對(duì)預(yù)緊力矩的確定，目前國(guó)內(nèi)所使用的方法繁多，歸納主要有以下幾種：一是直接根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中給定的扭矩系數(shù)K，加以計(jì)算或試驗(yàn)獲得相關(guān)預(yù)緊力矩；二是根據(jù)螺栓的摩擦系數(shù)μ，直接選用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的預(yù)緊力矩；三是根據(jù)螺栓規(guī)格直接選用相應(yīng)的預(yù)緊力矩；四是根據(jù)螺栓制造商試驗(yàn)獲得；最常用到的根據(jù)扭矩系數(shù)K確定預(yù)緊扭矩的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 1231、DIN EN 14399；根據(jù)摩擦系數(shù)μ的標(biāo)準(zhǔn)有JG/T 5057.40；直接選用的標(biāo)準(zhǔn)有DAStRichtlinie 021（M39-M64）。以上幾種方法獲得的扭矩系數(shù)K卻有著較大的差別。例如，根據(jù)GB/T 1231規(guī)定，扭矩系數(shù)K在0.110～0.150；根據(jù)DAStRichtlinie 021計(jì)算獲得扭矩系數(shù)K在0.14～0.16；螺栓制造商試驗(yàn)及國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)獲得的通過潤(rùn)滑螺紋及支撐面，扭矩系數(shù)K在0.08～0.13[9]。相應(yīng)的預(yù)緊扭矩也是千差萬(wàn)別。

2 扭矩系數(shù)K影響因素

對(duì)于扭矩系數(shù)K（以下簡(jiǎn)稱K值），是一個(gè)確定的常數(shù)，具體數(shù)值為經(jīng)驗(yàn)值或試驗(yàn)確定，影響K值的重要因素當(dāng)屬螺栓的摩擦情況，關(guān)于螺栓摩擦主要的反映為摩擦系數(shù)，螺栓的摩擦系數(shù)包括螺紋摩擦系數(shù)（μs）和支撐面摩擦系數(shù)（μw）(螺母或螺栓的支撐面與被連接件表面間的摩擦系數(shù))，我們國(guó)家現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16823.2－1997就有相關(guān)計(jì)算方法，具體公式列出以供探討：

式中：

Tf—預(yù)緊扭矩，N·m；

Ts—螺紋扭矩，N·m；

Tw—支撐面扭矩，N·m；

K—扭矩系數(shù)；

Ff—預(yù)緊力，KN；

d—螺紋公稱直徑，mm；

d2—螺紋中徑，mm；

α′—螺紋牙側(cè)角；

dh—接觸的支撐面內(nèi)徑，mm；

dw—接觸的支撐面外徑，mm；

μs—螺紋摩擦系數(shù)；

μw—支撐面摩擦系數(shù)；

Dw—支撐面摩擦扭矩的等效直徑，mm；P—螺距，mm。

表1 螺紋摩擦系數(shù)（μs）、支撐面摩擦系數(shù)（μw）和扭矩系數(shù)（K）的對(duì)照表

通過式（1）我們可以看出，螺栓預(yù)緊扭矩由螺紋、扭矩和支撐面扭矩共同組成，根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)資料[12]顯示：作用在螺栓或螺母支撐面的力矩消耗約占45%－50%，作用在螺紋面力矩消耗約占35%－40%，剩下的10%－20%轉(zhuǎn)化為螺栓預(yù)緊力，說明支撐面力矩消耗對(duì)預(yù)緊力的轉(zhuǎn)化影響甚重。國(guó)內(nèi)風(fēng)電企業(yè)現(xiàn)在對(duì)于這方面的理解存在差異，所采取的潤(rùn)滑方法主要為：一是螺紋潤(rùn)滑，二是螺紋加支撐面潤(rùn)滑。

根據(jù)GB/T 16823.2－1997提供的螺紋摩擦系數(shù)（μs）、支撐面摩擦系數(shù)（μw）和扭矩系數(shù)（K）的對(duì)照表（如表1所示），可以更加直觀地理解三者的關(guān)聯(lián)。

針對(duì)VDI2230的相關(guān)要求，通過表1不難看出，螺紋摩擦系數(shù)（μs）和支撐面摩擦系數(shù)（μw）均小于K值，當(dāng)綜合摩擦系數(shù)μ≈0.14時(shí)，K≥0.16；對(duì)于高強(qiáng)度螺栓的摩擦系數(shù)應(yīng)滿足表3中A、B級(jí)的相關(guān)要求。結(jié)合國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺栓摩擦系數(shù)的要求，目前國(guó)內(nèi)有一種觀點(diǎn)，即摩擦系數(shù)（包括螺紋摩擦系數(shù)、支撐面摩擦系數(shù)及綜合摩擦系數(shù)）在0.07～0.12[12]之間選取，摩擦系數(shù)超過0.12，則預(yù)緊力矩過大，易造成聯(lián)接損壞；摩擦系數(shù)小于0.07，則預(yù)緊力矩過小，易造成聯(lián)接松動(dòng)，而在這一范圍內(nèi)被認(rèn)為是合理、可靠的。針對(duì)這一觀點(diǎn)，結(jié)合表1、表2推算，K值應(yīng)在0.10～0.16之間，與目前GB/T 1231規(guī)定的0.110～0.150有所差別，但是符合DIN EN 14399－4:2006－06《預(yù)加負(fù)荷用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)螺栓組件－第4部分HV系統(tǒng)－六角螺栓螺母組件》中的要求。對(duì)于K值在風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓上的應(yīng)用，前面的范圍顯得過于寬泛，以K=0.10為例，M36－10.9高強(qiáng)度螺栓的力矩為MA=K×Fp×d=0.1×510×36=1836；K=0.16，MA=K×Fp×d=0.16×510×36=2937.6，二者相差非常懸殊，這勢(shì)必造成具體實(shí)施時(shí)K值的選用困難，所以針對(duì)風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓應(yīng)給出更加合理的范圍。根據(jù)目前國(guó)外幾個(gè)常用高強(qiáng)度螺栓標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比，由表4計(jì)算得出K值在0.14～0.16范圍內(nèi)，扭矩系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于等于0.01，對(duì)于規(guī)格大于M36的高強(qiáng)度螺栓，根據(jù)DAStRichtlinie 021計(jì)算獲得K值0.14～0.16，扭矩系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于等于0.01，這說明國(guó)外對(duì)于高強(qiáng)度螺栓的K值趨于一個(gè)穩(wěn)定、合理的范圍。

3 結(jié)論

針對(duì)目前用到的風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊扭矩，可以直接根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推薦值選用，我們?cè)谶@里討論扭矩系數(shù)（K）的意義在于：希望通過本文的探討，明晰扭矩系數(shù)（K）與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系，根據(jù)對(duì)國(guó)外風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析，提出風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓實(shí)際應(yīng)用的扭矩系數(shù)（K）范圍可精確到0.14～0.16，扭矩系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于等于0.01，以此為同行提供參考；對(duì)于不同國(guó)家或者地區(qū)，對(duì)于螺栓預(yù)緊有著不同的要求，并且扭矩系數(shù)（K）還需要試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)，而且隨著風(fēng)電機(jī)組容量的增大，對(duì)于更大規(guī)格高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力矩要求也迫在眉睫，希望及早頒布關(guān)于風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，服務(wù)企業(yè)，促進(jìn)行業(yè)規(guī)范、健康發(fā)展。

表2 螺紋摩擦系數(shù)（μth）、支撐面摩擦系數(shù)（μb）和扭矩系數(shù)（K）的對(duì)照表

表3 不同材料/表面及潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)螺栓連接的摩擦系數(shù)等級(jí)分類指導(dǎo)值

表4 強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)的組件扭矩程序、動(dòng)量矩程序、轉(zhuǎn)向角程序和組合預(yù)應(yīng)力程序的預(yù)應(yīng)力和擰緊扭矩

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