隨機載荷作用下的風力發電機高強度螺栓疲勞特性分析

彭文書

摘要：本文主要就隨機載荷作用下的風力發電機高強度螺栓疲勞特性進行了簡要的分析，以其相關的力學特征、計算方法、影響因素等為切入口，探討隨機載荷作用下的風力發電機高強度螺栓疲勞特性的內在規律，為提高風力發電機高強度螺栓的使用性能與安全性能提供可靠的理論基礎，繼而促進我國風力發電機相關技術的進步。

關鍵詞：隨機載荷;風力發電機;高強度螺栓;疲勞特性

前言

高強度螺栓對風力發電機的使用性能以及安全性能有著非常重要的影響，是風力發電機當中具有中重要作用的部件[1]。高強度螺栓的主要作用是固定發電機與塔架直接的連接性，由于風力發電機的扭力存在許多的不穩定因素，高強度螺栓在長時間的載荷作用力下容易出現使用性疲勞，鑒于此，必須要對隨機載荷作用下的風力發電機高強度螺栓疲勞特性進行探究，從其力學特征、工作狀態等因素考慮。高強度螺栓隨著風力發電機的載荷作用的不同而隨時變化著。目前，我國的風力發電技術領域經常采用法蘭面狀態對高強度螺栓疲勞特性進行判定[2]。法蘭面狀態是一種多線性模型，與傳統的單一性模型相比較，疲勞特性的判定更為準確。

本文分析了高強度螺栓的力學特征，采取SEIDEL的分析方法以及雨流計數法，就高強度螺栓疲勞特性進行計算，根據計算的結果合理修正高強度螺栓的角度、水平線等方面的內容。

1.風力發電機高強度螺栓的力學物理分析

1.1預緊力分析

隨機載荷作用下的風力發電機由于需要高速轉動，所產生的甩力與扭力非常大，如果螺栓組的預緊力不足，風力發電機很有可能會直接損壞，為了保證螺栓組的可靠性，必須要施加相應的預緊力。當預緊力太大的時候，風力發電機與螺栓組的接面承受力不足，往往會直接導致螺栓被扯斷，受壓面爆裂而被壓潰。當預緊力太小的時候，風力發電機與螺栓組的接面粘合力不足，在風力發電機強大的扭力之下，兩者發生位移，造成風力發電機的損壞。因此，合適施加風力發電機與螺栓組的預緊力顯得尤為重要，計算預緊力的正確公式為：

F1=（0.7～0.8）asAs，bolt

其中，as為螺栓材料的屈服點數值，常以MPA表示;As，bolt為公稱應力截面積;以mm?表示。一般而言，預應力經過初步計算之后，往往需要進行二次檢驗才允許被應用于實際的風力發電機高強度螺栓預緊力施加，二次檢驗的結果與首次計算的結果的誤差低于0.05，即被視為合理，可進行施加。施加預緊力的方法主要有三種：一是拉伸法，二是轉角法，三是扭矩法，其中扭矩法的應用最為廣泛。筆者僅以扭矩法的具體安裝方法進行闡述，首先，潤滑螺桿與螺母，使用的潤滑材料多為S2Mo;其次，在螺桿與螺母直接加裝鐵質墊片;最后，強力擰合。

1.2外載荷分析

對于風力發電機高強度螺栓外載荷力的確定，常規的方法是尋找螺栓組當中受力最大的一顆螺栓，通過預緊力的計算公式，計算出其受力值。由于螺栓與法蘭面的形心幾乎是完全重合的，因此需要我們可以結合螺栓的預緊力值與其受力的特點，計算出正確的外載荷力，計算的公式如下：

其中，R為螺栓的圓半徑，計數單位為mm;M為連接處傾覆力矩;β為軸心與螺栓的夾角數值，計數單位為x°;Z為螺栓組中螺栓的總數;i為計數符號;Fz為隨機載荷作用下的風力發電機塔架坐標圖中的y軸的數值。

1.3相對剛度分析

為了使隨機載荷作用下的風力發電機高強度螺栓的咬合力更加符合使用要求，往往必須把載荷合理分配，經過分配的載荷我們一般稱之為相對剛度[5]。在相對剛度當中，螺栓與風力發電機的連接部件便不再是固定元件了，具有可變化性。與所有的螺桿一樣，高強度螺栓中的螺桿也具有兩種類型，分別是光桿螺桿與螺紋螺桿，雖然這兩種螺桿的使用方法與使用范圍有所不通，然而在相對剛度的計算當中，兩者之間的差異允許被忽略不算，同樣作為風力發電機中彈簧的串聯部件，與預緊力以及外載荷不同，相對剛度的計算公式有多條，并不固定，筆者在此僅列舉常用的兩條計算公式，以供參考，如下：

，

其中，lc為夾緊長度，計數單位以mm表示;Db為螺栓設計直徑，計數單位以mm表示;E為螺栓的彈性模量，計數單位以MPA表示。

1.4連接工作狀態分析

螺栓組的連接工作狀態主要是依據法蘭面的工作狀態、載荷的數值、單個螺栓的應力范圍三者結合而確定的。其中，單個螺栓的應力范圍可劃分為兩個部分，分別是ZⅠ以及ZⅡ。一般而言，螺栓組的連接工作狀態主要包括閉合、張開、半閉半張三種狀態，計算方法各有不同。首先是螺栓組的閉合狀態，其計算公式如下所示：

其次是螺栓組的張開狀態，其計算公式如下所示：

最后是螺栓組的半閉半張狀態，其計算公式如下所示：

其中，F1為預緊力，計數單位為kN;FD為縱坐標值，即是螺栓組所承受的載荷值，計數單位為kN;F為外載荷，計數單位為kN;b為螺栓孔與法蘭面的直線距離，計數單位為mm;x為載荷分配系數。

2.高強度螺栓疲勞特性的計算方法

隨機載荷作用下的風力發電機高強度螺栓在長時間的使用下，經受多次強力拉扯與彎曲，其表面往往會呈現出細微的裂痕，隨著時間的推移，細微的裂痕會逐漸擴大，直至整個螺栓完全斷裂。螺栓疲勞的整個結構可以理解為：螺桿的所承受的壓力超出了其本身的設計承受范圍，抗彎的剛度因長期的使用而被大大削弱，并且漸漸完全喪失，當螺桿的抗彎剛度不復存在，而隨機載荷作用下的風力發電機的運行強度越來越大的時候，此消彼長，高強度螺旋的疲勞性便顯現無疑，導致風力發電機損壞。一般而言，我們在對高強度螺栓疲勞特性進行分析的時候，必須要先選取合適的疲勞應力，結合預緊力、外載荷、相對剛度三者的具體數值，加以計算，可得出高強度螺栓的交變值，當交變值越大，證明疲勞度越高，反之亦然。具體的計算公式如下所示：

除此之外，筆者認為高強度螺栓疲勞函數曲線很大程度上受到對稱循環載荷作用力的影響，因此，在經過上式的計算之后，得出的交變值可繪制成高強度螺栓疲勞函數曲線，隨后需要進行檢驗，即是在高強度螺栓疲勞函數曲線的基礎上，加入循環參量再次加以計算，根據二次計算的結果對高強度螺栓疲勞函數曲線進行修正，具體的計算公式如下所示：

當高強度螺栓出現疲勞顯行特征時，風力發電機的運行安全便受到了嚴重的威脅，鑒于此，必須要對高強度螺栓的疲勞安全壽命進行準確的估算，以便及時更換螺栓，保證風力發電機的運行安全。通常情況下，我們都是使用線形損傷累積法則（Palmgren Miner）進行計算，計算的公式如下所示：

其中，D（T）為周期內高強度螺栓的總損傷值;N（Sk）為破壞壽命;Sk為對稱循環應力水平。此外，當高強度螺栓的疲勞特征達到臨界點的時候，需要及時予以更換。更換的時候，相關的工作人員先使用電動扳手將原先的螺栓擰松，隨后取下;其次，安裝新的高強度螺栓，先是手動旋合，然后再使用電動扳手施加相應的預緊力;最后，對預緊力進行檢驗，計算其預緊拉力是否符合使用標準。

3.風力發電機塔筒高強度螺栓選擇標準

目前，我國市面上流通的風力發電機塔筒高強度螺栓的型號與標準較為繁多，如果選用了錯誤的螺栓，難以滿足風力發電機塔筒正常的使用要求，那么對風力發電機所造成的影響將會是巨大的，嚴重時會造成人員傷亡，鑒于此，筆者認為必須要根據風力發電機塔筒的建成年限、設計使用壽命、整體高度、橫截面寬度等因素進行詳細的分析，選擇合適的高強度螺栓。筆者在此僅以我國某地2MW風力發電機的基礎環以及首節塔筒高強度螺栓為例進行簡要的論述，作為選擇風力發電機塔筒高強度螺栓選擇標準的參考。

首先，根據（GL）的相關規定，合理假設螺栓的疲勞載荷工況，通過1.2節中的公式計算出隨機外載荷，并將風力發電機塔筒頂部位置的隨機外載荷與底部位置的隨機外載荷進行比對，并繪制高強度螺栓疲勞函數曲線表，再通過線形插值計算出多個位置的螺栓載荷，以類比的方法推測風力發電機塔筒高強度螺栓的扭力承受上限數值，如果此數值高于先前假設的螺栓的疲勞載荷工況，則以風力發電機塔筒高強度螺栓的扭力承受上限數值作為選用高強度螺栓的標準，如果該數值低于先前假設的螺栓的疲勞載荷工況，則以假設的螺栓的疲勞載荷工況作為選用高強度螺栓的標準。

4.環境因素對高強度螺栓的影響

風力發電機的運行環境都是空曠的平野或海上區域，所經受的自然條件的考驗非常嚴峻。與此同時，高強度螺栓的疲勞性除了自身使用壽命的制約之外，外部自然環境的侵蝕也是不容忽視的重要因素。陸上風力發電機的運行環境相對而言要理想一些，對高強度螺栓的影響因素包括雨水的侵蝕，出現銹化現象，太陽的長期暴曬，致使鋼制的高強度螺栓的內部分子結構發生變化，整體的硬度與韌度都大大下降，為風力發電機的運行造成了較大的安全隱患。

而海上風力發電機的運行環境則比較惡劣，非常容易遭受鹽霧以及油浸的侵蝕，由于海水的鹽度非常高，在陽光的作用下蒸發成汽，并且海上環境的晝夜溫差比較大，容易形成鹽霧，而鋼鐵材質的高強度螺栓對鹽度非常敏感，即便是涂刷了防銹油漆，也非常容易產生銹化現象。此外，海上風力發電機的部分高強度螺栓需要浸沒在海水之中，進一步降低了高強度螺栓的使用性能，疲勞性特征更加明顯。因此，風力發電站的相關工作人員，需要定期對風力發電機的高強度螺栓進行檢修，對于已經出現嚴重疲勞特征的高強度螺栓，必須要及時進行更換，以保證風力發電機的正常運行。

5.陸地風電和海上風電高強度螺栓的具體區別

由于陸地風力發電機與海上風力發電機的工作環境存在著非常明顯的差異，因此，為了保證兩者.陸地風電和海上風電的使用性能與安全性能，必須在深入分析兩者工作環境的差別之后，選用合適的高強度螺栓，以滿足隨機載荷作用下的使用要求。

通常情況下，陸地風電的運行環境要優于海上風電的運行環境，海上風電的高強度螺栓由于長期經受鹽霧以及油浸的侵蝕，其內部分子結構守恒性較較差，并且容易出現銹化現象，剛度與韌度都大大下降，而陸地風電的高強度螺栓的工作環境除了雨雪天氣之外，整體的工作環境比較干燥，其內部分子結構守恒性相對較好，出現銹化的期限更長，這是陸地風電和海上風電高強度螺栓的具體區別之一。鑒于此，必須要充分認識到陸地風電和海上風電高強度螺栓的具體區別，主要考慮軸線荷載以及傾覆彎矩的具體情況，一般而言，海上風電高強度螺栓的軸線荷載以及傾覆彎矩的數值要比陸地風電的要大，抗疲勞的性能要求也更高。

6.結語

總而言之，風力發電機的內部結構與外部結構都非常復雜，零部件的種類與數目都比較多，螺栓的作用往往被忽視， 而螺栓對于風力發電機卻有著較大的影響，如果螺栓出現疲勞性特征而得不到及時的更換，那么其與風力發電機與塔架的連接性就會大大降低，在強大的扭力與甩力的共同作用下，風力發電機非常容易損壞。鑒于此，筆者認為風力發電站的相關工作人員都應該充分認識到螺栓的重要性，強化螺栓的選用、安裝、潤滑、維護、檢測、更換等方面的工作力度，避免已經存在疲勞性特征的螺栓繼續在工作，杜絕風力發電機的相關安全隱患。本文就螺栓的預緊力、外載荷、相對剛度、連接工作狀態進行了簡要的分析，并列舉了幾條有關于高強度螺栓疲勞特性的計算公式，闡述了風力發電機塔筒高強度螺栓選擇標準、環境因素對高強度螺栓的影響、陸地風電和海上風電高強度螺栓的具體區別等內容，以期促進我國風力發電事業的平穩發展。

參考文獻：

[1]何玉林，王秀文，丁帥銘，杜靜. MW級風力發電機組變槳螺栓疲勞壽命分析[J]. 機械設計，2013，07：14-18.

[2]劉勝祥，宋曉萍，向際超.大型風機連接螺栓的疲勞特性分析[J]. 水電能源科學，2013，07：169-172.

[3]劉勝祥，宋曉萍，曾毅，龍辛.隨機載荷作用下的風力機高強度螺栓疲勞特性分析[J].太陽能學報，2013，02：201-206.

[4]李振強.兆瓦級風力發電機高強度螺栓聯接靜力學性能分析[D].湖南大學，2013.

[5]秦大同，周志剛，楊軍，陳會濤.隨機風載作用下風力發電機齒輪傳動系統動態可靠性分析[J].機械工程學報，2012，03：1-8.

[6]杜靜，丁帥銘，王秀文，江術新，侯海臣.MW級風力發電機塔筒環形法蘭連接高強度螺栓疲勞評估[J].機械設計，2014，01：75-79.

[7]丁顯.基于振動和載荷監測的風力發電機組失效分析[D].華北電力大學，2012.