風電機組輪轂與主軸聯接異響問題分析

黃愛武 齊雙麗 卓 然 李志超 王付崗 仝世偉

(1.許昌許繼風電科技有限公司；2. 中國一拖集團有限公司)

水平軸風力發電機(Horizontal Axis Wind Turbine，HAWT)中，輪轂與主軸的聯接面不僅受到較大的交變彎矩作用，而且還受到巨大的扭矩作用，一旦聯接失效，幾十噸甚至上百噸的葉總成就可能墜落，導致重大事故發生。因此，為防止發生主軸與輪轂聯接失效，筆者首先從主軸與輪轂栓接面的基本功能入手，給出了主軸與輪轂聯接面間最低摩擦系數估算、螺栓選用和栓接面防腐選擇的要求，提出了合理漆膜厚度和聯接面間摩擦系數保證的有關注意事項，最后提出了防止主軸與輪轂聯接失效前異響發生的預防性建議和理論研究成果的推廣建議。

1 主軸與輪轂端面聯接的功能要求

從風機整個系統考慮，主軸與輪轂的聯接需要考慮支撐葉輪總成的懸伸、傳遞葉輪旋轉扭矩和雷擊電流順利通過3項主要功能。在這3項功能要求中，支撐葉輪總成的懸伸，一般使用止口及端面支撐的結構，主要涉及主軸的強度設計方面，可用傳統的理論計算結合現代的有限元分析方法解決，文中不再過多討論[1]。第二、三項功能，可從圖1所示的HAWT主軸與輪轂典型聯接形式中得到啟示[2]。

圖1 主軸與輪轂典型聯接形式

從圖1主軸與輪轂典型聯接形式中可以看出：對于葉輪旋轉扭矩的傳遞，因考慮葉輪吊裝的便利性，往往采用高強度螺栓提供端面間的正壓力，再依靠栓接面間的摩擦來傳遞。因此，就要對主軸與輪轂的栓接面的聯接提出要求。

2 主軸與輪轂的栓接面聯接要求

2.1 栓接面最低抗滑移摩擦系數的估算

一般輪轂為球磨鑄件，主軸為鋼件，其直接接觸的滑動摩擦系數f見表1[3]。

從表1中可以看出，鋼與鑄鐵間滑動摩擦系數在無潤滑劑時可達0.30，而在有潤滑劑時最低僅為0.05，離差較大，存在滑移異響的風險。為此，需要計算最低抗滑摩擦系數fmin。

表1 滑動摩擦系數f

為方便計算，需結合HWAT主機的結構圖(圖2)[4]。

圖2 HAWT風機的典型結構

假設圖2所示的主體部件的相關參數如下：件號6發電機的額定功率P=2MW，件號2輪轂的額定轉速n=15r/min(最大轉速nmax=18r/min)，件號4齒輪箱等傳動系統效率η按90%估算，件號3主軸與輪轂聯接螺栓數量N=48個，分度圓直徑D=1.35m，其間的摩擦系數設為fi，單個10.9級螺栓的預緊拉力Fi=535kN(考慮安裝便利，采用M36螺桿)。這樣，可計算出主軸與輪轂聯接端面傳遞的扭矩T：

如果將上述扭矩T按最大扭矩，并取不小于1的裕度進行估算，那么，最低抗滑摩擦系數fmin：

對比表1中鋼與鑄鐵間最小滑動摩擦系數(0.050<0.079≤fmin)可初步判斷，當主軸與輪轂栓接面間有油污時，將會發生輪轂和主軸結合面間的錯動滑移的異響，其特征頻率就是轉頻。

在這類異響中，通常伴隨一種以轉頻為基頻、以栓接螺桿個數的倍頻為特征頻率的異響，例如，按上述輪轂與主軸間最大轉頻0.3Hz計算，48個螺栓聯接，錯動響聲最大頻率為0.3×48=14.4Hz(即使將48個螺栓改為96個，也僅為28.8 Hz)。這種不超過30Hz低頻信號，是因栓接面間螺栓參與沖擊剪切而產生的、必須密切關注的異常響聲。

2.2 栓接面聯接螺栓的選用

因為輪轂和主軸結合面間的螺栓受到巨大的剪切沖擊而發生斷裂，一旦某個螺栓破壞，則向兩側逐個發展，若不及時發現，就會導致主軸與輪轂聯接突然失效，后果相當嚴重。因此，需要考慮輪轂和主軸結合面間的螺栓在強度、疲勞、預緊和數量上的選用問題。

在強度方面，為保障足夠的預緊力而選用高強度螺栓時，應采用10.9級螺栓而不采用12.9級的螺栓。原因有二：第一，即使螺栓由10.9級提升為12.9級，拉力增加20%，也僅能使上述估算的最低摩擦系數0.079降低到0.066，仍不能排除端面存在摩擦系數為0.050的可能；第二，雖然螺栓采用達克羅防腐處理，可以防止氫脆現象過多發生問題，但12.9級螺栓仍存在硬度過高等脆斷風險。所以，建議采用韌性好、抗拉強度高的10.9級螺栓聯接，防止螺栓脆斷。

在疲勞方面，為防止疲勞斷裂，根據AGMA-6123-B06-2006標準，需要足夠的夾持長度lg,lg≥4Df(圖3)[5]。

圖3 緊固件夾持要求

在預緊方面，為保障螺栓不松脫，防止預緊扭矩載荷的反向儲備和螺栓與端面的接觸摩擦增大，可采用厚墊片和液壓拉伸法預緊螺栓，以提高螺栓的防松性能。在螺栓數量方面，如果不考慮制造和安裝成本，螺栓數量N增加為96個，那么，按照上述分析，最小抗滑移摩擦系數可降低為0.041(小于0.050)，從根本上消除輪轂和主軸結合面間的錯動。

2.3 栓接面防腐方式的選用

2.3.1栓接面不采用金屬面直接接觸的原因

栓接面不采用金屬面直接接觸有兩方面的原因：

a. 栓接面間摩擦系數的考慮。以往，國內兆瓦級風機輪轂與主軸栓接面有采用鑄鐵與碳鋼金屬面直接接觸的。為防止金屬面存儲期間生銹，通常涂抹耐高溫和低溫的防銹油脂，但該油脂不易清理，容易導致殘留，從而降低輪轂與主軸栓接面間的摩擦系數，誘發低頻類的異常響聲。

b. 規避螺栓失效風險的考慮。通過仿真圖(圖4)[2]可知風機運行中接觸面積S并非100%接觸。而且在風機運行中，接觸面邊緣也存在一個交變的脈沖應力。

圖4 主軸與輪轂接觸狀態

這樣，在海邊等潮濕且鹽度較高的地區，就存在邊緣被腐蝕的風險。腐蝕發生后會生成分子結構疏松的鐵銹，其組成隨溫度變化，通常用Fe2O3·xH2O表示。因為氧化鐵的體積約是鐵單質體積的2.14倍[6]，而且又加入了H2O，鐵銹質量體積增大，在聯接面邊緣產生鍥入效應，會對螺栓產生一種較大的附加應力，從而容易使螺栓過早失效。所以，輪轂與主軸間的栓接面不宜采用金屬面直接接觸的聯接方式，需要對輪轂及主軸端面進行防腐，而且防腐等級需達到C3級(海上風機需要至少C4級)以上，以達到輪轂與主軸金屬面長久不直接接觸的目的。

2.3.2防腐形式

主軸與輪轂間的栓接面不僅需要防腐，也應能保證導電功能(防止雷擊電流通過螺栓產生燒結問題)和傳遞扭矩的可靠(即足夠的最低摩擦系數)，因此，其防腐要求需和其他功用一并考慮。

對于防腐，一般可采用的材料有：有機油漆、鍍鋅、熱噴鋅及富鋅漆等。然而，因有機漆不能在端面間提供較強的摩擦系數，又不能滿足導電要求，故不能選用。余下的3種防腐材料均含有金屬鋅，可滿足導電要求，而且在防腐方面，鋅對基體鋼材既有陰極保護作用，又能在常溫空氣中生成一層薄而致密的堿式碳酸鋅膜，可阻止金屬進一步氧化。因此，就防腐和導電而言，鍍鋅、熱噴鋅和富鋅漆均是不錯的選擇。但是，因球墨鑄鐵較鋼件難以鍍鋅，鍍鋅層與鋼鐵基體的結合力也低，難以抗擊風機運行中的沖擊。而且，主軸、輪轂體積較大，鍍鋅困難，所以可排除鍍鋅的方式。對于火焰噴鋅方法，由于施工中的污染、毒性以及耐老化性能差等原因也不能大量推廣使用。而富鋅漆中含鋅量通常達70%～80%，在組分的作用下可與鐵發生化合反應，不僅增加了其與基體的附著力，而且在一定的條件下可滿足栓接面抗滑移摩擦系數的要求。筆者考慮導電的可靠性，建議采用含鋅量85%以上的無機富鋅漆防腐。

3 無機富鋅漆栓接面摩擦系數的影響因素

3.1 無機富鋅漆涂敷厚度對摩擦系數的影響

如果無機富鋅漆膜厚度太薄會導致膠粘力破壞，太厚則會導致粘性失效和生銹。因此，典型的無機富鋅涂料干膜厚度應在 50～75μm。為防止漆膜龜裂，最大不應超過125μm[7]。一般，金屬底層表面粗糙度Rz為40～75μm，假設無機富鋅漆涂敷厚度為極限值125μm，那么，漆膜就要突出金屬基體，主軸和輪轂栓接面間就形成圓筒狀的脆性墊板，將會受到剪切破壞。

圖5 主軸和輪轂栓接面間的圓筒狀脆性墊板單元體三向應力圓計算圖解

由此可得：

最大拉應力σ1=τmax1=τ=2.62≤[σ]=5MPa

最大壓應力σ3=-σa=-32.1MPa

通過以上計算分析可知，栓接面間富鋅漆墊板將沿軸向45°方向被剪開而發生異響。該類異響屬于高頻的漆膜挫裂聲，不同于上述的輪轂與主軸油污時錯動的低頻異響，筆者對某風場風機異響錄音進行頻譜分析(圖6)可知，該類異響頻率遠超過了30Hz，應明顯不同于前述端面間滑移錯動的異響聲頻譜。

圖6 某風場主軸與輪轂間異響的頻譜圖

該類異響伴隨的漆膜挫裂裂紋，其裂紋擴展與裂紋前端形狀、壓應力強度等有關，并在一定條件下保持穩定且不再擴展變化。如果該類異響不斷發展，說明金屬底層的表面粗糙度過低或螺栓栓接產生的壓應力不足以使挫裂裂紋不擴展(此時的異響頻率特征為高頻)，從而進一步導致漆膜破碎和脫落，破碎和脫落后的鋅粉顆粒，將形成滾動摩擦效應。查閱有關資料[3]可知，摩擦系數常在0.002～0.005之間，遠低于前述的殘留防銹油的金屬直接接觸栓接面間的摩擦系數0.050的要求，并改用雙排螺栓時摩擦系數為0.041的最低要求，栓接面間將發生伴隨低頻異響的錯動，更加危險。

因此，為防止輪轂與主軸栓接面間發生更惡劣的錯動，無機富鋅漆的涂敷須嚴格控制，主要指標涉及涂敷前金屬底層粗糙度、漆膜附著力與摩擦系數的關系。

3.2 金屬底層粗糙度對漆膜附著力和摩擦系數的影響

基于端面摩擦系數與表面粗糙度在一定范圍內成正相關關系，考慮漆膜附著力和防腐要求，富鋅漆涂敷前要進行噴砂處理，金屬表面在噴砂處理后表面粗糙度應該滿足產品說明書的要求。一方面如果粗糙度太小會影響涂料與基體的附著力，太大則漆膜不容易覆蓋住鋼材表面，波峰處很容易引起點蝕；另一方面，筆者認為表面粗糙度Rz范圍選為40～75μm可有效保障栓接面間的摩擦。

要滿足一定的抗滑移摩擦系數，根據圖7可以看出，如果要求金屬基體大部分金屬凸起仍可發揮摩擦阻滯作用，滿足金屬面直接接觸的靜摩擦系數為0.3的要求[10]。就需要基體凸起部分具有足夠的強度，使其不會在交變應力下折斷并保證附著在凸凹之間的富鋅漆不脫落。

圖7 表面粗糙度Ra和Rz示意圖

根據上述兩個要求，目前制訂的工藝方案有：

a. 采用鋼丸噴砂。一方面，建議粗糙表面選用Rz為50μm，可保證粗糙度凸起部分有一定的強度；另一方面，使用鋼丸噴砂可對基體表面產生壓應力，保證凹陷部分產生疲勞裂紋并有效抑制裂紋擴散，使凸起部分不會在交變應力下折斷。

b. 保證附著在凸凹之間的富鋅漆不脫落，需要了解其漆膜形成原理。

如圖8所示，可以推測無機鋅涂層對基體鋼材有極強的附著力[7]。不僅無機鋅涂層中的硅酸鹽與鋼材表面的活性鐵反應生成了硅酸鐵，同時，硅酸鹽也與鋅反應生成硅酸鋅和鋅-硅酸-鐵的復合物。所以說，無機鋅涂層是靠化學反應粘附在鋼材表面的。但是，如果基體表面不干凈，附著力也會有所消弱；如果涂敷方式不妥當，鋅粉顆粒會分散粘在鋼材表面，不足以滿足栓接面間抗滑移摩擦系數的要求。所以，富鋅漆噴涂前基體表面要求清理至GB/T 8923規定的Sa3級以上。

圖8 無機富鋅漆漆膜組成

涂敷方式不允許刷涂，需要采用噴涂。又因干噴會造成附著力下降，因此為防止干噴，還必須選擇合適的噴嘴并調整好噴嘴壓力。若噴嘴壓力過大，漆霧霧化過度，飛速過快，使溶劑大量揮發，極易造成干噴。即使防止了干噴，還要注意漆膜的固化，這就需要漆膜固化時保證其溫度和濕度。當環境相對濕度低于50%時，漆膜的固化將嚴重延遲。涂裝作業時，底材溫度不低于5℃，且至少比空氣露點溫度高3℃(溫度和相對濕度應在涂裝場地測量)。這樣，無機富鋅漆涂敷厚度在50～75μm之間時，可保證附著在凸凹之間的富鋅漆不脫落。聯接端面也可達到涂敷前的栓接面的摩擦要求。

4 結束語

綜合以上分析，為保證主軸與輪轂間可靠聯接，保證傳遞足夠的摩擦力矩，防止聯接失效，需要強調的措施包括：主軸與輪轂聯接螺栓選用強度等級10.9級，防腐處理達克羅，禁用12.9級或鍍鋅處理的螺栓，且螺栓夾持長度lg≥4Df；基體噴砂采用鋼丸噴砂，表面粗糙度Rz為50μm，清潔度Sa3級以上；端面防腐采用含鋅量85%以上的無機富鋅漆噴涂，涂敷干膜厚度在50～75μm之間；漆膜附著力平均不小于5MPa，最低不小于3MPa。同時，在風場吊裝前，主軸與輪轂聯接表面應嚴加防護；建議涂富鋅漆的方案擴展用于風機的剎車盤、主副機架間等動、靜聯接端面上，既可有效防腐又可提供較大的摩擦系數。

參考文獻

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