水輪機(jī)重要螺栓預(yù)緊方式探討

馮偉

摘 要：介紹了水輪機(jī)大直徑螺栓安裝時(shí)常用的三種預(yù)緊方式，并針對(duì)不同預(yù)緊方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較和探討。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；螺栓；預(yù)緊方式

中圖分類號(hào)：TV734.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）15-0084-03

螺栓連接是水輪發(fā)電機(jī)組中廣泛使用的連接方式，方便拆卸、連接緊固，多用于受力復(fù)雜部位及重要連接處，其使用環(huán)境和受力特性表明螺栓往往是此類連接中的薄弱環(huán)節(jié)。

為了增強(qiáng)連接的剛性、緊密型、防松能力和疲勞壽命，多數(shù)螺栓連接在裝配時(shí)須對(duì)螺栓施加穩(wěn)定而可靠的預(yù)緊力，所施加的預(yù)緊力既要保證螺栓連接的質(zhì)量要求，又要滿足螺栓的強(qiáng)度要求，預(yù)緊力過大容易使預(yù)緊力超過螺栓屈服極限，導(dǎo)致聯(lián)接失效；預(yù)緊力過小則可能殘余預(yù)緊力達(dá)不到要求，受到工作載荷后，導(dǎo)致螺栓發(fā)生松動(dòng)甚至產(chǎn)生疲勞破壞。

本文通過對(duì)水輪機(jī)中重要螺栓不同的預(yù)緊方式進(jìn)行探討，比較不同的預(yù)緊方式的操作方法以及對(duì)預(yù)緊力水平的監(jiān)測(cè)方式。

1 液壓拉伸器預(yù)緊方式

利用液壓拉伸器對(duì)螺栓進(jìn)行預(yù)緊的方式在水輪機(jī)安裝中應(yīng)用比較普遍，一般主要應(yīng)用在如下兩類情況：（1）對(duì)預(yù)緊力水平要求較高的M42以上較大直徑螺柱，并且操作空間有限，無法布置液壓扭矩扳手，如受交變載荷的不同工件間的連接螺栓（圖1，軸承體與頂蓋連接螺栓）；（2）對(duì)要求伸長(zhǎng)值較為精確的重要螺栓，如水發(fā)聯(lián)軸螺栓（圖2，水機(jī)軸與發(fā)電機(jī)聯(lián)軸螺栓）。

使用液壓拉伸器方式預(yù)緊，給螺栓施加拉力使之發(fā)生彈性變形，然后輕輕旋緊螺母，待撤去拉力之后，由于螺栓收縮就可在連接中產(chǎn)生一定的預(yù)緊力。液壓拉伸器給螺栓施加預(yù)緊力時(shí)不受摩擦力影響，故該方法適用于任何尺寸的螺栓，而且可以給一組螺栓同時(shí)施加預(yù)緊力，均勻壓緊法蘭和墊片，不致出現(xiàn)傾斜、翹曲而影響預(yù)緊力的精確控制。

這樣的預(yù)緊方式操作簡(jiǎn)單，可以提高預(yù)緊力的控制精度，預(yù)緊力的誤差主要出現(xiàn)在對(duì)預(yù)緊力或伸長(zhǎng)值的監(jiān)測(cè)方法上。

液壓拉伸器預(yù)緊的伸長(zhǎng)值監(jiān)測(cè)方法主要有以下兩種：

1.1 螺母轉(zhuǎn)角法

根據(jù)需要的伸長(zhǎng)值計(jì)算出螺母轉(zhuǎn)角，計(jì)算公式為：旋轉(zhuǎn)角度=伸長(zhǎng)值/螺距×360。預(yù)緊時(shí)量出螺母轉(zhuǎn)角就可達(dá)到控制預(yù)緊力的目的。測(cè)量螺母轉(zhuǎn)角最簡(jiǎn)單的方法是在螺母邊緣和法蘭上刻一條對(duì)應(yīng)的零線，同時(shí)在法蘭上刻一條旋轉(zhuǎn)角度的基準(zhǔn)線，當(dāng)螺母上零刻度線轉(zhuǎn)到法蘭上對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)線時(shí)，即認(rèn)為螺栓已預(yù)緊到要求伸長(zhǎng)值。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：在預(yù)緊過程中可以精確控制預(yù)緊力，并能發(fā)現(xiàn)過程中可能出現(xiàn)的預(yù)緊不足或預(yù)緊過度現(xiàn)象。但缺點(diǎn)也很明顯：被連接件的剛度計(jì)算較為復(fù)雜、螺栓出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形、幾何尺寸誤差等因素導(dǎo)致螺母轉(zhuǎn)角和預(yù)緊力不是線性關(guān)系，螺母轉(zhuǎn)角的計(jì)算存在一定誤差，同時(shí)由于接觸變形，螺母與法蘭支承面、被連接件間以及螺紋間均完全接觸的初始位置（零位）較難確定，通過螺母轉(zhuǎn)角控制預(yù)緊力會(huì)出現(xiàn)誤差。

1.2 伸長(zhǎng)值直接測(cè)量法

因?yàn)槁菟ū旧淼纳扉L(zhǎng)值只和螺栓的所受拉應(yīng)力有關(guān)，可以排除摩擦系數(shù)、接觸變形、被連接件變形等可變因素的影響。所以，通過螺栓伸長(zhǎng)值控制預(yù)緊力可以獲得最高的控制精度。

螺栓伸長(zhǎng)值測(cè)量主要有三種方法：（1）通過在螺柱中心加工測(cè)量孔，泄壓后用深度千分尺測(cè)量絕對(duì)伸長(zhǎng)值。該方法不需要確認(rèn)螺母零位，也不受被連接件的變形以及泄壓后螺柱收縮的影響。測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，配合液壓拉伸器可以精確控制預(yù)緊力。（2）對(duì)于類似圖2中的螺栓連接結(jié)構(gòu)，通過預(yù)緊過程中在螺柱兩端架百分表測(cè)量相對(duì)伸長(zhǎng)值。該方法同樣不需要確認(rèn)螺母零位，但會(huì)受表座所在部件變形影響，存在一定的誤差。（3）對(duì)于類似圖1中的螺栓連接結(jié)構(gòu)，通過預(yù)緊過程中在螺柱頂端架百分表測(cè)量相對(duì)伸長(zhǎng)值。該方法測(cè)的伸長(zhǎng)值，受零位（螺紋間隙、螺母與法蘭之間緊度）、表座所在部件變形等多種因素的影響，無法做到精確控制預(yù)緊力。

2 電加熱預(yù)緊方式

電加熱（或稱溫差法）方式預(yù)緊在水輪機(jī)安裝中的應(yīng)用主要在聯(lián)軸螺栓等重要大直徑螺栓連接結(jié)構(gòu)（圖3，轉(zhuǎn)輪與主軸聯(lián)軸螺栓），其原理與采用液壓拉伸器方法相似，所不同的是電加熱方式使用大功率加熱棒在螺桿中心進(jìn)行快速加熱，使之伸長(zhǎng)，然后輕輕旋緊螺母，待撤去拉力之后，由于螺栓冷卻收縮就可在連接中產(chǎn)生一定的預(yù)緊力。

因?yàn)殡娂訜犷A(yù)緊方式與液壓拉伸器預(yù)緊方式相似，所以兩者的優(yōu)、缺點(diǎn)也基本相同，主要區(qū)別和誤差主要在于對(duì)伸長(zhǎng)值的監(jiān)測(cè)方法上。

電加熱預(yù)緊方式的監(jiān)測(cè)方法同樣主要有以下三種：

2.1 螺母轉(zhuǎn)角法

該方法與采用液壓拉伸器進(jìn)行預(yù)緊時(shí)相同。

2.2 伸長(zhǎng)值直接測(cè)量法

使用電加熱預(yù)緊方式需在螺桿中心放置電加熱棒，在預(yù)緊過程中無法及時(shí)用伸長(zhǎng)值測(cè)量工具測(cè)量絕對(duì)伸長(zhǎng)值，此外，預(yù)緊過程中螺桿溫度迅速升高，同樣無法采用百分表測(cè)量螺栓相對(duì)伸長(zhǎng)值。因此伸長(zhǎng)值直接測(cè)量法無法對(duì)預(yù)緊過程以及預(yù)緊力的控制進(jìn)行精確測(cè)量，無法達(dá)到對(duì)預(yù)緊過程中伸長(zhǎng)值進(jìn)行監(jiān)測(cè)的要求。

2.3 伸長(zhǎng)值綜合測(cè)量法

結(jié)合電加預(yù)緊方式的特點(diǎn)，可以考慮將以上兩種方法綜合進(jìn)行運(yùn)用：首先，在螺桿安裝之前，利用伸長(zhǎng)值測(cè)量工具，通過螺桿中心的通孔，測(cè)量并記錄螺桿的初始長(zhǎng)度；然后，在預(yù)緊過程中，采用上述螺母轉(zhuǎn)角法，控制加熱時(shí)間和預(yù)緊力水平，防止預(yù)緊力過大或過小；預(yù)緊完成后，待螺桿自然冷卻至室溫，再次使用伸長(zhǎng)值測(cè)量工具測(cè)量并記錄螺桿預(yù)緊后的長(zhǎng)度。將兩次的測(cè)量長(zhǎng)度相減后，即可得出螺桿的絕對(duì)伸長(zhǎng)值。

3 液壓扭矩扳手預(yù)緊方式

液壓扭矩扳手預(yù)緊方式操作簡(jiǎn)單，適用性廣，在水輪機(jī)安裝中應(yīng)用最為普遍，主要用于頂蓋、底環(huán)等分瓣面組合螺栓（圖4，分瓣面組合螺栓）、轉(zhuǎn)輪葉片螺釘（圖5，葉片螺釘）、轉(zhuǎn)輪活塞軸把合螺栓（圖6，活塞軸把合螺栓）等M42以上較大直徑螺柱或螺釘。

由于預(yù)緊力受螺母和螺栓以及螺母和法蘭面間摩擦副的摩擦力影響較大，因此在預(yù)緊過程中，需盡量減小摩擦系數(shù)的影響。比如在螺栓絲扣上涂抹絲扣潤(rùn)滑脂，法蘭面與螺母之間增加足夠硬度的鋼墊片。

同時(shí)，在螺栓預(yù)緊過程中，扭矩較大，需克服的螺紋間摩擦力也越大，如螺栓未清理干凈或螺栓未放正，極易導(dǎo)致螺栓被研傷，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到能采用雙頭螺栓時(shí)，盡量避免采用螺釘。這樣的好處是，在螺栓被研傷時(shí)，只需將螺母破壞即可將螺栓取出。如轉(zhuǎn)輪葉片螺栓，只能采用螺釘結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)螺栓被研死的情況，只能將螺栓破壞后才能取出，難度極大。

預(yù)緊力矩與螺栓預(yù)緊力呈線性關(guān)系，控制了預(yù)緊力矩的大小，就可通過實(shí)驗(yàn)或理論的方法計(jì)算出預(yù)緊力值。該方式優(yōu)點(diǎn)是：無需確認(rèn)零位，預(yù)緊過程可根據(jù)扭矩扳手油泵壓力值精確控制。但由于受摩擦系數(shù)和幾何參數(shù)偏差的影響，在一定的預(yù)緊力矩下，預(yù)緊力數(shù)值的離散性比較大，其預(yù)緊力精度不及上述兩種方法，但其預(yù)緊力的監(jiān)測(cè)方式最為直觀，只需將預(yù)緊力矩?fù)Q算成液壓扭矩扳手對(duì)應(yīng)的油泵壓力值即可。

4 結(jié)語

通過對(duì)水輪機(jī)安裝中常見的三種大直徑螺栓的預(yù)緊方式的分析比較，各種預(yù)緊方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中，不可能做到只選某一種，或者能完全消除各種預(yù)緊方式中的不利影響。此文的目的是未以后水輪機(jī)安裝實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)不同結(jié)構(gòu)、不同受力特性的螺栓連接結(jié)構(gòu)的預(yù)緊力加載方式選用提供一種思路，以期找到一個(gè)最合理的預(yù)緊方式，避免因預(yù)緊力過大或過小對(duì)連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性或疲勞壽命產(chǎn)生不利的影響。