風電機組變槳軸承螺栓擰緊工藝優化研究

文 | 任延博，韓銳，趙爽

（作者單位：國電聯合動力技術有限公司）

隨著風電機組技術的不斷發展，單機功率持續提升，輪轂的外形尺寸不斷增大（以3.0MW機型為例，軸承頂端螺栓距離地面約4.5m），變槳軸承螺栓的數量亦不斷增加，這對變槳軸承螺栓的擰緊工藝提出了更高的要求。

國家標準GB/T19568―2017《風力發電機組裝配和安裝規范》中第3.2條（裝配連接要求）中對于呈環形分布的多顆螺栓的擰緊工藝只做了原則要求，沒有進行詳細說明。為了保證多顆螺栓擰緊后的預緊力均勻分布，螺栓的擰緊順序如圖1所示。

此方法可以最大限度地保證螺栓預緊力的均勻分布，但在實際執行中有兩個困難：一是螺栓的擰緊順序復雜，找位困難；二是輪轂與變槳軸承的高度高，操作人員需要往復地上下攀爬，才能保證螺栓按照規定順序擰緊，不僅勞動強度大，且操作人員在上下攀爬過程中也存在安全隱患。

為此，本文提出一種優化方法，優化后的擰緊順序如圖2所示：首先擰緊8顆螺栓，使其呈“米”字形均勻分布，8顆螺栓將環形分布的多顆螺栓平均分成8等份，將每等份內的螺栓依次擰緊，8段螺栓仍然依照“十”字交叉對角擰緊法依次擰緊。

試驗方法

一、試驗原理

螺栓擰緊采取扭矩控制法。螺栓的擰緊力矩T與軸向預緊力F之間為線性關系，對應的關系式為：

式中，d為螺栓的直徑，K為扭矩系數，F為預緊力。

螺栓擰緊時，其材料變形會經過兩個階段，分別是彈性區與塑性區。在彈性區采用扭矩法控制時，確定了起始點扭矩后，通過改變螺栓旋轉角度來控制螺栓的軸向預緊力。彈性區軸向預緊力F與旋轉角度θ成正比，對應的關系為：

式中，C為螺栓連接剛度系數，P為螺距。

由公式可知：螺栓的預緊力與旋轉角度成正比，可以將螺栓轉角的變化等同于螺栓的預緊力。故根據轉角的變化（相同的擰緊力矩導致的轉角變化），來判斷螺栓預緊力的變化。

將公式（2）代入公式（1）中，可得：

變槳軸承螺栓擰緊采用扭矩法控制。假設螺栓材質C完全相同，扭矩系數K一致，當螺栓處于彈性變形區域時，對相同規格的螺栓施加同樣的扭矩，螺栓轉動的角度相同。

對兩種擰緊順序的螺栓施加相同的力矩，如果轉角的均值不相等，則說明擰緊順序對于螺栓擰緊有顯著影響，優化方案不可行；如果均值相等，則說明無顯著影響，優化方案可行。

二、試驗設計

使用電動力矩扳手分別按照圖1與圖2的順序分三次進行螺栓擰緊，三次的擰緊力矩分別是1000N·m、2000N·m與2570N·m。擰緊作業完成后記錄各螺栓的轉角（每種擰緊順序需記錄三組轉角數據，分別是1000N·m、2000N·m與2570N·m扭矩完成后的螺栓轉動角度），并對螺栓在2000N·m及2570N·m力矩作用下的轉動角度分別進行雙樣本T檢驗（1000N·m的螺栓轉角數據因為起始力矩不一致，故對該數據不做分析，僅供參考），確定最優的擰緊順序。

試驗用的螺栓需取自于同一批次，兩個變槳軸承必須裝配于同一輪轂的兩個法蘭面，二硫化鉬采用可賽新1769，執行全涂抹工藝。

試驗數據及分析

依據圖1與圖2的順序分別進行螺栓擰緊，記錄各螺栓的轉動角度，數據如表1與表2所示（試驗的數據較多，表格中僅列出了其中10顆螺栓的擰緊數據）。

假定螺栓按照工藝1擰緊方法進行擰緊，其用2000N·m與2570N·m力矩擰緊時，轉角的均值及標準差分別為μ1、σ1，μ2、σ2。按照工藝2擰緊方法進行擰緊，其用2000N·m與2570N·m力矩擰緊時，轉角的均值及標準差分別為為μ3、σ3，μ4、σ4。分別對擰緊力矩為 2000N ·m的工藝1與工藝2的轉角及擰緊力矩為2570N·m的工藝1與工藝2的轉角進行雙樣本T檢驗，判斷其均值是否相等。

雙樣本T檢驗，有三個條件需滿足，分別是：

（1）正態性檢驗：

假設樣本 yi1，yi2，yi3，yi4，…均為來自于正態總體的樣本。

（2）方差齊性檢驗：

假定兩種擰緊工藝在相同擰緊力矩作用下其轉角的方差相同，即。

表2 擰緊工藝2的螺栓轉角數據統計

（3）獨立性：

工藝1與工藝2的擰緊數據無交叉，符合獨立性要求。

一、正態性檢驗

對收集的數據進行正態性檢驗，檢驗結果如下：

（1）當扭矩為2000N·m時，79顆螺栓轉動角度正態分析結果如圖3與圖4所示。

根據兩種擰緊工藝轉角數據的正態分布分析結果，其P值分別為0.629與0.509，均大于0.05，故可以判斷兩組數據符合正態分布。

（2）當扭矩為2570N·m時，79顆螺栓轉動角度正態分析結果如圖5與圖6所示。

根據兩種擰緊工藝轉角數據的正態分布分析結果，其P值分別為0.333與0.684，均大于0.05，故可以判斷兩組數據均符合正態分布。

二、方差齊性檢驗

對兩種擰緊工藝下的2000N·m及2570N·m的轉角數據進行方差齊性檢驗：

（1）當扭矩為2000N·m時，分別采用工藝1與工藝2進行螺栓擰緊后，螺栓轉角的方差齊性檢驗結果如表3所示。

分析結果顯示，P值為0.065，大于0.05，故選擇原假設。當扭矩為2000N·m時，工藝1與工藝2的方差相等。

（2）當扭矩為2570N·m時，分別采用工藝1與工藝2進行螺栓擰緊后，螺栓轉角的方差齊性檢驗結果如表4所示。

分析結果顯示，P值為0.614，大于0.05，故選擇原假設。當擰緊力矩為2570N·m時，螺栓擰緊采用工藝1與工藝2的方差相等。

表3 扭矩為2000N·m的F檢驗結果

表4 扭矩為2570N·m的F檢驗結果

表5 扭矩為2000N·m的雙T檢驗結果

表6 扭矩為2570N·m的雙T檢驗結果

三、雙樣本T檢驗

工藝1與工藝2的擰緊數據符合正態分布，在2000N·m及2570N·m狀態下，其標準差也相等，使用MINITAB軟件對數據進行雙樣本T檢驗，來判斷其均值是否相等。

原假設 ：μ1＝ μ3，μ2＝ μ4

備擇假設 ：μ1≠ μ3，μ2≠ μ4

（1）當扭矩為2000N·m時，分別采用工藝1與工藝2進行螺栓擰緊后，雙樣本T檢驗結果如表5所示。

分析結果顯示，P值為0.052，大于0.05，故選擇原假設μ1＝μ3。即當擰緊力矩為2000N·m時，螺栓按照工藝1與工藝2的順序擰緊后，轉角均值相等。

（2）當扭矩為2570N·m時，分別采用工藝1與工藝2進行螺栓擰緊后，螺栓轉角雙樣本T檢驗結果如表6所示。

分析結果顯示，P值為0.413，大于0.05，故選擇原假設μ2＝μ4。即當擰緊力矩為2570N·m時，螺栓按照工藝1與工藝2的順序擰緊后，轉角均值相等。

由上述試驗結果可知，在置信水平為95%的情況下，高強度螺栓依據優化后的擰緊順序進行擰緊作業，其轉角均值與標準工藝下的轉角均值相同。即采用兩種工藝進行螺栓擰緊，最后螺栓的預緊力是相同的，滿足設計要求，優化方案可行。

結語

本文研究表明，優化方案可以用于螺栓擰緊。除了風電機組變槳軸承螺栓，偏航軸承螺栓以及類似工位的環形分布多顆螺栓都可以依據優化工藝原理進行工藝變更，優化擰緊順序。

優化方案在保證螺栓擰緊質量的前提下可以有效提高裝配效率，降低操作者的勞動強度，同時可以減小操作者進行擰緊作業時的安全風險。