兆瓦級風電鎖緊盤螺栓多同步擰緊工藝及智能化擰緊機的研究

史 偉，竇玉祥，田 仁，何 明，陳 波

（國電聯合動力技術（連云港）有限公司，江蘇連云港 222002）

0 引言

隨著中國經濟的高速發展，不可再生資源終將面臨枯竭。能源危機的加深和環境保護的迫切需要，使得經濟可靠、環境友好的風能成為當今能源發展的必然趨勢。世界各地政府均紛紛加大了研究及扶持力度。雙饋型風電機組通過鎖緊盤過盈連接將葉輪主軸的交變載荷傳遞到齒輪箱。鎖緊盤螺栓的擰緊，在風機制造過程中作為重要環節之一，也是傳動鏈裝配最為耗時的工序之一。同時，鎖緊盤螺栓的擰緊工藝和擰緊質量也關系著風機安全運行。

本文根據鎖緊盤螺栓擰緊環節存在的缺陷，分析了現狀工藝的不足，從經濟性、質量、安全等方面綜合考慮，提出一套新式的鎖緊盤螺栓擰緊方法和擰緊設備［1-2］。通過實踐證明，該方法能大幅提高風電機組的生產效率，為企業降低生產成本，保障螺栓的裝配質量和風機的安全性能，對于風電整機制造企業有一定的參考意義。

1 鎖緊盤螺栓擰緊工藝現狀

雙饋型風電機組主軸與齒輪箱采用鎖緊盤的結構形式連接。風機主軸安裝在齒輪箱的軸孔內，鎖緊盤作用在齒輪箱軸孔上外圓，通過對鎖緊盤的螺栓進行擰緊，鎖緊盤的外套對內錐套施加徑向壓力，從而使齒輪箱的軸孔與風機主軸抱緊（見圖1）。

目前，國際及國內主流整機制造商，對于雙饋型風電機組鎖緊盤螺栓的擰緊，經常采用3種方法：（1）兩把液壓扭矩扳手同時對角擰緊；（2）兩把電動扳手同時對角擰緊；（3）兩把氣動扭矩扳手同時對角擰緊。通過多年的數據統計，該3種工具優缺點如表1所示。

該3種方法，電動扭矩扳手和氣動扭矩扳手的擰緊效率要高于液壓扭矩扳手。在同等輸出扭矩情況下，電動扭矩扳手和氣動扭矩扳手的體積要大于液壓扭矩扳手。受到作業空間和工具體積的限制，電動扭矩扳手和氣動扭矩扳手無法應用在設計帶有后置軸承座的機組場合。無論采用哪種方法，對于鎖緊盤螺栓的擰緊至少需要2～3人同時作業，作業過程中操作人員的勞動強度極大。根據統計，完成鎖緊盤的擰緊，1.5 MW機組約需3～4 h，2 MW機組約需4～6 h，3 MW機組約需6～8 h。傳動鏈的裝配作為整機制造的前置工序，且受到廠區工位數量的限制，對傳動鏈的裝配時間有一定要求，現狀的鎖緊盤螺栓擰緊工藝在機組形成批量生產時，每臺機組的生產周期將會受到嚴重的制約。

圖1 主軸與齒輪箱連接示意

表1 雙饋型風電機組鎖緊盤螺栓擰緊工具的優缺點

另外，鎖緊盤螺栓的擰緊工藝和擰緊質量也至關重要，它關系著風機的安全運行。通常對于法蘭均布式螺栓的擰緊，提倡采用“對角擰緊法”進行擰緊，如果嚴格執行該工藝，則需要操作人員手持工具，上下、左右反復進行位置移動。這種操作方法實際執行起來是十分困難的，人員的勞動強度大，作業效率極低，且存在一定的人身安全風險。根據調研及現狀分析，目前國內外主流整機制造商，雖然都在不斷改進作業工藝和提高工具的性能，但針對鎖緊盤螺栓的擰緊工藝無顯著的效率提升，擰緊質量無有效的控制手段。主要原因有兩點：一是擰緊設備的落后，無針對該工況的專業設備；二是擰緊工藝及擰緊質量主要依靠操作人員的主觀意識來決定，無有效的監控方法。

2 新型緊盤螺栓擰緊工藝研究

為了使鎖緊盤達到穩定的性能，同時考慮到螺栓反復擰緊導致的拉伸失效，螺栓的擰緊扭矩值必須均勻。根據大量的試驗，筆者總結出最新的擰緊工藝：“三步扭矩值遞增”的“四同步十字形順序擰緊”法［3］。

三步扭矩值遞增：所有螺栓分三步采用從低到高的3種扭矩值進行擰緊。假設螺栓最終扭矩值要求為2 000 Nm，第一次預緊至40%（800 Nm），第二次預緊至80%（1 600 Nm），第三次預緊至100%（2 000 Nm），完成最終擰緊。

四同步十字形順序擰緊：首先，為減小螺栓副的摩擦力，使每個螺栓的摩擦趨于一致，從而實現預緊力的均勻性，螺栓螺紋副和螺栓頭摩擦面需要涂抹適量的二硫化鉬潤滑脂。因鎖緊盤工況操作空間狹小，特別是帶有后軸承座的機組。所以，該工況采用液壓扭矩扳手作為擰緊工具。所謂“四同步十字形”擰緊方法，是采用一臺大流量的液壓泵站同時驅動4把液壓扳手成十字形分布同時進行作業。螺栓擰緊順序參照圖2所示執行，當螺栓數目更多時，也按類似順序擰緊。螺栓應分3遍按照扭矩值遞增（30%+60%+100%）的方式逐步進行，直至達到預期的扭矩限定值。

圖2 四同步十字形順序擰緊示意

3 智能化鎖緊盤螺栓擰緊機設計

擰緊機的設計分為兩大部分：大流量液壓泵站和擰緊機主機。為滿足工藝條件，采用“一帶四”作業方式，即：1臺超大流量液壓泵同時驅動4把液壓扳手進行作業，如圖3所示。

圖3 四同步十字形作業示意

3.1 智能型超大流量液壓泵站

智能型超大流量液壓泵站（見圖4）專為配套緊盤螺栓擰緊機而設計，采用雙聯泵組結構，低壓為齒輪泵，高壓為三級柱塞泵。與同類產品相比，輸出流量是普通液壓泵站效率的4～6倍。液壓泵設計了基于PLC的智能控制系統，控制系統帶有人機交換界面，內置組態程序［4］，可以直觀地對整個作業過程進行監控，同時可以對所有數據進行分析、判斷、儲存、導出等。例如：實時扭矩、實時油壓、油溫、油位、螺栓號、運行時長、作業時間、機組信息等。泵站與液壓扳手之間采用閉環同步控制技術，擰緊機的旋轉、認帽采用伺服控制技術。通過按照“三步扭矩值遞增”的“四同步十字形順序擰緊”法對PLC進行編程，實現對擰緊機的自動化控制。

圖4 智能型超大流量液壓泵站

3.2 全自動鎖緊盤螺栓擰緊機

圖5 全自動鎖緊盤螺栓擰緊機

擰緊機由固定環和旋轉環兩部分組成，均采用可打開的分瓣式結構（見圖5）。固定環作用在鎖緊盤的外圓上，旋轉環具有導軌，通過導軌作用在固定環的導輪上，旋轉環可以沿導輪360°旋轉。固定環設計有可徑向調節的夾持機構，可適用于不同外圓直徑的鎖緊盤。固定環上設計有導輪組和伺服旋轉裝置，導輪組與旋轉環的導軌配合，通過智能泵站的PLC控制系統使旋轉環按照控制邏輯自動進行固定角度旋轉，實現扳手套筒的精確換位。固定環設計有推進齒輪箱組和伺服認帽裝置，通過智能泵站的PLC控制系統，實現扳手套筒與鎖緊盤螺栓的認帽和脫帽。旋轉環設計有4套液壓扭矩扳手，呈十字形均布安裝。4把液壓扭矩扳手上安裝傳感器，將傳感器的值通過無線傳輸的方式實時傳輸給PLC，PLC通過設定相關的閾值，比如設定壓力值、設定扭矩值與傳感器輸出的值進行比較，從而控制液壓泵站的運行，與PLC實現閉環控制，精確控制輸出扭矩。扳手與旋轉環之間采用可徑向調節的連接裝置進行連接，可適用于不同螺栓分度圓的鎖緊盤。旋轉環設計有油路分配閥塊，實現為4把液壓扳手同步供油。液壓泵站PLC含數據傳輸裝置，它可以通過無線傳輸的方式，將設備的運行數據傳輸至中控室，實現對設備的監控。

全自動鎖緊盤螺栓擰緊機的優勢有以下幾個方面。

（1）高效：全自動作業，作業效率可提高3～8倍，能在1小時內完成風機鎖緊盤螺栓的擰緊工作。

（2）精確：采用了閉環的控制方式，扭矩輸出精度誤差不超過±3%。液壓扳手采用4把十字型均布設計，可100%實現對角同步擰緊，使鎖緊盤螺栓及內、外錐套受力均勻。自動化作業，避免了由人工操作出現漏緊或者操作不規范等情況。

（3）安全：完全替代傳統的人工擰緊方式，避免人工誤操作造成的安全事故。

（4）便捷：采用雙圓環疊加式設計，便于在狹小空間和封閉的風機主軸上安裝。安裝和拆卸方便快捷，能在短時間內完成以往煩瑣的工作。

（5）通用性：模塊化設計并配置可調機構，可適用與不同尺寸的鎖緊盤結構。

（6）智能：液壓泵站的PLC能夠實時采集相關的數據，聽過組態界面進行監控，同時可以控制伺服旋轉裝置和認帽裝置，實現自動化作業，通過PLC設定的閾值與實測的值進行邏輯比較，控制泵站的運行，實現精確的閉環控制，真正意義上實現設備的智能。

4 結語

隨著全球風電機組的大功率化發展和生產質量意識的提升，為滿足批量化的生產需求，采用高效、智能化的螺栓擰緊工藝及設備是必然趨勢。本文根據全球風電整機制造企業實際生產現狀的不足，研究開發一種全新的鎖緊盤螺栓擰緊工藝和智能化擰緊機，并進行了實際生產驗證，取得了顯著效果。采用該工藝和設備能在自動化情況下1小時內完成原需要3～8小時的作業，實現了高質量、高效率、智能化的生產需要，解決了生產效率低下、人員勞動強度大、人工裝配質量不穩定等問題，且對于全球風電領域的工程實踐有一定指導意義。基于此，應該積極推廣該工藝及設備的應用，讓其發揮出最大的作用，為相關企業創造出更多的經濟價值和社會效益，推動我國風電行業的進一步發展。