風力發(fā)電機組螺柱拉伸工藝試驗研究

李全蘭

(山東中車風電有限公司 技術部，濟南255000)

0 引言

風力發(fā)電機組的關鍵部位多數(shù)采用高強度螺栓進行連接[1]，螺栓連接在風電行業(yè)中應用最為重要[2-3]。隨著我公司市場規(guī)模的不斷擴大，在質(zhì)保期內(nèi)的風電場日益增多，風機出現(xiàn)了變槳軸承與輪轂間螺栓連接斷裂問題，很難確定是設計問題、安裝工藝問題還是螺栓質(zhì)量問題。

為識別、獲取不同緊固方法、順序等對螺栓組內(nèi)各螺栓獲得預緊力的影響[3]，設計了不同形式的工藝方案，進行了相關工藝試驗，通過試驗結果來指導后續(xù)螺栓緊固、檢查及緊固工具選型工作。

1 螺栓組緊固工藝試驗方案策劃

1.1 測量原理

本次工藝試驗預緊力的測量采用超聲測量，在螺栓頭部或螺柱大端端面，粘接壓電陶瓷片，通過探頭與陶瓷片接觸，測得回波時間，進而獲得預緊力。

螺栓在自由狀態(tài)下，螺栓內(nèi)部不存在預緊力，而螺栓在緊固狀態(tài)下，由于預緊力的作用，螺栓將發(fā)生形變，因此此時螺栓的變形量為ΔL，螺栓預緊力測量儀依據(jù)ΔL與預緊力F之間的數(shù)學關系，計算得到預緊力為

式中：F為螺栓的預緊力；E為螺栓材質(zhì)的彈性模量；S為螺栓截面積；ΔL為螺栓的變形量；L為螺栓副的裝夾長度。

依據(jù)式（1），智能螺栓系統(tǒng)依據(jù)ΔL計算得到當前螺栓的預緊力F。

系統(tǒng)發(fā)射和接收超聲波脈沖電信號，測量并計算發(fā)射和回波電信號之間的時間差。螺栓在自由狀態(tài)下，發(fā)射和接收電信號之間的時間差為T0，螺栓在緊固狀態(tài)下，螺栓發(fā)射和接收電信號之間的時間差為T1，由此依據(jù)電信號收發(fā)時間差與螺栓的變形量的關系，得到螺栓的變形量ΔL為

式中，v為機械縱波在螺栓內(nèi)的傳播速度。

最終由智能螺栓系統(tǒng)依據(jù)ΔL并結合式（1）可得到當前狀態(tài)下的智能螺栓的預緊力。測量原理示意圖如圖1所示。

圖1 螺栓預緊力測量儀測量原理

螺栓預緊力測量儀，在螺栓承受高載荷情況下，其測量精度可達±3%；在螺栓承受低載荷情況下，其測量精度可達±5%

1.2 試驗方案策劃

螺栓組測試分為矩形排列螺栓和圓形排列螺栓,矩形排列狀態(tài)和圓形排列狀態(tài)，如圖2、圖3所示。

圖2 矩形排列示意圖

圖3 圓形排列示意圖

工藝試驗策劃如下：1）對于矩形排列，采用由中間到兩邊，十字交叉緊固方式，獲得預緊力的情況；2）對于矩形排列，先采用由中間到兩邊，十字交叉緊固方式，后采用順序緊固方式，獲得預緊力的情況；3）對于矩形排列，采用拉伸器緊固，驗證采用50%、100%拉伸和100%、100%拉伸預緊力獲得情況；4）對于矩形排列，采用由兩邊到中間，十字交叉緊固方式，獲得預緊力的情況；5）對于圓形排列，采用拉伸器緊固，驗證采用50%、100%拉伸和100%、100%拉伸預緊力獲得情況；6）對于圓形排列，采用十字緊固方式，預緊力獲得情況；7）對于圓形排列，采用星型緊固方式，預緊力獲得情況；8）對于圓形排列，按照螺栓組緊固，預緊力獲得情況。

2 矩形試驗

對矩形排列，對緊固螺柱進行編號，編號規(guī)則如圖4所示。

圖4 矩形排列編號規(guī)則示意圖

圖5 矩形排列試驗圖

2.1 試驗1：矩形排列，由中間到兩邊，100%、100%緊固試驗結果如表1所示。

表1 試驗1結果 kN

由試驗1可得出如下結論：1）螺栓組在緊固過程中，每個連接螺栓之間都會彼此產(chǎn)生影響，一般會導致螺栓軸力的減小，最大可減小至約5%，造成該問題的原因應該與工件硬度、平面貼合度相關；2）一直采用十字交叉緊固，會提高螺栓的預緊力，但螺栓預緊力的一致性低于最后一遍按順序緊固的螺栓預緊力的一致性。

2.2 試驗2：矩形排列，由中間到兩邊，100%、100%緊固（第二次）

試驗結果如表2所示。考慮緊固過程中出現(xiàn)壓力降低的因素，由試驗1和試驗2對比可看出：1）在保證螺母無松動的前提下，預緊力的一致性在測量精度范圍內(nèi)，試驗1增加了多緊固一次的工作量；2）16 h內(nèi)的預緊力衰減較小。

2.3 試驗3：矩形排列，由中間到兩邊 ，50% 、100% 兩次緊固到位

表2 試驗2結果 kN

試驗結果如表3所示。由試驗2和試驗3對比，可得出：1）50%、100%分兩次緊固，在增加多緊固一遍的情況下，并未提高獲得預緊力的一致性；2）緊固次數(shù)的增加會提高預緊力的一致性，但隨著次數(shù)的增加，增加量越來越??；3）為提高工作效率，可以通過調(diào)整拉伸器的使用方法提高工作效率；4）17 h內(nèi)預緊力的衰減較小。

表3 試驗3結果 kN

2.4 試驗4：矩形排列，由兩邊到中間，100%、100%緊固

試驗結果如表4所示。由試驗2和試驗4對比可得出：1）先兩邊后中間獲得預緊力的一致性與先中間后兩邊獲得預緊力一致性相比較差；2）2 h內(nèi)預緊力的衰減較小。

2.5 試驗結果

表4 試驗4結果 kN

多螺栓預緊時，螺栓彼此之間會產(chǎn)生影響，導致螺栓整體預緊力下降，預緊力平均值減小3.3%，如圖6所示，螺栓預緊力分布整體偏下；如果想讓螺栓預緊力沿著目標預緊力均勻分布，需要將工具的設置值提高。

試驗2的方法兼顧了工作效率和預緊力一致性，后續(xù)矩形法蘭外載試驗將使用試驗2方法進行螺栓緊固。

表5 矩形法蘭緊固工藝的結果參數(shù)統(tǒng)計

3 圓形試驗

對圓形排列，對緊固螺柱進行編號，編號規(guī)則如圖7所示。

3.1 試驗5：圓形排列，50%、100%預緊力按星形緊固

由試驗5得出：螺栓組在緊固過程中，每個連接螺栓之間都會彼此產(chǎn)生影響，一般會導致螺栓軸力的減小。

3.2 試驗6：圓形排列，星形緊固方法

圖6 矩形排列法蘭螺栓受力圖

圖7 圓形排列編號規(guī)則

圖8 圓形排列試驗圖

表6 試驗5結果 kN

由試驗5和試驗6對比可得出：1）螺栓組在緊固過程中，每個連接螺栓之間都會彼此產(chǎn)生影響，一般會導致螺栓軸力的減小；2）50%、100%分兩次緊固，在增加多緊固一遍的情況下，并未提高獲得預緊力的一致性；3）在螺栓組緊固過程中，每個連接螺栓之間都會彼此產(chǎn)生影響，一般會導致螺栓軸力的減小。

3.3 試驗7：圓形排列，十字緊固方法

1）與星形緊固方法相比，十字緊固能提高工作效率，降低操作的復雜性，但獲得預緊力的一致性與星形緊固方法獲得預緊力一致性相比較差；2）3 h、4 h、6 h內(nèi)預緊力的衰減較小，基本無變化；3）螺栓組在緊固過程中，每個連接螺栓之間都會彼此產(chǎn)生影響，一般會導致螺栓軸力的減小。

3.4 試驗8：圓形排列，兩個一組，按照星形緊固

1）螺栓組在緊固過程中，每個連接螺栓之間都會彼此產(chǎn)生影響，一般會導致螺栓軸力的減?。?）與試驗6星形緊固方法相比，在螺母不松動的前提下，試驗8需要更多的緊固次數(shù)來完成；3）與試驗6相比，在相同緊固次數(shù)下，試驗8方法獲得預緊力的一致性較差。

3.5 試驗結果分析

由試驗8相關數(shù)據(jù)可以得出：1）螺栓組在緊固過程中，每個連接螺栓之間都會彼此產(chǎn)生影響，一般會導致螺栓軸力的減?。?）與試驗6星形緊固方法相比，在螺母不松動的前提下，試驗8需要更多的緊固次數(shù)來完成；3）與試驗6相比，在相同緊固次數(shù)下，試驗8方法獲得預緊力的一致性較差；4）緊固次數(shù)越多，螺栓組預緊力的一致性越高，但增加幅度在兩次后越來越??；5）緊固次數(shù)越多，螺栓組獲得預緊力越大，但是兩次后預緊力的增加很緩慢。

表7 圓形法蘭緊固工藝的結果參數(shù)統(tǒng)計

3.6 圓形法蘭試驗結論

圖9 圓形排列法蘭螺栓受力圖

隨著螺栓數(shù)量增加，螺栓整體預緊力下降比例增大，圓形法蘭預緊力平均值減小6.6%，如圖9所示，螺栓預緊力分布更加偏下；試驗6的方法兼顧了工作效率和預緊力一致性，后續(xù)圓形法蘭外載試驗將使用試驗6方法進行螺栓緊固。

4 結語

1）螺栓組在緊固過程中，每個連接螺栓之間都會彼此產(chǎn)生影響，一般會導致螺栓軸力的減小，減小最大可至約5%，造成該問題的原因應與工件硬度、平面貼合度相關。

2）拉伸器的壓力要嚴格控制，多次100%拉伸可獲得相對穩(wěn)定的預緊力。從操作經(jīng)驗及試驗數(shù)據(jù)可以得出，油壓的設定值對拉伸結果影響大，拉伸時的峰值拉力比穩(wěn)定后的預緊力大20%左右，油壓過大容易使螺栓屈服，要通過試驗確定合理的液壓參數(shù)。

3）拉伸結果與拉伸次數(shù)有關，拉伸1次和2次差異較大，2次以上產(chǎn)生的預緊力相對穩(wěn)定。從螺栓組裝配預緊力分布來看，1次、2次擰緊后螺栓組預緊力分布散差大，多次擰緊后，散差進一步減小。