文 | 王洪波，楊少華，任俊祺，盧晟

大型風電機組的關鍵部位大多采用高強度螺栓聯(lián)接，為保證聯(lián)接的質量，需采用可靠的緊固工藝。拉伸法是通過拉伸工具直接將螺栓（一般使用雙頭螺柱）拉長產(chǎn)生夾緊力，由于緊固過程中只有軸向拉伸，沒有扭轉運動并且不需要考慮摩擦的影響，拉伸力更容易得到控制。因此，拉伸法越來越多地應用于風電機組關鍵部位聯(lián)接。

根據(jù)拉伸工藝特點，為了獲得目標預緊力，螺栓拉伸時，需要有一定的“超拉”，即預拉力要大于螺栓的目標預緊力，才能保證卸壓后回彈到目標預緊力，但目前行業(yè)通常根據(jù)工程經(jīng)驗進行預拉力的確定，存在一定局限性。

工程經(jīng)驗認為，預拉力F和目標預緊力F0（在此定義預拉力F和目標預緊力F0的比值為“超拉系數(shù)”）需要滿足以下關系式：

式中，Lk為螺栓的有效拉伸長度，d為螺栓的公稱直徑?？梢?，變量僅考慮了螺栓長度、直徑等因素，而拉伸法因其先拉伸后卸壓回彈的工藝特點，不同工況的螺栓目標預緊力及回彈量可能受到預拉力、拉伸次數(shù)、時效性等因素影響，因此，本文采用應變法定量測試某大型風電機組的螺栓拉伸工藝，為制定合理的螺栓拉伸緊固工藝提供依據(jù)。

試驗過程

設計螺栓拉伸試驗工裝模擬實際工況，通過拉伸器對20組螺栓施加載荷，采用應變法對某大型風電機組的高強度螺栓M36×345拉伸緊固時的應變量進行測量，記錄不同拉伸載荷下應變量的變化，圖1為拉伸應變測試示意圖。

圖1 拉伸測試示意圖

一、試驗原理

將應變片粘貼在試件表面，接入測量電路，隨著試件受力變形，應變片的敏感柵也隨之變形，致使其電阻值發(fā)生變化。此電阻值的變化與構件表面應變成比例，應變片電阻變化產(chǎn)生的信號經(jīng)電路放大后，由指示儀記錄。通過對電學量的分析，即可得出試件力學量的變化，如圖2所示。試驗所用儀器設備如表1所示。

圖2 應變測量原理

表1 儀器設備及型號

二、試驗方案

根據(jù)某大型風電機組的螺栓環(huán)形分布情況，本次試驗共設置20組（總量的1/4）螺栓拉伸試驗，具體步驟為：（1）在螺栓的1/2處粘貼應變片，打磨沿螺栓軸線45°方向交叉進行，打磨至粘貼面呈細密、均勻的交叉網(wǎng)紋狀，粗糙度滿足Ra6.4要求。（2）用502膠將應變片粘貼在螺栓試件表面，將應變片的兩根引線與外接導線焊接，并對螺栓試件進行編號。（3）連接應變片、靜態(tài)應變儀和計算機，輸入各測點的電阻值、靈敏系數(shù)。（4）采樣前對螺栓試件進行3次預加載，以消除初始加載時的誤差，預加載荷產(chǎn)生的應變約為1000μm/m。（5）開始采集數(shù)據(jù)，加載過程分6級，從100kN開始，每級增加100kN，加載至600kN，記錄并保存不同載荷及時效下每個測點的數(shù)據(jù)。（6）測量完畢后，關閉電源。依次拆除應變片、靜態(tài)應變儀和計算機的數(shù)據(jù)線，清點儀器和配件。

結果分析

一、與VDI2230標準計算對比

采用行業(yè)認可的《VDI2230高強度螺栓連接系統(tǒng)計算》標準，計算拉伸工況下螺栓的應變，并與試驗值進行對比，以驗證試驗的準確性。

螺栓在拉伸緊固時發(fā)生彈性變形，根據(jù)胡克定律：

式中，F(xiàn)為預拉力，即拉伸器的拉伸載荷；K為螺栓剛度；ε為螺栓應變。

將式（2）進行變換可得：

模擬實際工況，螺栓安裝尺寸如圖3所示。

根據(jù)VDI2230標準5.1.1章的公式：

式中，δs為整個螺栓的柔度，δGM1為基體旋合段柔度，δ1為光桿段柔度，δGew為螺紋未旋段柔度，δGM2為拉伸器旋合段柔度。

上式第一項δGM1為δG1與δM1的加和。

公式（4）其他三項的計算結果：

圖3 螺栓安裝尺寸

表2 VDI2230標準計算應變與實測平均應變對比

拉伸器壓力由20MPa逐級加載至120MPa過程中計算的理論應變與20組螺栓實測的平均應變如表2所示。

由上述統(tǒng)計結果可知，與VDI2230標準計算應變相比，實測值平均應變量的最大相對誤差為9.7%，最小相對誤差為1.33%?？紤]拉伸器精度誤差±3%、讀數(shù)精度誤差±3%等影響，采用應變法所測結果最大相對誤差約3.7%，試驗測量結果可靠。

二、與經(jīng)驗公式超拉系數(shù)對比

對螺栓進行拉伸緊固時，施加的載荷不能超過螺栓材料的屈服強度（10.9級的M36×345螺栓保證載荷為678kN）。因此，對螺栓施加678kN拉伸載荷，測量螺栓在拉伸工步和泄壓工步下的應變量。將拉伸工步的應變命名為拉伸應變ε1，將泄壓工步的應變命名為剩余應變ε2，那么，超拉系數(shù)的計算如下式所示：

取20組螺栓的應變平均值，測量結果如表3所示。根據(jù)經(jīng)驗公式（1）計算超拉系數(shù)，結果如表4所示。

由上述結果可知，超拉系數(shù)的經(jīng)驗值為1.170，相對實測值1.281小8.6%。因此，如按經(jīng)驗公式設置預拉力，將導致目標預緊力小8.6%，如再考慮拉伸器精度誤差±3%、讀數(shù)誤差±3%以及不同螺栓超拉回彈偏差等，累計誤差將超過VDI2230標準設計計算所給的拉伸法離散度要求±16%。因此，在制定螺栓拉伸緊固工藝時，應進行試驗測量，并以試驗測量值為準。

表3 超拉系數(shù)的試驗值

表4 超拉系數(shù)的經(jīng)驗值

表5 拉伸次數(shù)對載荷剩余比的影響

三、螺栓剩余載荷的影響因素分析

分析螺栓拉伸應變測試結果可知，螺栓拉伸-卸壓后的剩余載荷還受到拉伸力大小、拉伸次數(shù)和時效作用的影響，具體分析見下文。為便于表述，在此定義剩余應變ε2與拉伸應變ε1的比值為螺栓載荷剩余比：

式中，ω為螺栓載荷剩余比。

（一）拉伸力對螺栓載荷剩余比的影響

拉伸器拉力由100kN逐級加載至600kN的過程中，拉伸力與螺栓載荷剩余比關系如圖4所示。

由圖4可知，隨著拉伸力的逐漸增大，M36×345螺栓載荷剩余比逐漸增大并趨于穩(wěn)定值0.8，即相同工況條件下，隨著拉伸力的增大，螺栓超拉系數(shù)會隨預緊力的增加而逐漸變小。

圖4 拉伸力大小對載荷剩余比的影響

（二）拉伸次數(shù)對螺栓載荷剩余比的影響

對上述20組螺栓分別先后三次施加678kN的拉伸力，通過應變量測定，計算三次載荷剩余比，如表5所示。

由上述結果可知，載荷剩余比隨拉伸次數(shù)增加而增大，標準差隨拉伸次數(shù)增加而減小，說明螺栓拉伸-泄壓后的剩余載荷在增大，且越來越穩(wěn)定。而第二次拉伸和第三次拉伸結果基本相同，因此，施加螺栓目標預緊力時建議拉伸2次。

（三）時效作用對螺栓剩余載荷的影響

螺栓拉伸緊固完后，測量螺栓應變隨時間的變化，如圖5所示。

由圖5可知，螺栓應變隨時間增加而減小，最終在20h后趨于穩(wěn)定。統(tǒng)計20組螺栓試驗結果，平均應變值減小了70，對應的載荷減小1.68%。可知，螺栓載荷在螺栓緊固完成后會隨時間逐步減小，并在20h后趨于穩(wěn)定。

圖5 螺栓應變隨時間的變化

結論

本文以某大型風電機組用M36×345螺栓拉伸測試為例，通過螺栓拉伸緊固應變測試，定量分析了螺栓拉伸工藝的超拉系數(shù)、拉伸力大小、拉伸次數(shù)、時效作用等影響因素，對有效控制拉伸工藝有一定指導意義。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)：

（1）螺栓拉伸緊固應變測試法可行，對不同規(guī)格螺栓拉伸緊固工藝的制定具有指導意義：通過設計螺栓拉伸試驗工裝，可實測得到不同螺栓預緊力下的應變量，且實測結果與按VDI2230標準理論計算結果相近，試驗結果可靠。

（2）根據(jù)螺栓拉伸工藝的經(jīng)驗公式計算所得超拉系數(shù)較應變法實測值小，存在螺栓預緊力不達標風險。通過試驗研究可知，M36×345(10.9)螺栓超拉系數(shù)的經(jīng)驗值1.170較試驗值1.281小了8.6%，綜合拉伸器精度、裝配精度等因素，存在預緊力超差風險。因此，制定拉伸工藝時有必要經(jīng)實測得出超拉系數(shù)。

（3）螺栓拉伸-卸壓后剩余載荷受拉伸大小、次數(shù)、時效作用影響，需要根據(jù)實測分析進行確認：螺栓載荷剩余比隨拉伸力和拉伸次數(shù)的增加而增大，并趨于穩(wěn)定；剩余載荷量隨時間增加而減小，并在20h后趨于穩(wěn)定。

攝影：孫佳