何家瑩，陳中亞，應(yīng)華冬，羅勇水

（浙江運達風(fēng)電股份有限公司和浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州310012）

0 前言

風(fēng)力發(fā)電機組裝配過程中，較多核心部件的連接均采用大六角高強度螺栓，例如：塔筒螺栓連接、槳葉螺栓連接、變槳軸承與輪轂螺栓連接等等，這些關(guān)鍵位置螺栓連接后的預(yù)緊力值的大小和分散度直接決定著機組的載荷傳遞和運行安全[1，2]。假如螺栓預(yù)緊力過大而超出螺栓的屈服極限，螺栓會產(chǎn)生塑性變形，容易斷裂；假如螺栓預(yù)緊力未達到規(guī)定的大小，伴隨風(fēng)電機組交變載荷的作用，螺栓容易產(chǎn)生松動，增大機組運行的危險性[3-6]。

國內(nèi)高強度螺栓連接普遍采用扭矩擰緊法，其原理是根據(jù)扭矩來間接控制螺栓預(yù)緊力[7]，但由于螺栓螺紋面和墊片接觸面之間摩擦系數(shù)的離散性，對螺栓實施相同的扭矩，預(yù)緊力的誤差可能會較大。各風(fēng)電主機廠商采購高強度螺栓時會要求螺栓制造廠提供螺栓扭矩系數(shù)實驗室抽檢測試報告，由于實驗室與實際現(xiàn)場裝配環(huán)境和操作工藝等方面存在較大的差異，得到的實驗數(shù)據(jù)只能作為參考[5]。

為了檢測實際現(xiàn)場裝配中扭矩擰緊法控制螺栓預(yù)緊力的效果，本研究選用2.0 MW風(fēng)電機組的變槳軸承與輪轂的連接位置進行測試，研究5種螺栓扭矩擰緊方法條件下的螺栓預(yù)緊效果，同時研究螺栓預(yù)緊次數(shù)和二硫化鉬涂抹方式對螺栓實際預(yù)緊力的影響。

1 實驗方法

1.1 實驗材料與工具

本次實驗的實驗材料主要有：（1）2臺待裝配的2.0MW輪轂及6個配套的變槳軸承；（2）450顆定制螺栓，選用同一批次號的“GB/T 5782-2000螺栓M36X335-10.9-dc71”，按圖1要求兩端車平，該批次螺栓連接副扭矩系數(shù)實驗出廠檢驗數(shù)據(jù)見表1；（3）450個普通墊片；（4）型號為LPS04110的二硫化鉬。

圖1 定制螺栓制備要求

表1 螺栓連接副扭矩系數(shù)出廠檢驗

本次實驗的實驗工具主要有：（1）超聲波測試儀，如圖2所示，儀器精度±2%；（2）有靠臂液壓扳手，儀器精度±3%；（3）手動扳手（配套筒 M36）。

圖2 超聲波測試儀Boltight Echometer

1.2 實驗工況與步驟

將450顆定制螺栓平均分為5組（每組90顆），分別標(biāo)記組號為A、B、C、D、E，各組螺栓分別編號為A1～A90、B1～B90、C1～C90、D1～D90 、E1～E90。實驗中各組螺栓編號及安裝順序如圖3所示。用超聲波測試儀分別測量5組螺栓的初始長度，5組螺栓分別按照表2中二硫化鉬涂抹方式（全涂抹：螺栓螺紋面和墊片接觸面均涂抹二硫化鉬；半涂抹：僅在螺栓螺紋面涂抹二硫化鉬）和預(yù)緊力次數(shù)及力矩值進行預(yù)緊，預(yù)緊后立即用超聲波測試儀分別測量5組螺栓伸長量。

圖3 螺栓安裝位置及編號順序

表2 實驗分組

1.3 實驗數(shù)據(jù)處理

（1）目標(biāo)預(yù)緊力

本次實驗的目標(biāo)預(yù)緊力為螺栓材料屈服強度的70%，即：

其中：Qm為目標(biāo)預(yù)緊力，kN；As為螺栓應(yīng)力截面積，mm2；σs為螺栓材料屈服強度，MPa。

已知本實驗螺栓應(yīng)力截面積As=816.7 mm2，螺栓材料屈服強度σs=940 MPa，計算可得目標(biāo)預(yù)緊力Qm=538 kN。

（2）螺栓擰緊力矩

扭矩擰緊法擰緊螺栓時擰緊力矩計算公式如下：

其中：M為擰緊力矩，N·m；Q 為預(yù)緊力，kN；K為扭矩系數(shù)；d為螺栓公稱直徑，mm。

由式（1）計算得本實驗螺栓目標(biāo)預(yù)緊力Qm=538 kN，該批次實驗螺栓平均扭矩系數(shù)理論值為K=0.13，本實驗螺栓公稱直徑d=36 mm，可計算得擰緊力矩為2 518 N·m，即為表2中的額定力矩。

（3）螺栓預(yù)緊力計算

螺栓伸長量ΔL與預(yù)緊力Q的關(guān)系如公式（3）所示：

其中：Q為預(yù)緊力，kN；L為螺栓夾持長度，mm；ΔL為螺栓變形伸長量，mm；E為彈性模量，MPa；As為螺栓應(yīng)力截面積，mm2。

已知本實驗測試螺栓的夾持長度L=299 mm，彈性模量E=210 MPa，應(yīng)力截面積As=816.7 mm2，根據(jù)實驗測得的螺栓伸長量ΔL可以計算出螺栓的預(yù)緊力Q。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 預(yù)緊力分布和預(yù)緊效果評價

如圖4～圖8所示為5組實驗螺栓預(yù)緊力分布統(tǒng)計直方圖，經(jīng)檢驗5組螺栓預(yù)緊力分布均服從正態(tài)分布。5組螺栓預(yù)緊力與目標(biāo)預(yù)緊力538 kN的最大正偏差、最大負偏差和平均偏差如表3所示。其中A組和B組螺栓預(yù)緊力與目標(biāo)預(yù)緊力最大正偏差分別為21.4%和27.0%、最大負偏差分別為16.2%和13.0%、平均偏差分別為7.7%和8.6%，A組和B組螺栓預(yù)緊效果相近，預(yù)緊力介于螺栓屈服強度767 kN的60%～90%之間；C組螺栓預(yù)緊力均高于目標(biāo)預(yù)緊力，最大正偏差56.9%，平均偏差26.0%，多顆螺栓預(yù)緊力超出螺栓屈服強度767 kN；D組和E組螺栓預(yù)緊力均低于目標(biāo)預(yù)緊力，最大負偏差分別為74.7%和66.5%，平均偏差分別為54.7%、51.6%，D組和E組與目標(biāo)預(yù)緊力相差較大，平均預(yù)緊力僅為目標(biāo)預(yù)緊力的一半左右，介于屈服強度767 kN的50%～70%之間。

圖4 A組實驗螺栓預(yù)緊力分布統(tǒng)計直方圖

圖5 B組實驗螺栓預(yù)緊力分布統(tǒng)計直方圖

圖6 C組實驗螺栓預(yù)緊力分布統(tǒng)計直方圖

圖7 D組實驗螺栓預(yù)緊力分布統(tǒng)計直方圖

圖8 E組實驗螺栓預(yù)緊力分布統(tǒng)計直方圖

表3 5組螺栓預(yù)緊力與目標(biāo)預(yù)緊力偏差

表4給出了各組螺栓預(yù)緊效果評價，其中A組和B組螺栓預(yù)緊效果較好，C組、D組和E組預(yù)緊效果較差。

表4 各組螺栓預(yù)緊效果評價表

2.2 預(yù)緊次數(shù)對螺栓預(yù)緊效果的影響

圖9和圖10給出了預(yù)緊次數(shù)對螺栓預(yù)緊力和扭矩系數(shù)的影響，結(jié)合表4中A組、B組、C組的平均預(yù)緊力和平均扭矩系數(shù)可知，在相同擰緊力矩時，隨著預(yù)緊次數(shù)的減少，螺栓的預(yù)緊力呈增大趨勢，螺栓的扭矩系數(shù)呈減小趨勢，由分3次預(yù)緊減為分2次預(yù)緊時，螺栓的預(yù)緊力增大和扭矩系數(shù)減小比例均較小，在5%以內(nèi)。而當(dāng)由分2次預(yù)緊減為分1次預(yù)緊時，螺栓的預(yù)緊力增大和扭矩系數(shù)減小比例較大，達到20%左右。研究結(jié)果表明：相同擰緊力矩下，對變槳軸承與輪轂連接螺栓分3次和2次預(yù)緊，螺栓預(yù)緊力均貼近目標(biāo)預(yù)緊力，預(yù)緊效果基本相同；而分1次預(yù)緊時螺栓預(yù)緊力偏離目標(biāo)預(yù)緊力較多，且分散度較大，預(yù)緊效果較差。

圖9 預(yù)緊次數(shù)對螺栓預(yù)緊力的影響

圖10 預(yù)緊次數(shù)對螺栓扭矩系數(shù)的影響

2.3 二硫化鉬涂抹方式對螺栓預(yù)緊效果的影響

圖11 和圖12給出了二硫化鉬涂抹方式對螺栓預(yù)緊力和扭矩系數(shù)的影響，由圖可知，在相同擰緊力矩時，A組和B組螺栓螺紋面和墊片接觸面均涂二硫化鉬（全涂抹）時，螺栓預(yù)緊力更貼近目標(biāo)預(yù)緊力，螺栓扭矩系數(shù)更貼近理論扭矩系數(shù)；而D組和E組僅在螺栓螺紋面涂二硫化鉬（半涂抹）時，螺栓預(yù)緊力僅為目標(biāo)預(yù)緊力的一半左右，螺栓扭矩系數(shù)為理論扭矩系數(shù)的兩倍左右。研究結(jié)果表明：二硫化鉬涂抹方式對螺栓預(yù)緊力和扭矩系數(shù)影響較大，為了使螺栓預(yù)緊力更貼近目標(biāo)值，在實際的裝配工藝中應(yīng)采用全涂抹方式。

圖11 二硫化鉬涂抹方式對螺栓預(yù)緊力的影響

圖12 二硫化鉬涂抹方式對螺栓扭矩系數(shù)的影響

3 結(jié)束語

本研究采用了超聲波測螺栓預(yù)緊力的方法，比較研究了實際現(xiàn)場裝配中扭矩擰緊法控制螺栓預(yù)緊力的效果。主要得出以下結(jié)論：

（1）額定擰緊力矩、螺栓全涂抹條件下，對變槳軸承與輪轂連接螺栓分3次預(yù)緊和分2次預(yù)緊，螺栓所獲得的預(yù)緊力分布均貼近目標(biāo)預(yù)緊力，預(yù)緊效果基本相同，螺栓裝配工藝中可以將分3次預(yù)緊調(diào)整為分2次預(yù)緊，節(jié)省裝配時間。

（2）二硫化鉬涂抹方式對螺栓預(yù)緊力和扭矩系數(shù)影響較大，螺栓全涂抹時螺栓的預(yù)緊效果要明顯好于螺栓半涂抹，為了使螺栓預(yù)緊力更貼近目標(biāo)值，在實際的裝配工藝中應(yīng)采用全涂抹方式。