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《可再生能源法》頒布實施以來，中國風電產(chǎn)業(yè)獲得了平穩(wěn)快速發(fā)展，一方面在關鍵技術和裝備上取得了重大突破，另一方面依托信息化、智能化技術改變了風電傳統(tǒng)的裝配模式。從最開始的人工裝配逐漸轉變?yōu)樽儤S承、偏航軸承、剎車器、齒輪箱、傳動鏈等部件的自動化扭矩裝配，并且正在大力向自動化拉伸裝配方向發(fā)展。其中變槳軸承裝配螺栓緊固數(shù)量最多、拉伸力大、登高作業(yè)占比多，采用自動化拉伸預緊將能很好的解決螺栓預緊精度把控難、裝配效率低下等問題，有必要進行仔細研究。

1 變槳軸承螺栓自動化預緊系統(tǒng)介紹

變槳軸承螺栓自動化預緊系統(tǒng)一般由六自由度的工業(yè)機器人、帶升降功能底座、伺服旋轉工作臺、視覺定位、自動拉伸器、泵站、操作臺、安全光柵等組成。預緊系統(tǒng)應用了自動控制、數(shù)值記錄、數(shù)據(jù)分析等前沿技術，采用聲、光、電等方式相結合，實現(xiàn)系統(tǒng)正常運行、自動識別、自動緊固、智能判斷，具有超限報警、故障顯示、電氣機械安全自動保護、螺栓緊固參數(shù)可設定、擰緊曲線動態(tài)顯示、緊固結果可實時監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)可追溯管理等功能，可實現(xiàn)全自動、無人化的操作或者少量人員輔助操作，為螺栓預緊搭建的一個自動化、信息化的系統(tǒng)。

2 自動拉伸系統(tǒng)的優(yōu)化

自動拉伸器是實現(xiàn)螺栓預緊的執(zhí)行機構，由拉伸缸、拉桿、伺服電機、底座、浮動機構、激光傳感器(視覺相機)等組成，可實現(xiàn)拉桿的自動旋芯、螺母自動鎖緊、并能監(jiān)測拉桿旋入旋出是否到位。

對于浮動機構的作用：預緊系統(tǒng)通過控制機械臂的移動使拉伸器定位到目標螺栓，由于視覺相機精度及執(zhí)行機構誤差等因素的影響，可能會出現(xiàn)定位“偏心”、“平衡度不準”等現(xiàn)象，導致拉伸器關鍵零部件彎曲、變形、密封件磨損等，降低執(zhí)行機構的性能，縮短使用壽命。浮動機構安裝在拉伸器與六軸機械臂之間，正好解決定位偏心的問題，使螺栓在緊固的過程中保持動作平穩(wěn)。浮動機構在允許的偏心范圍內(nèi)可正常工作，當機械臂與拉伸器中心不準時不必微調(diào)也可以實現(xiàn)定位精準。目前，很多浮動機構采用氣缸式結構，雖然緩沖性比較好，但是結構較復雜、成本高、還要外接氣源。其實浮動機構完全可以采用彈簧式結構代替，分為軸向浮動和徑向浮動，結構簡單、易維護，同樣能解決定位不準的問題，該結構已在實際中得到驗證，效果良好。

自動拉伸器的控制系統(tǒng)主要組成部分為單片機、液壓傳感器、A/D、LED、鍵盤及電機等組成。具體控制流程為：當單片機接收到外部輸入的預緊力大小時，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉換變?yōu)閴毫Υ笮。⒂脡毫鞲衅鲗崟r監(jiān)測壓力大小，在電機的帶動下對拉伸器施加壓力，當傳感器監(jiān)測到達到設定壓力后，再通過旋緊螺母對螺栓進行預緊[1]。這樣控制雖然實現(xiàn)螺栓預緊，但是卻無法對拉伸效果進行檢測，所以控制系統(tǒng)除了核心的邏輯控制以及對高壓泵壓力值進行實時監(jiān)控外，還需要在第二三級拉伸過程中對螺母旋轉角度的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，以此來檢測螺栓以及拉伸是否正常，除此之外最重要的一點是還需要對高壓泵的啟停進行實時監(jiān)控。

3 如何減少拉伸回彈量和離散度

在螺栓預緊工作完成之后，留存在變槳軸承連接系統(tǒng)中的載荷是看不見摸不著，是非常難以測量及量化的一個參數(shù)。在泵站配置高精度壓力表的情況下拉伸器一般可以達到≤±1%的預緊精度，對于變槳軸承連接螺栓預緊后是否達到額定載荷的檢測還停留在對高壓泵壓力值的測量上，這個壓力值雖然能比較準確反應出螺栓拉伸的實際拉伸力，但是由于受到螺栓直徑、長度、螺紋形式、接觸面平整度、軸向同軸度等多種因素影響[2]，螺栓拉伸后通常的回彈損失量將達到10%～20%，而通常采取對回彈量的忽視、放大設計余量或者直接取一個經(jīng)驗值來代替，這樣都將會造成拉伸精度的誤差積累，產(chǎn)生一定的拉伸力離散度，從而影響變槳軸承的使用壽命。

一般工程上對于普通公制螺栓使用拉伸器預緊的都會補償一個回彈損失，常推薦公式為[3]：

公式中F為回彈損失系數(shù)，即回彈量，R為螺栓長度和直徑的比值。按公式計算得出的數(shù)據(jù)繪制了表1的曲線，而表2則是經(jīng)過大量工藝試驗結果繪出的曲線。兩者的相同點都是螺栓的長/徑比值越大，回彈量越小。變槳軸承螺栓的長度一般在400～600mm這間，螺栓規(guī)格多為M36或M42，從螺栓的長/徑比值來看都大于10，這是比較適合用拉伸預緊的，產(chǎn)生的回彈也相對較小。兩者的不同點是回彈量數(shù)值相差較大，因為公式中僅理論上表達了螺栓長度對回彈量的影響，而沒有考慮到其它因素，所以說在對螺栓預緊精度要求較高時，一般不能按公式進行取值補償。

對于螺栓是否達到額定載荷，最直觀的拉伸量測量卻是很難做到，關鍵問題是無法對變槳軸承、螺栓、螺母、墊圈等的變形以及間隙消除引起的回彈量進行直接的測量。螺栓拉伸后留存載荷的測量方法有好幾種，如應力感應墊圈、超聲波、應變片等方法，雖然在變槳軸承螺栓預緊過程中無法應用，但是卻有兩種方法可以提高拉伸精度和減少留存載荷的離散度。一是模擬安裝工況，對不同材質、不同批次的螺栓和墊圈做大量的工藝試驗，取得一個比較實際的回彈量，然后在拉伸力設定的時候將此回彈量補償進去，這樣才能有效的保證預緊達到理想的載荷。二是優(yōu)化緊固件結構，變槳軸承的連接普遍采用常規(guī)的墊圈+六角螺栓結構，受墊圈本身硬度、兩個面加工平整度、光潔度以及墊圈和軸承與螺母之間間隙的影響，會造成螺栓拉伸完成卸壓后，產(chǎn)生一定的回彈，而墊圈的平整度和光潔度大小有差異，勢必造成螺栓拉伸力后有一定的離散。對于這種設計，完全可以將墊圈取消，用圓螺母來代替六角螺栓，為了方便自動拉伸旋轉螺母，在圓螺母上方外圓加工出六方即可。同理，變槳軸承連接螺栓之間還應盡量取消其它部件的安裝，比如輪轂罩殼支撐、潤滑分配器支架等。

另外，螺栓預緊是必須要堅持分三級執(zhí)行，一般取50%、75%和100%額定拉伸力，按“米”字型或“星”型預緊，最好是兩臺機器人同時操作，這樣更能有效的保證變槳軸承與輪轂在每個方向上貼合度基本一致，也能先對螺紋、墊圈、螺母、變槳軸承等施加一定的壓力消除一些變形，這樣也可以有效減小回彈量以及拉伸力離散度。

4 提高設備”柔性”，由自動化向智能化發(fā)展

風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)一個“資源換產(chǎn)業(yè)”的潛規(guī)則，各大風電主機廠都在全國各地新建很多裝配生產(chǎn)基地，自動化預緊系統(tǒng)應能夠適應多種型號規(guī)格變槳軸承的裝配，滿足“柔性制造”要求，可以實現(xiàn)跨區(qū)域不同基地之間搬遷，具備短時安裝調(diào)試運行的能力，滿足風電機組產(chǎn)品質量控制，降低運行風險。

變槳軸承自動化拉伸預緊控系統(tǒng)框采用邏輯控制器(PLC)進行系統(tǒng)邏輯控制，需要完成對機器人、升降臺、拉伸器、泵站、工業(yè)相機、觸摸屏、指示燈、安全光柵等各種外設的通訊控制工作。PLC作為核心控制器，需留有通訊接口，接有無線通訊模塊，便于與制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)進行通訊，便于進行生產(chǎn)管理、質量追蹤等集約化生產(chǎn)。

現(xiàn)在的變槳軸承自動化拉伸預緊系統(tǒng)還缺乏對各零部件供應鏈的信息管控、部分裝配人工輔助、拉伸質量監(jiān)控不到位等，能真正實現(xiàn)自動化的少之又少，而采用MES制造管理系統(tǒng)，進行全過程數(shù)據(jù)追溯，將能全面提高產(chǎn)品的質量。自動化預緊系統(tǒng)貼合產(chǎn)品工藝構建MES制造管理平臺，對產(chǎn)品進行數(shù)字標示掃碼錄入，做到每一臺產(chǎn)品的裝配零件的供應商、材質、參數(shù)性能、責任人員、緊固拉伸力、設備耗能進行自動的追溯記錄。在螺栓緊固時全程實時監(jiān)測，自動判定拉伸是否合格，實現(xiàn)自診斷和具備識別功能，防止個別螺栓有缺陷、漏預緊或預緊力不足，避免拉伸器或螺栓出現(xiàn)質量問題造成安全事故，從而才能保證每件產(chǎn)品都能保質保量的進行可控化生產(chǎn)，并有案可稽。

5 總結

變槳軸承螺栓的自動化拉伸預緊最為關鍵的是拉伸精度、效率和質量管控，只有不斷改進優(yōu)化設計結構、加強工藝試驗和信息化建設，逐步引入MES系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)信息管理及調(diào)度的智能化，包括入庫信息錄入自動化，生產(chǎn)過程信息的實時記錄和存儲，生產(chǎn)排產(chǎn)的柔性調(diào)度，生產(chǎn)工藝文件的發(fā)布等智能管理，從而才能大大提高整個裝配過程的質量和生產(chǎn)效率。