李勇 LI Yong；陽(yáng)雪兵 YANG Xue-bing；吳威 WU Wei；蔡帥 CAI Shuai

（哈電風(fēng)能有限公司，湘潭 411101）

1 概述

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各大部件之間主要采用高強(qiáng)度螺栓連接，常用的螺栓緊固方法主要有扭矩法和拉伸法兩種。

扭矩法在緊固螺栓的過(guò)程中需要克服螺紋副之間、螺母與墊圈之間的摩擦力，以及工具擰緊螺栓時(shí)彎曲、扭轉(zhuǎn)變形造成的力矩?fù)p耗。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般只有10%~20%的扭矩轉(zhuǎn)換為螺栓最終的預(yù)緊力，而且預(yù)緊力的分散范圍比較大。

拉伸法避免了螺栓緊固時(shí)摩擦力對(duì)預(yù)緊力的影響，是行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為較優(yōu)的螺栓緊固方式。拉伸法首先將螺栓拉伸后，再將螺母旋至與安裝面貼合夾緊被連接件。在液壓拉伸器的拉伸力卸載后，螺栓、螺母、墊圈、安裝面首次承受載荷而發(fā)生彈性變形，被連接件厚度趨于減薄，螺栓殘余預(yù)緊力小于施工的拉伸力。在拉伸施工后一定時(shí)間內(nèi)，由于螺栓組和被連接件應(yīng)力釋放、安裝面塑性變形，進(jìn)一步加劇預(yù)緊力的衰減。

為了最大程度避免拉伸法對(duì)螺栓預(yù)緊力衰減的影響，本文提出了超張拉伸補(bǔ)償預(yù)緊力衰減的方法，通過(guò)理論假設(shè)和實(shí)際工況驗(yàn)證，對(duì)超張拉伸的參數(shù)選擇、施工過(guò)程、適用范圍做了初步探討，為制定螺栓緊固施工工藝提供依據(jù)。

2 理論模型

螺栓預(yù)緊力的作用是壓緊安裝面，使被連接件在工作載荷作用下仍有足夠的摩擦力抵抗工作載荷的切向分量，避免被連接件之間的滑移，乃至螺栓桿部直接受工作載荷剪切力的破壞，這是決定螺栓緊固時(shí)最小預(yù)緊力的主要因素。

超聲波測(cè)量螺栓預(yù)緊力是一種成熟的測(cè)量技術(shù)，由脈沖發(fā)生器、超聲波拾取器、溫度傳感器、測(cè)量分析軟件等組成[1]，測(cè)量具有無(wú)損、快捷、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的特點(diǎn)。根據(jù)聲彈性原理，在彈性變形范圍內(nèi)超聲波的傳播速度與螺栓所受的應(yīng)力大小成反比，通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定獲得應(yīng)力與超聲波傳遞速度的變化關(guān)系，按照螺栓緊固前和緊固后超聲波軸向傳播時(shí)間差[1]，實(shí)現(xiàn)螺栓預(yù)緊力的高精度測(cè)量。

實(shí)際操作時(shí)，用超聲波測(cè)量?jī)x測(cè)量螺栓在緊固過(guò)程中預(yù)緊力隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)繪制螺栓預(yù)緊力衰減曲線，基于衰減曲線計(jì)算得到預(yù)緊力的衰減比例R。由目標(biāo)預(yù)緊力F0和預(yù)緊力衰減比例R獲得超張拉伸力Fc，以超張拉伸力Fc為最終施工拉伸力對(duì)螺栓進(jìn)行分級(jí)緊固，使螺栓預(yù)緊力衰減后的殘余預(yù)緊力Fw′能夠更加接近目標(biāo)預(yù)緊力F0，降低由于螺栓殘余預(yù)緊力與目標(biāo)預(yù)緊力之間的偏差導(dǎo)致螺栓連接強(qiáng)度不足而引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

F0——目標(biāo)預(yù)緊力，kN；

Fz——補(bǔ)償前，拉伸器加載時(shí)螺栓實(shí)際預(yù)緊力，kN；

Fk——補(bǔ)償前，拉伸器卸載時(shí)螺栓實(shí)際預(yù)緊力，kN；

Fw——補(bǔ)償前，螺栓預(yù)緊力衰減后開(kāi)始趨于穩(wěn)定的預(yù)緊力，kN；

Fc——補(bǔ)償后，拉伸器超張拉伸力，kN；

Fz′——補(bǔ)償后，拉伸器加載時(shí)螺栓實(shí)際預(yù)緊力，kN；

Fk′——補(bǔ)償后，拉伸器卸載時(shí)螺栓實(shí)際預(yù)緊力，kN；

Fw′——補(bǔ)償后，螺栓預(yù)緊力衰減后開(kāi)始趨于穩(wěn)定的預(yù)緊力，kN；

Tk——拉伸器卸載時(shí)螺栓預(yù)緊力急劇衰減結(jié)束的時(shí)間，h；

Tw——螺栓預(yù)緊力衰減后開(kāi)始趨于穩(wěn)定的時(shí)間，h。

圖1是以時(shí)間軸為橫坐標(biāo)、螺栓在加載和衰減過(guò)程中的實(shí)際預(yù)緊力為縱坐標(biāo)建立的坐標(biāo)系[2]，包括以F0和Fc分別進(jìn)行拉伸施工時(shí)的兩條預(yù)緊力衰減曲線，即補(bǔ)償前預(yù)緊力衰減曲線和補(bǔ)償后預(yù)緊力衰減曲線。

圖1 預(yù)緊力補(bǔ)償理論模型

3 驗(yàn)證參數(shù)

3.1 驗(yàn)證工況

預(yù)緊力的衰減是一個(gè)綜合的過(guò)程，受螺栓組和被連接件的質(zhì)量狀態(tài)、施工工具、施工環(huán)境等因素的影響，因此采用實(shí)際工況驗(yàn)證的方式，獲取螺栓在加載后預(yù)緊力的衰減曲線，能夠了解實(shí)際工況下螺栓預(yù)緊力的衰減比例，以便在施工時(shí)直接施加大于目標(biāo)預(yù)緊力的超張拉伸力[2]。

3.2 目標(biāo)預(yù)緊力

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，計(jì)算螺栓的工作載荷時(shí)，螺栓緊固后的預(yù)緊力一般不大于材料屈服極限的80%[3]，本文涉及的高強(qiáng)度螺栓按屈服極限的70%進(jìn)行設(shè)計(jì)。

式中δ——螺栓材料屈服極限，10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓抗拉強(qiáng)度1000MPa，屈強(qiáng)比0.9，屈服強(qiáng)度900MPa；

A——螺栓應(yīng)力截面積，M36螺栓應(yīng)力截面積為817mm2。

即螺栓的設(shè)計(jì)預(yù)緊力為515kN±5%，目標(biāo)預(yù)緊力F0與設(shè)計(jì)預(yù)緊力一致，同時(shí)用于拉伸力補(bǔ)償前的預(yù)緊力衰減數(shù)據(jù)采集。

3.3 施工分級(jí)

在對(duì)螺栓加載的過(guò)程中，螺栓及被連接件發(fā)生彈性形變，內(nèi)部產(chǎn)生較大應(yīng)力，在持續(xù)的預(yù)緊狀態(tài)下應(yīng)力逐步釋放[2]。分多次逐級(jí)對(duì)螺栓進(jìn)行預(yù)緊，每次預(yù)緊后螺栓能夠釋放一部分應(yīng)力，使最終階段加載預(yù)緊力后螺栓釋放的應(yīng)力比例最小[2]，保障螺栓能在安全載荷條件下對(duì)預(yù)緊力衰減進(jìn)行補(bǔ)償。

測(cè)量獲得M36（10.9）螺栓殘余預(yù)緊力比列曲線，在同一施工條件下，將螺栓依次從100kN到600kN進(jìn)行逐級(jí)拉伸，殘余預(yù)緊力比例呈上升趨勢(shì)?？紤]生產(chǎn)效率，驗(yàn)證分三輪逐級(jí)施工，選擇目標(biāo)預(yù)緊力F0作為驗(yàn)證衰減比例和衰減時(shí)間的施工拉伸力。

3.4 衰減時(shí)間

圖2 殘余預(yù)緊力隨時(shí)間變化

通過(guò)預(yù)緊力補(bǔ)償理論模型，在對(duì)螺栓完成緊固后預(yù)緊力會(huì)不斷衰減，經(jīng)歷急劇衰減期、緩慢衰減期，急劇衰減期衰減時(shí)間短、衰減幅度大，緩慢衰減期衰減時(shí)間長(zhǎng)、衰減幅度小，兩者之間有明顯的拐點(diǎn)。

測(cè)量獲得M36（10.9）螺栓24小時(shí)預(yù)緊力連續(xù)衰減曲線，隨著施工時(shí)間的持續(xù)，殘余預(yù)緊力呈逐漸減小的趨勢(shì)，在一定的時(shí)間后曲線趨于水平，當(dāng)12小時(shí)內(nèi)衰減程度不大于施工拉伸力的0.5%時(shí)，認(rèn)為預(yù)緊力已經(jīng)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.5 極限超張拉伸力

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，M36（10.9）螺栓保證應(yīng)力為830MPa，保證載荷即螺栓受載后不發(fā)生永久變形的最大載荷為678kN[3]，因此超張拉伸時(shí)的極限載荷應(yīng)小于678kN。

4 操作步驟

①標(biāo)定獲得螺栓應(yīng)力與超聲波傳播速度的變化關(guān)系，生成標(biāo)定數(shù)據(jù)。②設(shè)置螺栓規(guī)格、被連接件厚度等信息，將雙頭螺栓短頭螺紋擰入工件螺紋通孔內(nèi)，將按法蘭圓周均布的4件螺栓端面作為超聲波拾取器磁吸安裝面。③測(cè)量獲得螺栓緊固前的超聲波傳播時(shí)間、螺栓初始長(zhǎng)度L0數(shù)據(jù)。④將液壓拉伸器與螺栓長(zhǎng)頭螺紋連接，對(duì)工件法蘭面整圈90件螺栓以目標(biāo)預(yù)緊力F0按照十字交叉、對(duì)稱、逐級(jí)進(jìn)行拉伸，第一輪按目標(biāo)預(yù)緊力F0的40%，第二輪按目標(biāo)預(yù)緊力F0的80%，第三輪按目標(biāo)預(yù)緊力F0的100%，獲取加載時(shí)4件螺栓實(shí)時(shí)預(yù)緊力的變化數(shù)據(jù)。⑤擰緊螺母至與安裝面完全貼合后移除液壓拉伸器，等待螺栓預(yù)緊力衰減，獲取衰減過(guò)程中螺栓實(shí)時(shí)預(yù)緊力的變化數(shù)據(jù)[2]。⑥以時(shí)間軸為橫坐標(biāo)、以螺栓在加載和衰減過(guò)程中的實(shí)際預(yù)緊力為縱坐標(biāo)建立坐標(biāo)系，形成預(yù)緊力衰減曲線[2]。⑦基于預(yù)緊力衰減曲線以及預(yù)緊力穩(wěn)定判定條件獲取預(yù)緊力穩(wěn)定時(shí)間Tw，預(yù)緊力穩(wěn)定判定條件為在Tw后實(shí)際預(yù)緊力持續(xù)12小時(shí)衰減程度不大于施工拉伸力的0.5%，Tw對(duì)應(yīng)的實(shí)際穩(wěn)定預(yù)緊力為Fw[2]。⑧根據(jù)目標(biāo)預(yù)緊力F0和實(shí)際預(yù)緊力Fw之間的關(guān)系計(jì)算獲得預(yù)緊力的衰減比例R=（F0-Fw）/F0[2]。⑨通過(guò)目標(biāo)預(yù)緊力F0、預(yù)緊力衰減比例R及超張拉伸力Fc之間的關(guān)系計(jì)算Fc=F0/（1-R）[2]。⑩在新的工件上，用液壓拉伸器對(duì)均勻布置于工件法蘭面整圈90件螺栓按照十字交叉、對(duì)稱、逐級(jí)進(jìn)行拉伸緊固，第一輪按目標(biāo)預(yù)緊力F0的40%，第二輪按目標(biāo)預(yù)緊力F0的80%，第三輪按超張拉伸力Fc。1○計(jì)算預(yù)緊力校驗(yàn)值Fy，基于預(yù)緊力衰減曲線獲取在對(duì)螺栓施加目標(biāo)預(yù)緊力F0時(shí)螺栓的實(shí)際加載預(yù)緊力Fz，根據(jù)目標(biāo)預(yù)緊力F0與實(shí)際加載預(yù)緊力Fz計(jì)算隨機(jī)誤差偏差R1=（F0-Fz）/F0；基于預(yù)緊力衰減曲線獲取移除液壓拉伸器時(shí)螺栓的工具卸載預(yù)緊力Fk，根據(jù)目標(biāo)預(yù)緊力F0、實(shí)際加載預(yù)緊力Fz和工具卸載預(yù)緊力Fk計(jì)算應(yīng)力釋放偏差R2=（Fz-Fk）/F0[2]；根據(jù)目標(biāo)預(yù)緊F0、超張拉伸力Fc、隨機(jī)誤差偏差R1和應(yīng)力釋放偏差R2計(jì)算校驗(yàn)值Fy，F(xiàn)y=F0+Fc（R1+R2）[2]。12○超張拉伸間隔Tw+Tw×10%時(shí)間后，用校驗(yàn)拉伸力Fy對(duì)預(yù)緊后的螺栓數(shù)量抽檢10%進(jìn)行預(yù)緊力校驗(yàn)，若螺母不能轉(zhuǎn)動(dòng)，則確認(rèn)校驗(yàn)合格，若螺母可以轉(zhuǎn)動(dòng)，則確認(rèn)校驗(yàn)不合格，按校驗(yàn)拉伸力Fy對(duì)整圈法蘭面螺栓用十字交叉、對(duì)稱進(jìn)行100%拉伸緊固[2]。13○對(duì)驗(yàn)證工件，按校驗(yàn)拉伸力Fy對(duì)整圈法蘭面螺栓用十字交叉、對(duì)稱進(jìn)行100%拉伸緊固。

5 驗(yàn)證結(jié)果

在某型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂與變槳軸承連接螺栓上進(jìn)行驗(yàn)證，螺栓緊固工具選用杭州雷恩液壓設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的HTE36E液壓拉伸器，內(nèi)插誤差1.2%，重復(fù)性誤差0.6%，按校準(zhǔn)回歸方程計(jì)算拉伸器液壓與拉伸力對(duì)應(yīng)值。預(yù)緊力測(cè)量選用長(zhǎng)沙飚能信息科技有限公司提供的便攜式超聲波測(cè)量?jī)x，校準(zhǔn)精度±1%。

5.1 補(bǔ)償前的拉伸施工（表1、圖3）

表1 補(bǔ)償前拉伸的施工參數(shù)

圖3 補(bǔ)償前拉伸殘余預(yù)緊力

5.2 補(bǔ)償后的拉伸施工（表2、圖4）

表2 補(bǔ)償后拉伸的施工參數(shù)

圖4 補(bǔ)償后拉伸殘余預(yù)緊力

5.3 數(shù)據(jù)分析

拉伸力補(bǔ)償前，在驗(yàn)證工件上按照目標(biāo)預(yù)緊力515kN進(jìn)行最終拉伸施工，獲得殘余預(yù)緊力最大值479.4kN，最小值426.6kN，均值449.3kN，標(biāo)準(zhǔn)差9.86，預(yù)緊力不足，均值小于設(shè)計(jì)要求65.7kN。按照驗(yàn)證工件實(shí)際衰減比例將拉伸力補(bǔ)償了12.4%計(jì)算得超張拉伸力588kN在新的工件上進(jìn)行施工，獲得殘余預(yù)緊力最大值532.6kN，最小值492.7kN，均值513.1kN，標(biāo)準(zhǔn)差9.51，符合設(shè)計(jì)要求。按衰減比例計(jì)算獲得校驗(yàn)拉伸力562kN，在驗(yàn)證工件上對(duì)整圈螺栓進(jìn)行100%校驗(yàn)，螺母可以轉(zhuǎn)動(dòng)約5°~15°，在新的工件上按圓周均布抽檢10%螺栓，螺母不能轉(zhuǎn)動(dòng)。

6 結(jié)論

①超張拉伸能對(duì)螺栓預(yù)緊力的衰減進(jìn)行有效補(bǔ)償，其中超張拉伸力的數(shù)值確定至關(guān)重要。預(yù)緊力的衰減是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，目前建議的方式是在施工經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)際工況驗(yàn)證，并評(píng)估施工工具、螺栓規(guī)格、產(chǎn)品批次、施工工況對(duì)預(yù)緊力的影響，必要時(shí)需對(duì)預(yù)緊力進(jìn)行重新驗(yàn)證。②螺栓的保證載荷決定了螺栓超張拉伸力的上限，長(zhǎng)徑比過(guò)小的螺栓超張拉伸力不能有效補(bǔ)償預(yù)緊力的衰減，行業(yè)規(guī)范《VDI2230高強(qiáng)度螺栓連接系統(tǒng)計(jì)算》也明確指出，螺栓夾緊長(zhǎng)度與螺栓直徑比值小于4時(shí)，不適宜采用拉伸法緊固。③螺栓安裝在盲孔內(nèi)拉伸加載時(shí)，因超聲波拾取器無(wú)法安裝不能實(shí)時(shí)測(cè)量螺栓預(yù)緊力，可考慮將無(wú)線超聲波拾取器安裝在螺栓的拉伸器作用端，或采用超聲波拾取器與拉伸器集成的系統(tǒng)。④用液壓扳手扭矩法緊固螺栓時(shí)，同樣存在預(yù)緊力衰減的問(wèn)題，可以參照本文方案進(jìn)行驗(yàn)證。