螺栓預埋型風電葉片葉根預埋件靜力拉拔測試研究

吳彥波，仇艷龍，謝理國，余 旭，劉 成

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津300480)

螺栓預埋型風電葉片葉根預埋件靜力拉拔測試研究

吳彥波，仇艷龍，謝理國，余 旭，劉 成

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津300480)

預埋葉片的葉根連接分為螺栓與螺栓套金屬件的連接和螺栓套與復合材料間的粘接。該拔出試驗的目的是測量葉根螺栓屈服極限，驗證螺栓套與復合材料的粘接強度強于葉根螺栓的連接。試驗中取葉根圓柱段的 1個螺栓套和兩個 1/2楔形條作為 1個試驗件，置于拉拔試驗機上進行加載。結果表明，預埋螺栓套與復合材料粘接強度隨接觸面積的增大呈線性增加，有效纏紗長度越長，粘接強度越大。預埋螺栓套與復合材料的粘接強度設計值應大于螺栓的屈服載荷，否則預埋結構首先發生破壞。此項研究結果為預埋型風電葉片結構設計優化提供了指導。

復合材料 風電葉片 螺栓預埋 靜力拉拔測試

0 引 言

通常情況下，為研究螺栓套的預埋深度對性能的影響，需要制作不同長度的螺栓套，然后埋入玻璃鋼鋪層中，再進行拉拔性能測試。[1]本次試驗為簡化螺栓套的加工，統一采用 360,mm長的螺栓套，對考察部分進行噴砂、纏纖處理，對不考察部分采用脫模劑并包裹惰性膜處理(即保證該區域無界面強度或者界面強度遠低于考察部分)。

為了驗證 2.5,MW 葉片預埋螺栓套和玻璃鋼界面的結合性能，以及其界面破壞載荷和螺栓屈服載荷的相對關系，進行相關單個螺栓套的拉拔測試試驗。

1 試驗材料(見表1)

表1 材料清單Tab.1 List of materials

2 試驗設備(見表2)

表2 設備清單Tab.2 List of equipment

3 試驗件制作

試驗件的制作參考葉根預埋的鋪層結構，鋪放纖維層、安裝螺栓套、安裝預制玻璃鋼楔條、填充粗紗以及PVC楔條等，如圖1所示。

圖1 預制件結構示意圖Fig.1 Schematic of prefabricated member structure

螺栓套準備過程中，除纏紗區域外，對非考察部分的螺栓套采用脫模劑和包裹塑料膜處理，如圖2所示。由于實際葉片產品中，1個玻璃鋼楔形條對應2個葉片預埋螺栓套，所以對于試驗件的玻璃鋼楔形條寬度須采用產品的一半。

圖2 預埋螺套末端惰性處理Fig.2 Inertia treatment of the end of pre-embedded bolt sleeve

按照產品設計要求鋪放下側纖維布，放置預埋件，放置上側纖維紗，通過真空灌注工藝制作預制件，固化(70,℃下保溫 5,h)后用于拉拔測試(見圖3、4)。

圖3 試驗件制作過程圖Fig.3 Process mapping of test article

圖4 制作完成的試驗件Fig.4 A finished test article

4 拉拔測試

螺栓所能承受的最大極限載荷為：

所使用接螺栓的材料為 42,CrMo，10.9 級，屈服極限為：σS＝930,MPa；

則加載載荷為：F＝σS×(π×d2/4)/1,000，[2]其中 d為螺栓小徑。

試驗螺栓的最小徑為32,mm，強度為10.9級，螺栓的最大屈服載荷約 755.6,kN。考慮到以往的測試經驗，螺栓套和玻璃鋼的界面強度假設取28,MPa，則試驗螺栓屈服載荷對應的有效螺栓套預埋深度為136,mm。因此，本文給出的試驗方案中，螺栓的有效預埋深度須包括 0,mm、50,mm、100,mm、150,mm、200,mm、360,mm 6組數據的試樣破壞載荷。考慮到試驗結果的不確定性，其中 50,mm、200,mm兩組方案主要用于備選。

圖5 拉拔測試過程Fig.5 Pull out test

在拉拔測試(見圖5)中，在兩種情況下試驗加載終止：①螺栓拉斷拔出；②螺栓套拔出。由于無法預先估算螺栓套和復合材料的粘接強度，所以只能用拉拔試驗機緩慢增加加載載荷，直到螺栓破壞或者螺栓套拔出，然后記錄下加載載荷值。

由于此試驗為破壞性試驗，當螺栓套還未拔出，而加載載荷達到755.6,kN時，應減慢加載速度，每加載提高5,kN，即檢查螺栓是否有裂紋。當螺栓上出現肉眼可見的裂紋即可說明螺栓已失效，應停止加載。

失效判定：測量得到葉根連接螺栓的屈服極限，驗證螺栓套與復合材料的粘接強度強于葉根螺栓的連接強度。

5 測試結果

經過拉拔試驗后，主要存在兩種破壞形式，第一種為螺栓套被拔出(見圖 6)；第二種為螺栓拉斷(見圖7)。各試樣件的詳細測量結果見表3。

圖6 螺栓套拔出Fig.6 Bolt sleeve pull out

圖7 螺栓斷裂Fig.7 Bolt sleeve broken

表3 試驗件拉拔測試結果Tab.3 Pull out test result of test pieces

6 結 論

預埋螺栓套與復合材料粘接強度隨接觸面積的增大呈線性增加，有效纏紗長度越長，粘接強度越大。預埋螺栓套與復合材料的粘接強度設計值應大于螺栓的屈服載荷，否則預埋結構首先發生破壞。■

［1］ 張永剛，王淑沅，房灶旺，等. 復合材料夾層結構翼型件的有限元分析[J]. 纖維復合材料，2009(2)：18-20.

［2］ 吳宗澤. 機械設計師手冊[M]. 1版，北京：機械工業出版社，2004：158.

［3］ 史俊虎，林明，吳勝軍，等. 風電葉片葉根連接載荷對比分析[J]. 玻璃鋼/復合材料，2015(5)：54-60.

A Static Drawing Performance Test for Wind Turbine Blade Bolt Embedded Parts

WU Yanbo，QIU Yanlong，XIE Liguo，YU Xu，LIU Cheng
(Tianjin Dongqi Wind Turbine Blade Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300480，China)

The connection of embedded blade root consists of the connection of bolt with its sleeve and the bonding of bolt sleeve to composite material．The purpose of this pull out test is to measure the yield limit of leaf blade，and to verify that bond strength of bolt sleeve and composite material is stronger than that of leaf root bolt．In the experiment，one bolt sleeve and two 1/2 wedge bars were used as a test piece，which was placed on the drawing test machine．The results showed that bonding strength between the embedded bolt sleeve and the composite material increases linearly with the increase of the contact area，and the longer the yarn length，the greater the bonding strength is．The design value of bonding strength between embedded bolt sleeve and composite material should be greater than the yield load of the bolt，otherwise，the structure will be destroyed first．The results of this study may provide guidance for the optimization of the structure design of embedded wind turbine blades.

composite material；wind turbine blade；bolt embedded；static drawing test

TM315

A

：1006-8945(2016)07-0035-03

2016-06-02