淺析液壓拉伸器與液壓力矩扳手在風力發電機組安裝過程中的應用

劉招著

（中閩（霞浦）風電有限公司 福建霞浦 355100）

淺析液壓拉伸器與液壓力矩扳手在風力發電機組安裝過程中的應用

劉招著

（中閩（霞浦）風電有限公司 福建霞浦 355100）

本文主要分析液壓拉伸器與液壓力矩扳手在風力發電機組螺栓聯接中的預緊力控制及應用的不同，進而提出合理正確的選用工具有助于我們保證施工進度，提高施工效率，確保施工質量以及風機的安全穩定、長周期運行。

風力發電機組；螺栓緊固；液壓拉伸器；液壓力矩扳手

風力發電機組安裝過程各重要部位多采用螺栓聯接，在螺栓緊固過程中，一般都有預緊力要求。大型的螺栓聯接至關重要，必要的預緊力控制是保證聯接可靠性、緊密性的重要條件。本文主要分析液壓拉伸器與液壓力矩扳手在風機安裝過程中應用的不同之處。

1 兩種風電機組裝配螺栓擰緊方法預緊力控制淺析

1.1 扭矩擰緊法

目前，在風電行業中最為廣泛使用的螺栓聯接預緊工藝為扭矩擰緊法；通過扭矩扳手設定的扭矩值，將扭矩間接轉換為拉伸力以實現對螺栓的預緊，其優點是簡單、直觀。液壓扳手有驅動式液壓扭矩扳手和中空式液壓扳手兩大系列。驅動式液壓扭矩扳手配合標準套筒使用，為通用型液壓扳手，適用范圍廣，可幾乎應用于風機安裝中各大規格螺栓連接部位的緊固。中空液壓扳手厚度較薄，特別適用于空間比較狹小的地方，如風力發電機組的輪轂與葉片連接處。

液壓扭力扳手工作原理：液壓扭力扳手是由工作頭、液壓泵以及高壓油管組成。通過高壓油管，液壓泵將動力傳輸到工作頭，驅動工作頭旋轉螺母的擰緊或松開。

由于液壓扭力扳手產生的擰緊力矩T作用，使螺栓和被聯接件之間產生預緊力F0。由《機械原理》可知，擰緊力矩T等于螺旋副間的摩擦阻力矩T1和螺母環形端面與被聯接件（或墊圈）支撐面間的摩擦阻力矩T2之和[1]，公式如下：

式中：d——螺紋公稱直徑，mm；

F0——預緊力，N；

K——擰緊力矩系數。擰緊系數K與螺紋表面及法蘭的粗糙度、潤滑狀況、擰緊速度、使用工具和環境溫度等因素都有關，通常在0.1～0.3之間變化。在一定的擰緊力矩下，預緊力變化比較大，故通過擰緊力矩來控制螺栓預緊力的精度不高，其誤差約為±25%，最大可達±40%。一般來說，控制擰緊力矩精度較高的工具是測力矩扳手和限力矩扳手。

1.2 液壓拉伸預緊法

螺栓液壓拉伸器工作原理：螺栓液壓拉伸器簡稱螺栓拉伸器，由液力升壓泵（超高壓油泵）產生的油壓，通過油管傳送到拉伸器的活塞面上，通過液壓拉伸器上的拉伸頭與被拉伸螺栓相互作用而使螺栓拉伸，達到設定壓力后，通過撥棒或扳手旋緊螺母，使螺母與被緊固件表面正確貼合，泄壓后達到緊固螺母的目的。液壓拉伸器構成如圖1所示。

由于受到螺栓直徑、長度、螺紋形式、螺距、對接面的條件、軸向同軸度等多種因素影響，最終螺栓上獲得的軸力并不等于開始時液壓缸作用在螺栓上的力，有一定的損失。在工程上，液壓拉伸器的設定拉力Fh一般要大于預緊力F0，兩者之間的比值主要和螺栓夾緊部分的長細比有關，對于普通公制粗牙螺栓，推薦公式為：

式中：G-為螺栓夾緊部分的長細比，即螺栓夾緊部分長度/螺栓公稱直徑，如圖2所示；Lk-為螺栓夾緊部分長度，mm；d-螺栓公稱直徑，mm；Fh-液壓拉伸器的設定拉力，N；F0-：螺栓預緊力，N。

圖1 液壓拉伸器的組成結構圖

按照公式（2）計算，以長細比（G）為橫坐標，設定拉力值與預緊力比值（Fh/F0）為縱坐標，得到兩者關系曲線如圖2。

圖2 Fh/F0與夾緊部分長細比（R）的關系

因此對于不同螺栓夾緊部分長度和直徑的風機螺栓聯接部位，可根據要求的螺栓預緊力F0，通過公式（2）計算出液壓拉伸器的設定拉力Fh。

由以上對扭矩擰緊法和液壓拉伸預緊法分析可知，采用扭矩法預緊螺栓中影響擰緊系數K的因素太多，而且很多因素具有不可控性，在同一施工扭矩下，螺栓預緊力只能控制在一定的范圍內，而不能獲得設計所要求的軸向拉伸力，而導致螺栓欠擰或超擰，隨之螺栓將發生松動或破壞螺栓，保證不了連接強度和質量。相比扭矩法，使用液壓拉伸器時設定的拉力與拉伸得到的預緊力向對應，直接將螺栓拉伸到規定的預緊力；此方法對預緊力的控制較為準確，但是受到安裝位置和空間的限制，風力發電機組只能在部分連接處使用液壓拉伸法進行預緊。

2 液壓拉伸器與液壓力矩扳手在風機螺栓聯接中特點分析

（1）沿海地區鹽霧腐蝕嚴重，風機聯接螺栓一般涂有防腐涂層保護，常為達克羅或鍍鋅層；使用扭矩扳手緊固時，螺母外表面涂層容易被破壞，從而影響螺母的防腐效果。但是使用液壓拉伸法緊固，由于螺母套傳遞給螺母的扭矩非常小，因此不會破壞螺母的防腐涂層。

（2）螺栓拉伸器使用純拉力直接拉長螺栓，無扭剪力和側向力，對聯接的接觸面無摩擦損傷，是精確控制螺栓預緊力的最佳方法。比起液壓扭矩扳手，優點是反應迅速、精確，無扭轉應力、無摩擦損傷、可同步預緊多個螺栓（采用油管分配器）。

（3）液壓扭力扳手通用性好，而螺栓拉伸器的拉伸管要和螺栓螺距等匹配，一對一匹配螺紋，通用性不好；對于通過液壓拉伸器安裝的螺栓，在后期的維護、更換中，也必須使用拉伸器進行緊固。

（4）使用液壓拉伸器比液壓力矩扳手工期長

某2.5MW直驅型風力發電機組安裝工程，其風機各高強連接螺栓部位均是按階段、次序、多個循環地緊固；除輪轂與葉片間的連接螺栓采用中空液壓扳手緊固外，其余各連接部位均要求采用拉伸器緊固。

經筆者于施工現場統計測算，同樣的一批工作人員，使用液壓扭矩扳手緊固M36輪轂與葉片間的連接螺栓時，平均36s緊固1個螺栓；使用氣動液壓拉伸器（此工具由地錨籠廠家配套提供）緊固基礎與1段塔筒之間連接螺栓時，平均180s緊固2個螺栓（使用分配器同步預緊2個螺栓）；使用電動液壓拉伸器（此工具由風機廠家配套提供）緊固其余高強連接螺栓時，平均110s緊固2個螺栓（使用分配器同步預緊2個螺栓）。因此相比使用液壓拉伸器緊固此直驅型風機吊裝連接部位的螺栓，若使用1套液壓扳手工作，不考慮其他因素的影響下，緊固時間將直接減少：26.83-15.12=11.71d，約1.5個工作日；若同時使用多套液壓扳手進行各安裝平臺緊固螺栓，將大大減少吊裝時間。

因風機安裝工藝要求為最后一段塔架和機艙需在同一天吊裝完成，若在緊固螺栓工序中多出的工作時間內又受到如大風、降雨等天氣影響，將明顯影響施工進度、增加工期。因此施工隊伍在投標時應注意所吊裝的風機是否要求使用液壓拉伸器緊固風機聯接螺栓，此項關鍵工序將影響著施工進度和成本。

3 結論

螺栓拉伸器相比起液壓扭矩扳手，表面防腐層不易破壞，操作簡單、對螺栓聯接副無扭矩系數要求、螺栓受力簡單、預緊力精度高、螺栓不易松動、后期維護量小、安裝時費時多；針對不同風機廠家要求及現場情況，合理正確的選用工具有助于我們保證施工進度，提高施工效率，確保施工質量以及風機的安全穩定、長周期運行。

[1]戈豐來，徐慶坤.力矩扳手的力矩計算[J].機械制造，2002（4）：45～47.

TM315

A

1004-7344（2016）13-0223-02

2016-4-15

劉招著（1985-），男，福安人，助理工程師，本科，研究方向為機電工程。