風電機組變槳軸承螺栓擰緊工藝優(yōu)化研究

文 | 任延博，韓銳，趙爽

（作者單位：國電聯(lián)合動力技術有限公司）

隨著風電機組技術的不斷發(fā)展，單機功率持續(xù)提升，輪轂的外形尺寸不斷增大（以3.0MW機型為例，軸承頂端螺栓距離地面約4.5m），變槳軸承螺栓的數(shù)量亦不斷增加，這對變槳軸承螺栓的擰緊工藝提出了更高的要求。

國家標準GB/T19568―2017《風力發(fā)電機組裝配和安裝規(guī)范》中第3.2條（裝配連接要求）中對于呈環(huán)形分布的多顆螺栓的擰緊工藝只做了原則要求，沒有進行詳細說明。為了保證多顆螺栓擰緊后的預緊力均勻分布，螺栓的擰緊順序如圖1所示。

此方法可以最大限度地保證螺栓預緊力的均勻分布，但在實際執(zhí)行中有兩個困難：一是螺栓的擰緊順序復雜，找位困難；二是輪轂與變槳軸承的高度高，操作人員需要往復地上下攀爬，才能保證螺栓按照規(guī)定順序擰緊，不僅勞動強度大，且操作人員在上下攀爬過程中也存在安全隱患。

為此，本文提出一種優(yōu)化方法，優(yōu)化后的擰緊順序如圖2所示：首先擰緊8顆螺栓，使其呈“米”字形均勻分布，8顆螺栓將環(huán)形分布的多顆螺栓平均分成8等份，將每等份內的螺栓依次擰緊，8段螺栓仍然依照“十”字交叉對角擰緊法依次擰緊。

試驗方法

一、試驗原理

螺栓擰緊采取扭矩控制法。螺栓的擰緊力矩T與軸向預緊力F之間為線性關系，對應的關系式為：

式中，d為螺栓的直徑，K為扭矩系數(shù)，F(xiàn)為預緊力。

螺栓擰緊時，其材料變形會經(jīng)過兩個階段，分別是彈性區(qū)與塑性區(qū)。在彈性區(qū)采用扭矩法控制時，確定了起始點扭矩后，通過改變螺栓旋轉角度來控制螺栓的軸向預緊力。彈性區(qū)軸向預緊力F與旋轉角度θ成正比，對應的關系為：

式中，C為螺栓連接剛度系數(shù)，P為螺距。

由公式可知：螺栓的預緊力與旋轉角度成正比，可以將螺栓轉角的變化等同于螺栓的預緊力。故根據(jù)轉角的變化（相同的擰緊力矩導致的轉角變化），來判斷螺栓預緊力的變化。

將公式（2）代入公式（1）中，可得：

變槳軸承螺栓擰緊采用扭矩法控制。假設螺栓材質C完全相同，扭矩系數(shù)K一致，當螺栓處于彈性變形區(qū)域時，對相同規(guī)格的螺栓施加同樣的扭矩，螺栓轉動的角度相同。

對兩種擰緊順序的螺栓施加相同的力矩，如果轉角的均值不相等，則說明擰緊順序對于螺栓擰緊有顯著影響，優(yōu)化方案不可行；如果均值相等，則說明無顯著影響，優(yōu)化方案可行。

二、試驗設計

使用電動力矩扳手分別按照圖1與圖2的順序分三次進行螺栓擰緊，三次的擰緊力矩分別是1000N·m、2000N·m與2570N·m。擰緊作業(yè)完成后記錄各螺栓的轉角（每種擰緊順序需記錄三組轉角數(shù)據(jù)，分別是1000N·m、2000N·m與2570N·m扭矩完成后的螺栓轉動角度），并對螺栓在2000N·m及2570N·m力矩作用下的轉動角度分別進行雙樣本T檢驗（1000N·m的螺栓轉角數(shù)據(jù)因為起始力矩不一致，故對該數(shù)據(jù)不做分析，僅供參考），確定最優(yōu)的擰緊順序。

試驗用的螺栓需取自于同一批次，兩個變槳軸承必須裝配于同一輪轂的兩個法蘭面，二硫化鉬采用可賽新1769，執(zhí)行全涂抹工藝。

試驗數(shù)據(jù)及分析

依據(jù)圖1與圖2的順序分別進行螺栓擰緊，記錄各螺栓的轉動角度，數(shù)據(jù)如表1與表2所示（試驗的數(shù)據(jù)較多，表格中僅列出了其中10顆螺栓的擰緊數(shù)據(jù)）。

假定螺栓按照工藝1擰緊方法進行擰緊，其用2000N·m與2570N·m力矩擰緊時，轉角的均值及標準差分別為μ1、σ1，μ2、σ2。按照工藝2擰緊方法進行擰緊，其用2000N·m與2570N·m力矩擰緊時，轉角的均值及標準差分別為為μ3、σ3，μ4、σ4。分別對擰緊力矩為 2000N ·m的工藝1與工藝2的轉角及擰緊力矩為2570N·m的工藝1與工藝2的轉角進行雙樣本T檢驗，判斷其均值是否相等。

雙樣本T檢驗，有三個條件需滿足，分別是：

（1）正態(tài)性檢驗：

假設樣本 yi1，yi2，yi3，yi4，…均為來自于正態(tài)總體的樣本。

（2）方差齊性檢驗：

假定兩種擰緊工藝在相同擰緊力矩作用下其轉角的方差相同，即。

表2 擰緊工藝2的螺栓轉角數(shù)據(jù)統(tǒng)計

（3）獨立性：

工藝1與工藝2的擰緊數(shù)據(jù)無交叉，符合獨立性要求。

一、正態(tài)性檢驗

對收集的數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗，檢驗結果如下：

（1）當扭矩為2000N·m時，79顆螺栓轉動角度正態(tài)分析結果如圖3與圖4所示。

根據(jù)兩種擰緊工藝轉角數(shù)據(jù)的正態(tài)分布分析結果，其P值分別為0.629與0.509，均大于0.05，故可以判斷兩組數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。

（2）當扭矩為2570N·m時，79顆螺栓轉動角度正態(tài)分析結果如圖5與圖6所示。

根據(jù)兩種擰緊工藝轉角數(shù)據(jù)的正態(tài)分布分析結果，其P值分別為0.333與0.684，均大于0.05，故可以判斷兩組數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布。

二、方差齊性檢驗

對兩種擰緊工藝下的2000N·m及2570N·m的轉角數(shù)據(jù)進行方差齊性檢驗：

（1）當扭矩為2000N·m時，分別采用工藝1與工藝2進行螺栓擰緊后，螺栓轉角的方差齊性檢驗結果如表3所示。

分析結果顯示，P值為0.065，大于0.05，故選擇原假設。當扭矩為2000N·m時，工藝1與工藝2的方差相等。

（2）當扭矩為2570N·m時，分別采用工藝1與工藝2進行螺栓擰緊后，螺栓轉角的方差齊性檢驗結果如表4所示。

分析結果顯示，P值為0.614，大于0.05，故選擇原假設。當擰緊力矩為2570N·m時，螺栓擰緊采用工藝1與工藝2的方差相等。

表3 扭矩為2000N·m的F檢驗結果

表4 扭矩為2570N·m的F檢驗結果

表5 扭矩為2000N·m的雙T檢驗結果

表6 扭矩為2570N·m的雙T檢驗結果

三、雙樣本T檢驗

工藝1與工藝2的擰緊數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，在2000N·m及2570N·m狀態(tài)下，其標準差也相等，使用MINITAB軟件對數(shù)據(jù)進行雙樣本T檢驗，來判斷其均值是否相等。

原假設 ：μ1＝ μ3，μ2＝ μ4

備擇假設 ：μ1≠ μ3，μ2≠ μ4

（1）當扭矩為2000N·m時，分別采用工藝1與工藝2進行螺栓擰緊后，雙樣本T檢驗結果如表5所示。

分析結果顯示，P值為0.052，大于0.05，故選擇原假設μ1＝μ3。即當擰緊力矩為2000N·m時，螺栓按照工藝1與工藝2的順序擰緊后，轉角均值相等。

（2）當扭矩為2570N·m時，分別采用工藝1與工藝2進行螺栓擰緊后，螺栓轉角雙樣本T檢驗結果如表6所示。

分析結果顯示，P值為0.413，大于0.05，故選擇原假設μ2＝μ4。即當擰緊力矩為2570N·m時，螺栓按照工藝1與工藝2的順序擰緊后，轉角均值相等。

由上述試驗結果可知，在置信水平為95%的情況下，高強度螺栓依據(jù)優(yōu)化后的擰緊順序進行擰緊作業(yè)，其轉角均值與標準工藝下的轉角均值相同。即采用兩種工藝進行螺栓擰緊，最后螺栓的預緊力是相同的，滿足設計要求，優(yōu)化方案可行。

結語

本文研究表明，優(yōu)化方案可以用于螺栓擰緊。除了風電機組變槳軸承螺栓，偏航軸承螺栓以及類似工位的環(huán)形分布多顆螺栓都可以依據(jù)優(yōu)化工藝原理進行工藝變更，優(yōu)化擰緊順序。

優(yōu)化方案在保證螺栓擰緊質量的前提下可以有效提高裝配效率，降低操作者的勞動強度，同時可以減小操作者進行擰緊作業(yè)時的安全風險。