兆瓦級風(fēng)電鎖緊盤螺栓多同步擰緊工藝及智能化擰緊機的研究

史 偉，竇玉祥，田 仁，何 明，陳 波

（國電聯(lián)合動力技術(shù)（連云港）有限公司，江蘇連云港 222002）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，不可再生資源終將面臨枯竭。能源危機的加深和環(huán)境保護的迫切需要，使得經(jīng)濟可靠、環(huán)境友好的風(fēng)能成為當今能源發(fā)展的必然趨勢。世界各地政府均紛紛加大了研究及扶持力度。雙饋型風(fēng)電機組通過鎖緊盤過盈連接將葉輪主軸的交變載荷傳遞到齒輪箱。鎖緊盤螺栓的擰緊，在風(fēng)機制造過程中作為重要環(huán)節(jié)之一，也是傳動鏈裝配最為耗時的工序之一。同時，鎖緊盤螺栓的擰緊工藝和擰緊質(zhì)量也關(guān)系著風(fēng)機安全運行。

本文根據(jù)鎖緊盤螺栓擰緊環(huán)節(jié)存在的缺陷，分析了現(xiàn)狀工藝的不足，從經(jīng)濟性、質(zhì)量、安全等方面綜合考慮，提出一套新式的鎖緊盤螺栓擰緊方法和擰緊設(shè)備［1-2］。通過實踐證明，該方法能大幅提高風(fēng)電機組的生產(chǎn)效率，為企業(yè)降低生產(chǎn)成本，保障螺栓的裝配質(zhì)量和風(fēng)機的安全性能，對于風(fēng)電整機制造企業(yè)有一定的參考意義。

1 鎖緊盤螺栓擰緊工藝現(xiàn)狀

雙饋型風(fēng)電機組主軸與齒輪箱采用鎖緊盤的結(jié)構(gòu)形式連接。風(fēng)機主軸安裝在齒輪箱的軸孔內(nèi)，鎖緊盤作用在齒輪箱軸孔上外圓，通過對鎖緊盤的螺栓進行擰緊，鎖緊盤的外套對內(nèi)錐套施加徑向壓力，從而使齒輪箱的軸孔與風(fēng)機主軸抱緊（見圖1）。

目前，國際及國內(nèi)主流整機制造商，對于雙饋型風(fēng)電機組鎖緊盤螺栓的擰緊，經(jīng)常采用3種方法：（1）兩把液壓扭矩扳手同時對角擰緊；（2）兩把電動扳手同時對角擰緊；（3）兩把氣動扭矩扳手同時對角擰緊。通過多年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該3種工具優(yōu)缺點如表1所示。

該3種方法，電動扭矩扳手和氣動扭矩扳手的擰緊效率要高于液壓扭矩扳手。在同等輸出扭矩情況下，電動扭矩扳手和氣動扭矩扳手的體積要大于液壓扭矩扳手。受到作業(yè)空間和工具體積的限制，電動扭矩扳手和氣動扭矩扳手無法應(yīng)用在設(shè)計帶有后置軸承座的機組場合。無論采用哪種方法，對于鎖緊盤螺栓的擰緊至少需要2～3人同時作業(yè)，作業(yè)過程中操作人員的勞動強度極大。根據(jù)統(tǒng)計，完成鎖緊盤的擰緊，1.5 MW機組約需3～4 h，2 MW機組約需4～6 h，3 MW機組約需6～8 h。傳動鏈的裝配作為整機制造的前置工序，且受到廠區(qū)工位數(shù)量的限制，對傳動鏈的裝配時間有一定要求，現(xiàn)狀的鎖緊盤螺栓擰緊工藝在機組形成批量生產(chǎn)時，每臺機組的生產(chǎn)周期將會受到嚴重的制約。

圖1 主軸與齒輪箱連接示意

表1 雙饋型風(fēng)電機組鎖緊盤螺栓擰緊工具的優(yōu)缺點

另外，鎖緊盤螺栓的擰緊工藝和擰緊質(zhì)量也至關(guān)重要，它關(guān)系著風(fēng)機的安全運行。通常對于法蘭均布式螺栓的擰緊，提倡采用“對角擰緊法”進行擰緊，如果嚴格執(zhí)行該工藝，則需要操作人員手持工具，上下、左右反復(fù)進行位置移動。這種操作方法實際執(zhí)行起來是十分困難的，人員的勞動強度大，作業(yè)效率極低，且存在一定的人身安全風(fēng)險。根據(jù)調(diào)研及現(xiàn)狀分析，目前國內(nèi)外主流整機制造商，雖然都在不斷改進作業(yè)工藝和提高工具的性能，但針對鎖緊盤螺栓的擰緊工藝無顯著的效率提升，擰緊質(zhì)量無有效的控制手段。主要原因有兩點：一是擰緊設(shè)備的落后，無針對該工況的專業(yè)設(shè)備；二是擰緊工藝及擰緊質(zhì)量主要依靠操作人員的主觀意識來決定，無有效的監(jiān)控方法。

2 新型緊盤螺栓擰緊工藝研究

為了使鎖緊盤達到穩(wěn)定的性能，同時考慮到螺栓反復(fù)擰緊導(dǎo)致的拉伸失效，螺栓的擰緊扭矩值必須均勻。根據(jù)大量的試驗，筆者總結(jié)出最新的擰緊工藝：“三步扭矩值遞增”的“四同步十字形順序擰緊”法［3］。

三步扭矩值遞增：所有螺栓分三步采用從低到高的3種扭矩值進行擰緊。假設(shè)螺栓最終扭矩值要求為2 000 Nm，第一次預(yù)緊至40%（800 Nm），第二次預(yù)緊至80%（1 600 Nm），第三次預(yù)緊至100%（2 000 Nm），完成最終擰緊。

四同步十字形順序擰緊：首先，為減小螺栓副的摩擦力，使每個螺栓的摩擦趨于一致，從而實現(xiàn)預(yù)緊力的均勻性，螺栓螺紋副和螺栓頭摩擦面需要涂抹適量的二硫化鉬潤滑脂。因鎖緊盤工況操作空間狹小，特別是帶有后軸承座的機組。所以，該工況采用液壓扭矩扳手作為擰緊工具。所謂“四同步十字形”擰緊方法，是采用一臺大流量的液壓泵站同時驅(qū)動4把液壓扳手成十字形分布同時進行作業(yè)。螺栓擰緊順序參照圖2所示執(zhí)行，當螺栓數(shù)目更多時，也按類似順序擰緊。螺栓應(yīng)分3遍按照扭矩值遞增（30%+60%+100%）的方式逐步進行，直至達到預(yù)期的扭矩限定值。

圖2 四同步十字形順序擰緊示意

3 智能化鎖緊盤螺栓擰緊機設(shè)計

擰緊機的設(shè)計分為兩大部分：大流量液壓泵站和擰緊機主機。為滿足工藝條件，采用“一帶四”作業(yè)方式，即：1臺超大流量液壓泵同時驅(qū)動4把液壓扳手進行作業(yè)，如圖3所示。

圖3 四同步十字形作業(yè)示意

3.1 智能型超大流量液壓泵站

智能型超大流量液壓泵站（見圖4）專為配套緊盤螺栓擰緊機而設(shè)計，采用雙聯(lián)泵組結(jié)構(gòu)，低壓為齒輪泵，高壓為三級柱塞泵。與同類產(chǎn)品相比，輸出流量是普通液壓泵站效率的4～6倍。液壓泵設(shè)計了基于PLC的智能控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)帶有人機交換界面，內(nèi)置組態(tài)程序［4］，可以直觀地對整個作業(yè)過程進行監(jiān)控，同時可以對所有數(shù)據(jù)進行分析、判斷、儲存、導(dǎo)出等。例如：實時扭矩、實時油壓、油溫、油位、螺栓號、運行時長、作業(yè)時間、機組信息等。泵站與液壓扳手之間采用閉環(huán)同步控制技術(shù)，擰緊機的旋轉(zhuǎn)、認帽采用伺服控制技術(shù)。通過按照“三步扭矩值遞增”的“四同步十字形順序擰緊”法對PLC進行編程，實現(xiàn)對擰緊機的自動化控制。

圖4 智能型超大流量液壓泵站

3.2 全自動鎖緊盤螺栓擰緊機

圖5 全自動鎖緊盤螺栓擰緊機

擰緊機由固定環(huán)和旋轉(zhuǎn)環(huán)兩部分組成，均采用可打開的分瓣式結(jié)構(gòu)（見圖5）。固定環(huán)作用在鎖緊盤的外圓上，旋轉(zhuǎn)環(huán)具有導(dǎo)軌，通過導(dǎo)軌作用在固定環(huán)的導(dǎo)輪上，旋轉(zhuǎn)環(huán)可以沿導(dǎo)輪360°旋轉(zhuǎn)。固定環(huán)設(shè)計有可徑向調(diào)節(jié)的夾持機構(gòu)，可適用于不同外圓直徑的鎖緊盤。固定環(huán)上設(shè)計有導(dǎo)輪組和伺服旋轉(zhuǎn)裝置，導(dǎo)輪組與旋轉(zhuǎn)環(huán)的導(dǎo)軌配合，通過智能泵站的PLC控制系統(tǒng)使旋轉(zhuǎn)環(huán)按照控制邏輯自動進行固定角度旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)扳手套筒的精確換位。固定環(huán)設(shè)計有推進齒輪箱組和伺服認帽裝置，通過智能泵站的PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)扳手套筒與鎖緊盤螺栓的認帽和脫帽。旋轉(zhuǎn)環(huán)設(shè)計有4套液壓扭矩扳手，呈十字形均布安裝。4把液壓扭矩扳手上安裝傳感器，將傳感器的值通過無線傳輸?shù)姆绞綄崟r傳輸給PLC，PLC通過設(shè)定相關(guān)的閾值，比如設(shè)定壓力值、設(shè)定扭矩值與傳感器輸出的值進行比較，從而控制液壓泵站的運行，與PLC實現(xiàn)閉環(huán)控制，精確控制輸出扭矩。扳手與旋轉(zhuǎn)環(huán)之間采用可徑向調(diào)節(jié)的連接裝置進行連接，可適用于不同螺栓分度圓的鎖緊盤。旋轉(zhuǎn)環(huán)設(shè)計有油路分配閥塊，實現(xiàn)為4把液壓扳手同步供油。液壓泵站PLC含數(shù)據(jù)傳輸裝置，它可以通過無線傳輸?shù)姆绞剑瑢⒃O(shè)備的運行數(shù)據(jù)傳輸至中控室，實現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)控。

全自動鎖緊盤螺栓擰緊機的優(yōu)勢有以下幾個方面。

（1）高效：全自動作業(yè)，作業(yè)效率可提高3～8倍，能在1小時內(nèi)完成風(fēng)機鎖緊盤螺栓的擰緊工作。

（2）精確：采用了閉環(huán)的控制方式，扭矩輸出精度誤差不超過±3%。液壓扳手采用4把十字型均布設(shè)計，可100%實現(xiàn)對角同步擰緊，使鎖緊盤螺栓及內(nèi)、外錐套受力均勻。自動化作業(yè)，避免了由人工操作出現(xiàn)漏緊或者操作不規(guī)范等情況。

（3）安全：完全替代傳統(tǒng)的人工擰緊方式，避免人工誤操作造成的安全事故。

（4）便捷：采用雙圓環(huán)疊加式設(shè)計，便于在狹小空間和封閉的風(fēng)機主軸上安裝。安裝和拆卸方便快捷，能在短時間內(nèi)完成以往煩瑣的工作。

（5）通用性：模塊化設(shè)計并配置可調(diào)機構(gòu)，可適用與不同尺寸的鎖緊盤結(jié)構(gòu)。

（6）智能：液壓泵站的PLC能夠?qū)崟r采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，聽過組態(tài)界面進行監(jiān)控，同時可以控制伺服旋轉(zhuǎn)裝置和認帽裝置，實現(xiàn)自動化作業(yè)，通過PLC設(shè)定的閾值與實測的值進行邏輯比較，控制泵站的運行，實現(xiàn)精確的閉環(huán)控制，真正意義上實現(xiàn)設(shè)備的智能。

4 結(jié)語

隨著全球風(fēng)電機組的大功率化發(fā)展和生產(chǎn)質(zhì)量意識的提升，為滿足批量化的生產(chǎn)需求，采用高效、智能化的螺栓擰緊工藝及設(shè)備是必然趨勢。本文根據(jù)全球風(fēng)電整機制造企業(yè)實際生產(chǎn)現(xiàn)狀的不足，研究開發(fā)一種全新的鎖緊盤螺栓擰緊工藝和智能化擰緊機，并進行了實際生產(chǎn)驗證，取得了顯著效果。采用該工藝和設(shè)備能在自動化情況下1小時內(nèi)完成原需要3～8小時的作業(yè)，實現(xiàn)了高質(zhì)量、高效率、智能化的生產(chǎn)需要，解決了生產(chǎn)效率低下、人員勞動強度大、人工裝配質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，且對于全球風(fēng)電領(lǐng)域的工程實踐有一定指導(dǎo)意義。基于此，應(yīng)該積極推廣該工藝及設(shè)備的應(yīng)用，讓其發(fā)揮出最大的作用，為相關(guān)企業(yè)創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟價值和社會效益，推動我國風(fēng)電行業(yè)的進一步發(fā)展。