風電機組用新型緊固連接技術疲勞性能試驗研究

張欽， 賈云龍

（眉山中車緊固件科技有限公司， 四川 眉山， 620010）

0 前言

風力發電機組中一般包括槳葉、 主軸、 塔筒、機架及連接用的高強度螺栓等零部件。 由于風速方向和大小的隨機性， 導致風機葉根螺栓承受的載荷很復雜， 所以此部位經常發生螺栓斷裂的問題[1]， 因而會給企業帶來非常大的經濟損失。 針對這一問題， 賈森[2]等以3 MW 風機為例， 針對螺栓的結構和預緊方法， 提出采用鎖緊螺栓和改變螺栓安裝預緊方式來確保連接的安全； 張俊[3]基于影響矩陣的風電機組螺栓疲勞壽命分析步驟， 以輪轂與主軸連接螺栓為例并結合Excel VBA 二次開發程序詳細介紹了各個步驟的具體實現方式， 并驗證了二次開發的螺栓疲勞壽命計算程序的精確性； 環槽鉚釘連接作為一種成熟的緊固連接技術，具有連接強度高、 防松性能優異、 施工質量穩定，全壽命周期免維護等優點， 能夠解決目前高強度螺栓連接存在的問題， 但目前環槽鉚釘在國內風電領域運用暫無相關技術研究， 為更好的推廣環槽鉚釘連接技術， 本文對環槽鉚釘與高強螺栓的疲勞性能開展了對比研究， 為環槽鉚釘的使用提供了理論依據。

1 技術原理

與螺紋連接不同， 環槽鉚釘連接是利用虎克定律， 采用專用鉚接工具， 軸向拉伸鉚釘， 同時徑向擠壓套環， 使套環金屬流動到鉚釘的環槽中，形成永久的金屬塑性變形連接， 與螺栓連接相比，環槽鉚釘連接具有連接強度高、 夾緊力一致性好、抗振防松性能優異、 抗疲勞壽命長、 抗延遲斷裂能力強等優點， 更適用于風電設備節點的連接。連接原理對比見圖1。

圖1 螺紋連接與環槽鉚釘連接原理對比

2 高強度環槽鉚釘連接副結構

高強度環槽鉚釘連接副由高強度環槽鉚釘和配套的套環組成： 鉚釘由冒頭、 卸載槽、 光桿、鎖緊槽和尾牙組成， 其中鎖緊槽為獨立的圓環結構； 套環由變形區、 法蘭盤、 凸點和卡齒組成。其結構形式如圖2 所示。

圖2 環槽鉚釘結構形式

環槽鉚釘連接副的安裝步驟如下， 安裝過程如圖3 所示。

圖3 環槽鉚釘鉚接安裝示意圖

（1）將環槽鉚釘穿過被連接板層， 將套環從環槽鉚釘尾部擰入， 至手擰不動為止；

（2）將鉚槍卡爪放置于環槽鉚釘尾牙上， 注意防止卡爪和環槽鉚釘尾牙錯牙， 造成尾牙損傷；

（3）按下鉚槍控制開關， 鐵砧向下運動擠壓套環， 直至鉚接到位；

（4）鐵砧從套環上退出， 完成鉚接；

（5）目視檢查套環法蘭面上的凸點， 確認有1個及以上凸點產生明顯的塑性變形， 鉚接完成。

3 單釘抗疲勞性能研究

3.1 牙型結構對比

查GB/T 192-2003《統一螺紋 牙型》[4]和“高強度、 低鉚接力構件緊固方法及10.9 級短尾拉鉚釘”發明專利權利要求書， 螺栓與鉚釘的牙型結構有較大的差異， 環槽鉚釘的鎖緊槽牙型由多段不同直徑的圓弧組合而成， 而螺栓牙型為60°的等邊三角形型結構， 如圖4 所示。

圖4 環槽鉚釘牙型和螺栓牙型結構對比

3.2 牙型受力仿真分析對比

為驗證二者牙型的優劣情況， 通過Ansys 軟件對牙型受力情況進行了仿真模擬分析， 分析結果如圖5 所示。

圖5 環槽鉚釘/高強螺栓牙型應力分布

從分析結果可以看出， 在承受同等載荷的情況下， 同規格環槽鉚釘牙型比螺栓牙型應力集中小， 螺栓牙型的最大應力約為環槽鉚釘牙型應力的4 倍， 所以環槽鉚釘圓弧結構可有效降低牙底和牙頂的應力集中， 提高疲勞壽命。

3.3 沖擊功試驗驗證

陳繼林[5]、 張先鳴[6]和張九高[7]等對螺栓的沖擊功性能進行了研究， 但國內暫未見對環槽鉚釘沖擊功的研究報道。 為進一步驗證二者牙型的受力情況， 本文參照《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》[8]， 對二者牙型在夏比沖擊試驗中吸收能量的強弱進行了對比， 試驗樣件如圖6 所示， 試驗數據如圖7 所示。

圖6 試驗樣件

圖7 不同缺口沖擊功數值匯總表

從不同缺口沖擊功數值可以明顯看出： 在同等情況下， 鉚釘牙型缺口在夏比沖擊試驗中所吸收的能量遠大于螺栓的牙型； 環槽鉚釘牙型較螺栓牙型沖擊功吸收功提升約48%； 高強螺栓在使用過程中容易發生延遲斷裂， 可能就是由于牙型的應力集中造成的。 而鉚釘牙型承受的沖擊功大于螺栓牙型， 可以預測鉚釘的延遲斷裂現象會明顯優于高強螺栓。

3.4 軸向載荷下疲勞試驗對比

對于緊固件而言， 產品的疲勞壽命是關鍵性能，胡健[8]對不同材質鉚釘疲勞壽命開展試驗研究，歐陽卿[9]對高強度螺栓受力及疲勞性能進行試驗研究， 結果表明螺栓球節點的應力集中情況比較嚴重。 為對比環槽鉚釘與高強螺栓的疲勞性能， 參考《環槽鉚釘連接副技術條件》[10]和《公路鋼結構橋梁設計規范》[11]開展了疲勞性能試驗研究工作。

試驗按照《軸向加力疲勞試驗機檢定規程》[12]的同軸度檢定方法執行， 同軸度偏差5%。 疲勞試驗選用軸向加載方式， 盡可能重現結構在使用條件下的工作應力狀態和疲勞斷裂形式。 疲勞加載控制方式采用荷載控制， 即在試驗全過程中保持荷載為穩定值， 荷載為常幅式正弦波， 加載頻率控制在5 Hz。 分別設置不同的荷載， 當試驗過程中試件因疲勞裂紋的形成和擴展直至斷裂破壞， 試驗終止加載（或者當達到設定加載次數后， 試驗終止加載）， 針對環槽鉚釘和高強螺栓各進行五組試驗。 實驗數據如圖8 所示。

圖8 螺栓和環槽鉚釘軸向疲勞對比

從圖9 可以看出： 在相同受力情況下， 環槽鉚釘的疲勞性能明顯優于高強螺栓； 在相同疲勞壽命下， 環槽鉚釘的疲勞極限比高強螺栓高48%；在相同疲勞極限下， 環槽鉚釘的疲勞極限為高強螺栓的3 倍以上。

4 節點疲勞試驗

采用環槽鉚釘連接的節點和高強度螺栓連接的節點參照《公路鋼結構橋梁設計規范》 開展了雙摩擦面抗剪疲勞對比試驗， 本試驗中環槽鉚釘/高強度螺栓摩擦型連接以板件間的摩擦力被外力克服作為極限狀態。 參考《公路鋼結構橋梁設計規范》 附錄C， 表C.0.1 選定其疲勞應力幅Δσc為110 MPa （應力取值范圍是0～110 MPa）， 對3 個環槽鉚釘連接雙面疲勞試件和3 個高強度螺栓連接雙面疲勞試件依次進行試驗。

試驗結果表明環槽鉚釘連接的節點在單摩擦面和雙摩擦面下抗剪疲勞壽命均大于200 萬次，滿足設計值要求。 且在《公路鋼結構橋梁設計規范》 規定的疲勞試驗載荷情況， 環槽鉚釘連接節點完成700 萬次試驗仍未失效。

5 結論

環槽鉚釘與螺栓連接相比， 具有連接強度高、夾緊力一致性好、 抗振防松性能優異、 抗疲勞壽命長、 抗延遲斷裂能力強等優點， 更適用于風力發電設備節點的連接。 本文通過環槽鉚釘與高強螺栓的牙型結構、 受力模擬分析、 沖擊功特性、軸向載荷下疲勞試驗、 多釘的疲勞性能節點試驗等試驗對比， 得出了以下結論：

（1）同規格環槽鉚釘牙型比螺栓牙型應力集中小， 環槽鉚釘圓弧結構可有效降低牙底和牙頂的應力集中， 提高疲勞壽命。

（2）鉚釘牙型缺口在夏比沖擊試驗中所吸收的能量遠大于螺栓的牙型； 可以預測鉚釘的延遲斷裂現象會明顯優于高強螺栓。

（3）在相同受力情況下， 環槽鉚釘的疲勞性能明顯優于高強螺栓。

（4）在多釘連接的節點中， 環槽鉚釘連接的節點疲勞性能不低于高強螺栓連接。