風(fēng)力發(fā)電機(jī)組螺柱拉伸工藝試驗(yàn)研究

李全蘭

(山東中車風(fēng)電有限公司 技術(shù)部，濟(jì)南255000)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部位多數(shù)采用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接[1]，螺栓連接在風(fēng)電行業(yè)中應(yīng)用最為重要[2-3]。隨著我公司市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在質(zhì)保期內(nèi)的風(fēng)電場(chǎng)日益增多，風(fēng)機(jī)出現(xiàn)了變槳軸承與輪轂間螺栓連接斷裂問(wèn)題，很難確定是設(shè)計(jì)問(wèn)題、安裝工藝問(wèn)題還是螺栓質(zhì)量問(wèn)題。

為識(shí)別、獲取不同緊固方法、順序等對(duì)螺栓組內(nèi)各螺栓獲得預(yù)緊力的影響[3]，設(shè)計(jì)了不同形式的工藝方案，進(jìn)行了相關(guān)工藝試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)指導(dǎo)后續(xù)螺栓緊固、檢查及緊固工具選型工作。

1 螺栓組緊固工藝試驗(yàn)方案策劃

1.1 測(cè)量原理

本次工藝試驗(yàn)預(yù)緊力的測(cè)量采用超聲測(cè)量，在螺栓頭部或螺柱大端端面，粘接壓電陶瓷片，通過(guò)探頭與陶瓷片接觸，測(cè)得回波時(shí)間，進(jìn)而獲得預(yù)緊力。

螺栓在自由狀態(tài)下，螺栓內(nèi)部不存在預(yù)緊力，而螺栓在緊固狀態(tài)下，由于預(yù)緊力的作用，螺栓將發(fā)生形變，因此此時(shí)螺栓的變形量為ΔL，螺栓預(yù)緊力測(cè)量?jī)x依據(jù)ΔL與預(yù)緊力F之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，計(jì)算得到預(yù)緊力為

式中：F為螺栓的預(yù)緊力；E為螺栓材質(zhì)的彈性模量；S為螺栓截面積；ΔL為螺栓的變形量；L為螺栓副的裝夾長(zhǎng)度。

依據(jù)式（1），智能螺栓系統(tǒng)依據(jù)ΔL計(jì)算得到當(dāng)前螺栓的預(yù)緊力F。

系統(tǒng)發(fā)射和接收超聲波脈沖電信號(hào)，測(cè)量并計(jì)算發(fā)射和回波電信號(hào)之間的時(shí)間差。螺栓在自由狀態(tài)下，發(fā)射和接收電信號(hào)之間的時(shí)間差為T0，螺栓在緊固狀態(tài)下，螺栓發(fā)射和接收電信號(hào)之間的時(shí)間差為T1，由此依據(jù)電信號(hào)收發(fā)時(shí)間差與螺栓的變形量的關(guān)系，得到螺栓的變形量ΔL為

式中，v為機(jī)械縱波在螺栓內(nèi)的傳播速度。

最終由智能螺栓系統(tǒng)依據(jù)ΔL并結(jié)合式（1）可得到當(dāng)前狀態(tài)下的智能螺栓的預(yù)緊力。測(cè)量原理示意圖如圖1所示。

圖1 螺栓預(yù)緊力測(cè)量?jī)x測(cè)量原理

螺栓預(yù)緊力測(cè)量?jī)x，在螺栓承受高載荷情況下，其測(cè)量精度可達(dá)±3%；在螺栓承受低載荷情況下，其測(cè)量精度可達(dá)±5%

1.2 試驗(yàn)方案策劃

螺栓組測(cè)試分為矩形排列螺栓和圓形排列螺栓,矩形排列狀態(tài)和圓形排列狀態(tài)，如圖2、圖3所示。

圖2 矩形排列示意圖

圖3 圓形排列示意圖

工藝試驗(yàn)策劃如下：1）對(duì)于矩形排列，采用由中間到兩邊，十字交叉緊固方式，獲得預(yù)緊力的情況；2）對(duì)于矩形排列，先采用由中間到兩邊，十字交叉緊固方式，后采用順序緊固方式，獲得預(yù)緊力的情況；3）對(duì)于矩形排列，采用拉伸器緊固，驗(yàn)證采用50%、100%拉伸和100%、100%拉伸預(yù)緊力獲得情況；4）對(duì)于矩形排列，采用由兩邊到中間，十字交叉緊固方式，獲得預(yù)緊力的情況；5）對(duì)于圓形排列，采用拉伸器緊固，驗(yàn)證采用50%、100%拉伸和100%、100%拉伸預(yù)緊力獲得情況；6）對(duì)于圓形排列，采用十字緊固方式，預(yù)緊力獲得情況；7）對(duì)于圓形排列，采用星型緊固方式，預(yù)緊力獲得情況；8）對(duì)于圓形排列，按照螺栓組緊固，預(yù)緊力獲得情況。

2 矩形試驗(yàn)

對(duì)矩形排列，對(duì)緊固螺柱進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)規(guī)則如圖4所示。

圖4 矩形排列編號(hào)規(guī)則示意圖

圖5 矩形排列試驗(yàn)圖

2.1 試驗(yàn)1：矩形排列，由中間到兩邊，100%、100%緊固試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)1結(jié)果 kN

由試驗(yàn)1可得出如下結(jié)論：1）螺栓組在緊固過(guò)程中，每個(gè)連接螺栓之間都會(huì)彼此產(chǎn)生影響，一般會(huì)導(dǎo)致螺栓軸力的減小，最大可減小至約5%，造成該問(wèn)題的原因應(yīng)該與工件硬度、平面貼合度相關(guān)；2）一直采用十字交叉緊固，會(huì)提高螺栓的預(yù)緊力，但螺栓預(yù)緊力的一致性低于最后一遍按順序緊固的螺栓預(yù)緊力的一致性。

2.2 試驗(yàn)2：矩形排列，由中間到兩邊，100%、100%緊固（第二次）

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。考慮緊固過(guò)程中出現(xiàn)壓力降低的因素，由試驗(yàn)1和試驗(yàn)2對(duì)比可看出：1）在保證螺母無(wú)松動(dòng)的前提下，預(yù)緊力的一致性在測(cè)量精度范圍內(nèi)，試驗(yàn)1增加了多緊固一次的工作量；2）16 h內(nèi)的預(yù)緊力衰減較小。

2.3 試驗(yàn)3：矩形排列，由中間到兩邊 ，50% 、100% 兩次緊固到位

表2 試驗(yàn)2結(jié)果 kN

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由試驗(yàn)2和試驗(yàn)3對(duì)比，可得出：1）50%、100%分兩次緊固，在增加多緊固一遍的情況下，并未提高獲得預(yù)緊力的一致性；2）緊固次數(shù)的增加會(huì)提高預(yù)緊力的一致性，但隨著次數(shù)的增加，增加量越來(lái)越小；3）為提高工作效率，可以通過(guò)調(diào)整拉伸器的使用方法提高工作效率；4）17 h內(nèi)預(yù)緊力的衰減較小。

表3 試驗(yàn)3結(jié)果 kN

2.4 試驗(yàn)4：矩形排列，由兩邊到中間，100%、100%緊固

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由試驗(yàn)2和試驗(yàn)4對(duì)比可得出：1）先兩邊后中間獲得預(yù)緊力的一致性與先中間后兩邊獲得預(yù)緊力一致性相比較差；2）2 h內(nèi)預(yù)緊力的衰減較小。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

表4 試驗(yàn)4結(jié)果 kN

多螺栓預(yù)緊時(shí)，螺栓彼此之間會(huì)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致螺栓整體預(yù)緊力下降，預(yù)緊力平均值減小3.3%，如圖6所示，螺栓預(yù)緊力分布整體偏下；如果想讓螺栓預(yù)緊力沿著目標(biāo)預(yù)緊力均勻分布，需要將工具的設(shè)置值提高。

試驗(yàn)2的方法兼顧了工作效率和預(yù)緊力一致性，后續(xù)矩形法蘭外載試驗(yàn)將使用試驗(yàn)2方法進(jìn)行螺栓緊固。

表5 矩形法蘭緊固工藝的結(jié)果參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 圓形試驗(yàn)

對(duì)圓形排列，對(duì)緊固螺柱進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)規(guī)則如圖7所示。

3.1 試驗(yàn)5：圓形排列，50%、100%預(yù)緊力按星形緊固

由試驗(yàn)5得出：螺栓組在緊固過(guò)程中，每個(gè)連接螺栓之間都會(huì)彼此產(chǎn)生影響，一般會(huì)導(dǎo)致螺栓軸力的減小。

3.2 試驗(yàn)6：圓形排列，星形緊固方法

圖6 矩形排列法蘭螺栓受力圖

圖7 圓形排列編號(hào)規(guī)則

圖8 圓形排列試驗(yàn)圖

表6 試驗(yàn)5結(jié)果 kN

由試驗(yàn)5和試驗(yàn)6對(duì)比可得出：1）螺栓組在緊固過(guò)程中，每個(gè)連接螺栓之間都會(huì)彼此產(chǎn)生影響，一般會(huì)導(dǎo)致螺栓軸力的減小；2）50%、100%分兩次緊固，在增加多緊固一遍的情況下，并未提高獲得預(yù)緊力的一致性；3）在螺栓組緊固過(guò)程中，每個(gè)連接螺栓之間都會(huì)彼此產(chǎn)生影響，一般會(huì)導(dǎo)致螺栓軸力的減小。

3.3 試驗(yàn)7：圓形排列，十字緊固方法

1）與星形緊固方法相比，十字緊固能提高工作效率，降低操作的復(fù)雜性，但獲得預(yù)緊力的一致性與星形緊固方法獲得預(yù)緊力一致性相比較差；2）3 h、4 h、6 h內(nèi)預(yù)緊力的衰減較小，基本無(wú)變化；3）螺栓組在緊固過(guò)程中，每個(gè)連接螺栓之間都會(huì)彼此產(chǎn)生影響，一般會(huì)導(dǎo)致螺栓軸力的減小。

3.4 試驗(yàn)8：圓形排列，兩個(gè)一組，按照星形緊固

1）螺栓組在緊固過(guò)程中，每個(gè)連接螺栓之間都會(huì)彼此產(chǎn)生影響，一般會(huì)導(dǎo)致螺栓軸力的減小；2）與試驗(yàn)6星形緊固方法相比，在螺母不松動(dòng)的前提下，試驗(yàn)8需要更多的緊固次數(shù)來(lái)完成；3）與試驗(yàn)6相比，在相同緊固次數(shù)下，試驗(yàn)8方法獲得預(yù)緊力的一致性較差。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)8相關(guān)數(shù)據(jù)可以得出：1）螺栓組在緊固過(guò)程中，每個(gè)連接螺栓之間都會(huì)彼此產(chǎn)生影響，一般會(huì)導(dǎo)致螺栓軸力的減小；2）與試驗(yàn)6星形緊固方法相比，在螺母不松動(dòng)的前提下，試驗(yàn)8需要更多的緊固次數(shù)來(lái)完成；3）與試驗(yàn)6相比，在相同緊固次數(shù)下，試驗(yàn)8方法獲得預(yù)緊力的一致性較差；4）緊固次數(shù)越多，螺栓組預(yù)緊力的一致性越高，但增加幅度在兩次后越來(lái)越小；5）緊固次數(shù)越多，螺栓組獲得預(yù)緊力越大，但是兩次后預(yù)緊力的增加很緩慢。

表7 圓形法蘭緊固工藝的結(jié)果參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.6 圓形法蘭試驗(yàn)結(jié)論

圖9 圓形排列法蘭螺栓受力圖

隨著螺栓數(shù)量增加，螺栓整體預(yù)緊力下降比例增大，圓形法蘭預(yù)緊力平均值減小6.6%，如圖9所示，螺栓預(yù)緊力分布更加偏下；試驗(yàn)6的方法兼顧了工作效率和預(yù)緊力一致性，后續(xù)圓形法蘭外載試驗(yàn)將使用試驗(yàn)6方法進(jìn)行螺栓緊固。

4 結(jié)語(yǔ)

1）螺栓組在緊固過(guò)程中，每個(gè)連接螺栓之間都會(huì)彼此產(chǎn)生影響，一般會(huì)導(dǎo)致螺栓軸力的減小，減小最大可至約5%，造成該問(wèn)題的原因應(yīng)與工件硬度、平面貼合度相關(guān)。

2）拉伸器的壓力要嚴(yán)格控制，多次100%拉伸可獲得相對(duì)穩(wěn)定的預(yù)緊力。從操作經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，油壓的設(shè)定值對(duì)拉伸結(jié)果影響大，拉伸時(shí)的峰值拉力比穩(wěn)定后的預(yù)緊力大20%左右，油壓過(guò)大容易使螺栓屈服，要通過(guò)試驗(yàn)確定合理的液壓參數(shù)。

3）拉伸結(jié)果與拉伸次數(shù)有關(guān)，拉伸1次和2次差異較大，2次以上產(chǎn)生的預(yù)緊力相對(duì)穩(wěn)定。從螺栓組裝配預(yù)緊力分布來(lái)看，1次、2次擰緊后螺栓組預(yù)緊力分布散差大，多次擰緊后，散差進(jìn)一步減小。