風電機組螺栓復用扭矩系數變化的研究

鄭國龍， 劉 河， 楊炯明， 張紫平

（北京金風科創風電設備有限公司， 北京 100176）

0 引言

隨著國家提出2030 年碳達峰，2060 年碳中和目標，我國風力發電行業迎來迅猛發展時期， 因風力發電機組的超高超大結構特點， 其設計和運輸需采用分段/瓣式，為此各部件之間的連接尤為重要。螺栓因其標準化、高可靠性及拆裝方便的特點成為風電機組的主要連接件，其安裝可靠性和預緊力的準確直接決定著風電機組安全和穩定運行[1-2]。 風電機組中因個別部件的維護需經常對連接螺栓進行拆卸，拆卸后的螺栓一般不允許二次使用，造成很大的資源浪費。 為此，對螺栓連接副進行反復裝配擰緊測試，以期找到相關規律支撐螺栓復用技術的推進。

1 試驗方法及測試結果

1.1 試驗方法

1.1.1 試驗原理及方案描述

緊固扭矩平穩地作用于螺栓連接副以產生夾緊力，在彈性變形范圍內扭矩與夾緊力理論上呈顯性關系，影響線性關系的有螺紋摩擦系數、端面摩擦系數等。 為確定這些參數及其變化，以規格為M8 的螺栓、墊圈、螺母分成8 組， 每組1 顆螺栓、1 個墊圈、1 個螺母， 分別標記清楚并進行反復擰緊試驗測試其扭矩系數、 端面摩擦系數、 螺紋摩擦系數的變化， 擰緊次數為10 次，見圖1。

圖1 摩擦系數試驗分組示意圖Fig.1 Friction coefficient test

1.1.2 試驗設備及夾具

試驗設備為Schatz 臥式摩擦系數測試臺 （見圖2），試驗卡具為自制卡具（見圖3）。

圖2 Schatz 臥式摩擦系數測試臺Fig.2 Schatz Friction coefficient test bench

圖3 摩擦系數試驗裝卡示意圖Fig.3 Assembly drawing of friction coefficient test

1.1.3 試驗件

試驗件包含螺栓、螺母、墊圈，其中螺栓滿足GB/T 5782和GB/T 3098.1 要求，螺母滿足GB/T 6170 和GB/T 3098.2要求，墊圈滿足GB/T 1230 要求。

1.1.4 試驗參數

擰緊試驗測試中的主要參數如下： 試驗環境溫度為（25±5）℃，螺栓連接副潤滑狀態為無潤滑，擰緊試驗轉速為10r/min，擰緊試驗的夾緊力為75%的保證載荷。

1.1.5 試驗

在（25±5）℃室溫下進行試驗，將墊圈置于試驗臺靠近動力源（擰緊槍）一側，與專用墊板支撐配合，并使墊圈孔與被測螺栓孔對齊，將螺母放入專用工裝并將通孔變徑塊擰入專用工裝， 二者連同專用工裝一起置于試驗臺傳感器遠離動力源（擰緊槍）一側，將M8 螺栓穿過墊圈及試驗機傳感器，并與螺母嚙合；啟動試驗臺通過擰緊槍擰緊螺栓，擰緊速度為10r/min，記錄扭矩、螺紋摩擦系數、端面摩擦系數。

1.2 測試結果

對8 組螺栓連接副10 次擰緊試驗的數據進行記錄，根據GB/T 16823.3 對數據整理后見表1。

表1 螺栓連接副復擰測試值Tab.1 Torque coefficient test value

2 試驗結果分析

根據8 組螺栓連接副10 次擰緊的試驗數據，分別對其螺紋摩擦系數、端面摩擦系數、扭矩系數進行分析。

2.1 端面摩擦系數分析

通過分析可以發現代表離散性的端面摩擦系數的標準偏差在擰緊試驗中的前5 次數值較大， 后5 次數值較小； 端面摩擦系數平均值由開始的逐步上升到第3 次擰緊時最大開始下降，后趨于穩定，且與第1 次擰緊摩擦系數值相當；見圖4。 這符合我們的常識認知，隨著擰緊次數的增多，螺栓連接副摩擦面由最初的“粗糙”趨于“平滑”，對試驗后的螺栓連接副端面進行觀察，發現第5 次擰緊后的端面擦痕遠大于第1 次擰緊，與第10 次擰緊相當，證明了上述猜想的準確性，見圖5。

圖4 螺栓連接副8 組樣10 次扭擰數據（μb）Fig.4 Ten sets of torque coefficient data （μb）

圖5 螺栓連接副端面磨損情況Fig.5 Bolt head wear map

2.2 螺紋摩擦系數分析

可以發現螺紋摩擦系數的變化趨勢與端面摩擦系數基本一致，包含平均值和標準偏差，與之不同的為螺紋摩擦系數在擰緊第4 次后趨于平穩，早于端面摩擦系數，如圖6 所示。對試驗后的螺栓連接副嚙合螺紋進行觀察，發現第4 次擰緊后的螺紋擦痕與第10 次擰緊相當，從而證明上述測試數據的準確性，見圖7。

圖6 螺栓連接副8 組樣10 次扭擰數據（μth）Fig.6 Ten sets of torque coefficient data（μth）

圖7 螺栓連接副螺紋磨損情況Fig.7 Thread wear map

2.3 扭矩系數分析

與螺栓連接副端面摩擦系數和螺紋摩擦系數的變化趨勢一致， 扭矩系數在前5 次擰緊中標準偏差大于后5次，平均值在第3 次擰緊時達到最大后開始下降，在第（6～10）次擰緊中趨于平穩，略低于第1 次擰緊值，見圖8，這與張守陽等人進行的M6 無潤滑狀態下的扭矩系數均值變化相似[3]。 通過對螺栓連接副扭矩系數同組8 個數據的最大值和最小值分析， 同樣發現在第2 次擰緊和第3 次擰緊時二者差值最大后趨于減小，呈典型的棒槌結構，見圖9。

圖8 螺栓副8 組樣10 次擰緊數據-扭矩系數均值和標準偏差Fig.8 Ten sets of torque coefficient data

圖9 螺栓副8 組樣10 次擰緊數據-扭矩系數均值和極值Fig.9 Ten sets of torque coefficient data

第3 次擰緊扭矩系數高于第1 次6.9%， 高于第10次12.3%，在螺栓復用設計中要加以關注，特別是復用扭矩值的控制；第（6～10）次扭矩系數差值為0.8%基本一致，低于第1 次扭矩系數5.3%，為可接受范圍，在螺栓復用設計和施工中稍加注意即可。

2.4 機理分析

針對螺紋摩擦系數、 端面摩擦系數及扭矩系數的變化趨勢，使用光學顯微鏡測試螺栓端面和螺紋外觀，數據顯示在第5 次擰緊后的摩擦面基本趨于一致， 見圖5 和圖7。 對試驗后的螺紋中徑和大徑進行測試發現其數值變化與形貌一致呈現第2 組和第3 組最大， 后5 組穩定的規律。這符合基本摩擦學理論，即隨著摩擦的開始表面的毛刺被刮起后表現出更加的“粗糙”，但隨著摩擦次數的增多這些毛刺逐漸被磨平從而表現出“平滑”特征，且趨于平穩，見圖10。

3 結論

本文對螺栓連接副重復擰緊進行研究， 具體分析了端面摩擦系數、螺紋摩擦系數、扭矩系數的變化規律及影響原因，得到如下結論：

螺栓連接副的端面摩擦系數和螺紋摩擦系數均隨復用擰緊次數的增加呈先增后減的趨勢；

螺栓連接副的端面摩擦系數和螺紋摩擦系數均當復用擰緊次數超過5 次后呈穩定趨勢。

螺栓連接副扭矩系數在10 次復擰中的最大值超出第1 次擰緊值的6.9%， 滿足施工力矩±10%的要求，但在設計及施工中應加以注意。

螺栓連接副扭矩系數在第（6～10）次復擰中扭矩系數最小值低于第1 次擰緊值的5.3%，滿足施工力矩±10%的要求，但在設計及施工中應加以注意。

本文未研究螺栓連接副規格不同對其復用扭矩系數、端面摩擦系數、螺紋摩擦系數的影響，其他規格螺栓連接副復用時如采用該結論需加以慎重。

本文未研究螺栓連接副（受載）運行一定時間間隔后復用與實驗室無時間間隔情況下的反復拆擰復用之間的性能變化差異，在沒有明確的試驗驗證結果前，如使用本結論需加以慎重。