作者：吴　晨 (浙江机电职业技术学院机械技术系ꎬ浙江杭州３１００５３)

出处：《机电工程》2020年第1期

 

０　引　言

    风力发电机组装配过程中ꎬ桨叶螺栓连接、塔筒螺栓连接、变桨轴承与轮毂螺栓连接等关键位置的零部件均需要通过大六角高强螺栓进行连接，单台机组Ｍ３０ 规格及以上高强螺栓的使用量高达上千颗，在机组的吊装和运行维护过程中，螺栓拆卸易出现问题[１-２] 。根据ＧＢ/ Ｔ３３６２８ － ２０１７ 相关规定:基于扭矩法安装高强螺栓，需要保证扭矩系数的平均值和标准差在规定范围内，才能保证扭矩转化为螺栓预紧力的精度满足设计要求[３-５] ，扭矩系数与螺栓螺纹表面处理直接相关，若掌握高强螺栓重复使用时扭矩系数的变化，保证其重复使用时螺栓获得预紧力的精度，高强螺栓的重复使用将成为可能。

    随着螺栓预紧力测量技术的发展ꎬ超声波测螺栓预紧力技术已经开始运用到实际工程中[６-７] ，本文将选用２. ０ ＭＷ 风电机组的变桨轴承与轮毂的连接位置进行测试，基于超声波测螺栓预紧力技术，研究高强螺栓初次使用和二次使用时螺栓预紧力和扭矩系数的分布情况。

１　高强螺栓扭矩拧紧法

    目前，对于大六角高强螺栓预紧的方法主要有扭矩拧紧法、扭矩转角法和液压拉伸法。

    其中，扭矩拧紧法在风电行业中广泛使用，该方法在拧紧时，只对一个确定的紧固扭矩进行控制，其原理如图１ 所示。

 扭矩法的基本原理是利用拧紧扭矩与螺栓预紧力的线性关系，在弹性区进行拧紧控制。 为了获得较高的安装预紧力精度，需要控制扭矩系数的范围，采用合适的液压扭矩扳手。

    采用扭矩拧紧法拧紧螺栓时，拧紧力矩计算公式为:

Ｍ ＝ Ｋ*Ｑ*ｄ (１)

式中:Ｍ— 拧紧力矩，Ｎｍ；Ｑ— 预紧力，ｋＮ；Ｋ— 扭矩系数；ｄ— 螺栓公称直径，ｍｍ。

    目前，风电行业高强螺栓预紧扭矩拧紧法的安装精度在± １５％ 左右，一般要求机组关键连接部位高强螺栓的预紧力分布介于５０％ ~ ８５％ 屈服强度之间；低于５０％ 为欠拧，高于８５％ 为超拧ꎮ使用扭矩拧紧法，风电机组高强螺栓的目标预紧力一般设定在７０％ 的屈服强度ꎬ结合高强螺栓出厂抽检的平均扭矩系数，计算扭矩扳手的额定施拧扭矩。

２　超声波测螺栓预紧力技术

    超声波测螺栓预紧力是一种依据声弹性原理的间接测量方法[８] ，通过获得螺栓轴向预紧力与超声波在螺栓中传递时间的变化关系，实现螺栓预紧力的测量。超声波法测螺栓预紧力有以下优点:(１) 可以检测螺栓上的绝对应力；(２) 可对已经使用的螺栓进行应力检测；(３) 扭矩对应力检测不造成影响。国内外研究学者针对超声波法检测螺栓预紧力做了大量的研究，并开发了多款高精度的预紧力测试仪，并在实际工程中得到运用[９-１０] ，其测试精度在± ２％ 左右。

３　螺栓预紧力测量与分析

３. １　实验对象

    本文选用２ ＭＷ 风电机组轮毂与变桨轴承连接螺栓进行高强螺栓预紧力测量与分析，选用９０ 颗同一批次号的螺栓Ｍ３６Ｘ３３５ － １０. ９ － ｄｃ７１ (ＧＢ/ Ｔ ５７８２ －２０００)。该批次螺栓连接副扭矩系数实验出厂检验数据如表１ 所示。

       如表１ 所示:按相关标准要求抽检的８ 颗螺栓扭矩系数均在０. １２ ~ ０. １４ 之间，扭矩系数符合设计要求；平均扭矩系数为０. １３０，标准偏差０. ００２ ５，小于标准要求值０. ０１，扭矩系数标准偏差符合要求，该连接位置设计预紧力为螺栓材料屈服强度的７０％，即:

Ｑｍ ＝０. ７Ａｓ*σｓ (３)

式中:Ｑｍ—目标预紧力，ｋＮ；Ａｓ—螺栓应力截面积，ｍｍ２；σｓ—螺栓材料屈服强度，ＭＰａ。

    已知本实验螺栓应力截面积Ａｓ ＝ ８１６. ７ ｍｍ２，螺栓材料屈服强度σｓ ＝ ９４０ ＭＰａ，计算可得目标预紧力Ｑｍ ＝５３８ ｋＮ， 再由式(１)可计算得到该位置高强螺栓拧紧扭矩为２ ５２０ Ｎｍ。

３. ２　实验步骤

    本研究选用的连接螺栓位于轮毂与变桨轴承处，共计９０ 颗(编号为１ ~９０)。连接螺栓位置及安装测量如图２ 所示。

 螺栓采用全涂抹的方式ꎬ使用型号为ＬＰＳ０４１１０ 的二硫化钼。先用手动扭矩扳手依次拧紧９０ 颗螺栓，再用２ 个液压扭矩扳手(仪器精度±３％)依次按照１/３额定扭矩、２/３ 额定扭矩和１００％额定扭矩分３ 次对角拧紧；完成１００％额定扭矩拧紧后，立即用超声波测试仪(仪器精度± ２％)依次测量９０ 颗螺栓预紧力。 测试完成后ꎬ将９０ 颗螺栓拆下，并清洗螺栓螺纹和垫片上的二硫化钼ꎬ晾干后重复以上实验步骤，进行该组螺栓二次安装和预紧力测试。

３. ３　实验结果及分析

    本文分别对首次使用和二次使用后的螺栓进行了预紧力测试。首次使用后９０ 颗螺栓预紧力统计直方图如图３所示。二次使用后９０ 颗螺栓预紧力统计直方图如图４所示。由图(３，４)可知:两组测量数据均服从正太分布，说明９０ 颗螺栓预紧力的测量样本具有随机性。

(１)首次使用时，９０ 颗螺栓预紧力平均值５５３ ｋＮ，稍高于目标预紧力５３８ ｋＮ，最小值和最大值分别为４５１ ｋＮ 和６５３ ｋＮꎬ介于螺栓材料屈服强度的６０％ ~８５％之间ꎬ符合设计要求；

(２)二次使用时，９０ 颗螺栓预紧力平均值４８０ ｋＮ，低于目标预紧力５３８ ｋＮ 约１０％，最小值和最大值分别为４２３ ｋＮ 和５３７ ｋＮ，介于螺栓材料屈服强度的５５％ ~７０％之间ꎬ也符合设计要求。

 由图５ 可以看出:二次使用时ꎬ用相同大小的扭矩对螺栓进行预紧时，螺栓所获得的预紧力呈整体下降趋势，计算得到的螺栓扭矩系数呈整体增大趋势。根据螺栓预紧力和扭矩系数的分布离散性可知，本次实验条件下，二次使用时未导致螺栓扭矩系数的离散性增大。

    由于螺栓初次使用前扭矩系数的检验是随机抽检同一批次螺栓中的８ 颗，为了比较实际安装时螺栓扭矩系数与出厂检验扭矩系数的差异，笔者在轮毂与变桨轴承连接螺栓中选取９ 组螺栓(每组８ 颗)，每组８颗螺栓在螺栓安装圆周面呈米字形布置。实验螺栓编号如表２ 所示。

  本研究分别测量圆周内每颗螺栓首次使用和二次使用后的扭矩系数ꎬ按组别分仓计算平均扭矩系数，首次使用和二次使用后各分组螺栓平均扭矩系数如图６ 所示。

   图６ 中，首次使用时ꎬ各分组螺栓平均扭矩系数介于０. １２７ ~ ０. １３１ 之间，满足扭矩系数介于０. １２ ~０. １４之间的要求ꎬ与出厂抽检８ 颗螺栓扭矩系数０. １３０偏差较小；各组螺栓扭矩系数标准差介于０. ００８ ~０. ０１０之间，高于出厂抽检８ 颗螺栓扭矩系数标准差０. ００２ ５，但满足≤０. ０１０ 的要求。实际安装时，螺栓扭矩系数与出厂抽检螺栓扭矩系数存在偏差，主要原因为:(１)出厂抽检螺栓扭矩系数是在实验室条件下进行，测试的环境温度、扭矩的加载方式等与现场实际安装时存在差别；(２)施拧工具和测量仪器的精度误差。 总体而言，首次使用时，厂内安装时测试的螺栓扭矩系数与出厂抽检扭矩系数相差不大。

    螺栓二次使用时，各分组螺栓平均扭矩系数介于０.１４２ ~０. １４９ 之间，较首次使用时扭矩系数平均增大１３％左右；二次使用后各组螺栓扭矩系数标准差介于０.００５ ~０. ００８ 之间，螺栓二次使用后扭矩系数超出出厂检验要求扭矩系数０. １２ ~ ０. １４ 的范围，但超出不大，扭矩系数标准差仍满足≤０. ０１０ 的要求。根据上文计算得到的二次使用螺栓预紧力测试数据可知，９０ 颗螺栓二次使用后，预紧力仍介于螺栓材料屈服强度的５５％ ~７０％之间ꎬ满足设计要求。

４　结束语

    本文将超声波法测螺栓预紧力技术应用到风电机组关键连接部位高强螺栓的预紧力测量中，利用高精度便携式超声波螺栓预紧力测试仪，完成了风电机组轮毂与变桨轴承连接螺栓在安装过程中螺栓预紧力的精确测量与控制；基于实际装配中的螺栓预紧力和扭矩系数的实验结果ꎬ得出以下结论:

(１)高强螺栓首次使用时，螺栓扭矩系数较为稳定，与出厂抽检扭矩系数相近，螺栓获得的预紧力基本以目标预紧力(７０％ 屈服强度) 为对称轴。呈正太分布，预紧力分布范围符合设计要求；

(２)高强螺栓二次使用时，螺栓扭矩系数整体增大１３％左右，扭矩系数分散度受二次使用影响不大，螺栓获得的预紧力仍呈正态分布趋势，预紧力整体低

于目标预紧力，预紧力分布范围仍符合设计要求，但预紧力测试最小值已接近设计要求下限值；

(３)根据相关要求，在保持施拧扭矩不变或适当提高施拧扭矩的情况下，高强螺栓可进行１ 次重复使用；

    若要对高强螺栓进行多次重复使用，首先要对螺栓进行扭矩系数抽检，根据实测的扭矩系数及其标准差，衡量调整施拧扭矩后螺栓获得的预紧力是否满足设计要求。