風(fēng)機(jī)塔筒螺栓防松檢測(cè)技術(shù)

風(fēng)機(jī)塔筒螺栓防松檢測(cè)技術(shù)魏泰;吳坤;黃軍威【摘要】Preventloosingdetectionofhighstrengthboltshavealargeproportioninthewindturbinestoweroperationmaintenance,thestressmechanismofhighstrengthboltsconnectionswasmainlyanalyzedbytheory,theboltsloosenessofwindloadstandardvaluewascalculatedundernormalworkingloadconditions.Basedonmathematicalmodelforcalculationconclusionputforwardahigherreliabilityofmonitoringsystem,caneffectivelyreducethemaintenancecostsandextendoperationmaintenanceandinspectioncycle.%高強(qiáng)度螺栓防松檢測(cè)在風(fēng)機(jī)塔筒運(yùn)營維護(hù)中占有較大比例，從理論上分析了高強(qiáng)度螺栓連接的受力機(jī)理，計(jì)算出正常工況載荷條件下螺栓松動(dòng)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值.基于數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)論，提出一種可靠度較高的監(jiān)控系統(tǒng)，可有效減少維護(hù)成本及適當(dāng)延長運(yùn)營維護(hù)檢測(cè)周期.【期刊名稱】《機(jī)械與電子》【年(卷)，期】2013(000)008【總頁數(shù)】3頁(P78-80)【關(guān)鍵詞】高強(qiáng)度螺栓;防松機(jī)理;扭矩法;防松監(jiān)測(cè)【作者】魏泰;吳坤;黃軍威【作者單位】甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究中心，甘肅蘭州730020;濟(jì)南軌道交通裝備有限責(zé)任公司風(fēng)電裝備研究所,山東濟(jì)南250022;甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究中心，甘肅蘭州I730020【正文語種】中文【中圖分類】TK830引言塔筒維護(hù)是風(fēng)機(jī)運(yùn)營維護(hù)的重要組成部分，其中，又以高強(qiáng)螺栓防松為關(guān)鍵。風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行中時(shí)，各連接部件的螺栓長期運(yùn)行在各種振動(dòng)的合力當(dāng)中，極易使其松動(dòng)。為了不使其在松動(dòng)后導(dǎo)致局部螺栓受力不均被剪切，必須定期對(duì)螺栓進(jìn)行防松檢查。設(shè)計(jì)出一套可靠的防松監(jiān)控系統(tǒng)，可大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度及運(yùn)營維護(hù)成本。1高強(qiáng)度螺栓連接的受力機(jī)理1.1高強(qiáng)度螺栓受力分析高強(qiáng)度螺栓連接是通過螺栓桿內(nèi)很大的擰緊預(yù)拉力把連接件夾緊，足以產(chǎn)生很大的摩擦力，從而提高連接的整體性和剛度。風(fēng)機(jī)塔筒所用的高強(qiáng)度螺栓是按照摩擦型連接進(jìn)行抗剪設(shè)計(jì)的，即高強(qiáng)度螺栓所承受的外剪力達(dá)到連接件接觸面間由螺栓擰緊力所提供的最大摩擦力作為極限狀態(tài)，也即是保證連接在整個(gè)使用期間內(nèi)外剪力不超過最大摩擦力，連接件不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移變形（螺桿和孔壁之間始終保持原有空隙量），螺栓不承受剪力，連接件按彈性整體受力。涂油后的螺栓可降低螺栓扭矩系數(shù)，減小螺栓的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的影響，改善螺栓扭矩系數(shù)用較小的扭矩達(dá)到較大的預(yù)緊力，但同時(shí)會(huì)對(duì)螺栓的防松有負(fù)面的影響，因此可采用替代品螺栓緊固膠，不僅可減小扭矩系數(shù)，且負(fù)面影響很小。1.2高強(qiáng)度螺栓連接松動(dòng)分析高強(qiáng)度螺栓采用普通螺紋，在靜載荷下，螺紋升角（1°42,<^<3°2,）小于螺旋副的當(dāng)量摩擦角（6.5°即V<10.5°）。因此，連接螺紋都能滿足自鎖條件（Wv"），再加上擰緊后螺母和螺栓頭部與被連接件或墊圈支撐面之間的摩擦力，在靜載荷和工作溫度變化不大時(shí)，螺紋連接很難自動(dòng)松脫。螺母開始松動(dòng)時(shí)，要克服螺紋力矩和螺母支撐面力矩的阻礙。在螺栓預(yù)緊力F0的作用下，以擰緊力矩T連接的螺栓副，只要作用在螺母或螺栓頭部的松動(dòng)力矩TE不大于阻止螺母松動(dòng)的力矩TR，連接就不會(huì)松動(dòng)。但在變載、振動(dòng)和沖擊力的作用下，螺栓副的摩擦系數(shù)會(huì)急劇下降，且螺栓副和螺母支撐面處的摩擦阻力會(huì)瞬時(shí)消失，螺栓副不能滿足自鎖條件而有微量蠕變和滑動(dòng)，導(dǎo)致螺母回轉(zhuǎn)，這樣多次重復(fù)就會(huì)導(dǎo)致螺栓連接松動(dòng)。1.3高強(qiáng)度螺栓扭矩法施工受力分析如圖1所示，由于擰緊力矩T（T=FL）的作用，使螺栓和風(fēng)機(jī)塔筒法蘭之間產(chǎn)生預(yù)緊力F0。由機(jī)械原理可知，擰緊力矩T等于螺旋副間的摩擦阻力矩T1和螺母環(huán)形端面與風(fēng)機(jī)塔筒法蘭（或墊圈）支撐面間的摩擦阻力矩T2之和；螺栓頭環(huán)形端面與風(fēng)機(jī)塔筒法蘭（或墊圈）支撐面間的摩擦阻力矩T3產(chǎn)生反向力矩，與T2相等［1］。即圖1螺栓受力螺旋副間的摩擦力矩為：螺母與風(fēng)機(jī)塔筒法蘭面間的摩擦力矩為：以風(fēng)機(jī)塔筒連接常用的高強(qiáng)螺栓M36為例，螺紋中徑d2=0.924d；螺紋升角W=arctan［1.5/（nd2）］（1.5為粗牙螺紋；n為螺紋線數(shù)）；螺旋副的當(dāng)量摩擦角"=arctan（”cos30°）3為摩擦系數(shù)，當(dāng)涂螺栓緊固膠時(shí)，取p=0.12；30°為螺紋半斜面角）；螺栓孔直徑d0?1.1d；螺栓環(huán)形支撐面的外徑D0?1.5d；螺母與支撐面之間的摩擦系數(shù)pc=0.15o將上述參數(shù)代入式（5）整理后得:1.4高強(qiáng)度螺栓在拉壓交變力作用下的松動(dòng)機(jī)理當(dāng)螺栓連接受到壓力AF,使螺桿預(yù)緊力由F0降為F',即當(dāng)F20.526F0，即壓力AFv0.474F0時(shí)，螺栓不松動(dòng)。0.474F0即為47.4%的載荷設(shè)計(jì)值。根據(jù)風(fēng)機(jī)載荷規(guī)范GL2010可知[3],乘以y=1.35,得64%的載荷標(biāo)準(zhǔn)值。故在正常載荷工況條件下，用扭矩法施工的高強(qiáng)度螺栓在64%的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下有可能松動(dòng)。2螺栓防松長期監(jiān)測(cè)技術(shù)及設(shè)備2.1檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)建立一套可行的長期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是為了杜絕因螺栓松動(dòng)而發(fā)生重大安全事故，能夠讓風(fēng)機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也能夠節(jié)約運(yùn)營維護(hù)成本。其優(yōu)點(diǎn)有：投資約為風(fēng)機(jī)總造價(jià)的0.1%，但能確保其安全運(yùn)行。有針對(duì)性、有目的檢修，可以減少運(yùn)營維護(hù)投入，減少人力消耗。準(zhǔn)確、有效反饋信息可延長全面檢修的周期。2.2風(fēng)機(jī)塔筒螺栓防松監(jiān)測(cè)裝置傳感器安裝位置如圖2所示。圖2傳感器安裝位置每一層塔筒法蘭處，沿圓周均布4個(gè)螺栓防松傳感器。每一層4個(gè)放松傳感器，以塔筒門角度方向?yàn)槠鹗键c(diǎn)，順時(shí)針每隔90°布局，編號(hào)為入，B,C和D。以現(xiàn)在主流的4節(jié)塔筒為例，每個(gè)風(fēng)機(jī)塔筒自下而上有5個(gè)法蘭高強(qiáng)度螺栓緊固區(qū)，依次可編號(hào)為1、2、3、4和5（針對(duì)塔筒和主機(jī)的緊固件的檢測(cè)，可視位置情況做相應(yīng)的調(diào)整）。一個(gè)風(fēng)機(jī)塔筒上的螺栓防松報(bào)警器可以惟一的由法蘭編號(hào)和傳感器編號(hào)組合表示。一個(gè)風(fēng)機(jī)塔筒上所有螺栓防松傳感器可以采用一個(gè)電源；信號(hào)傳輸至主控柜，并最終傳至風(fēng)場(chǎng)監(jiān)控中心的監(jiān)控顯示屏上。2.3系統(tǒng)工作分析在指定的被監(jiān)測(cè)螺母上安裝一個(gè)角度傳感器及接收器，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得出螺母逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度信號(hào)，該信號(hào)是以正弦函數(shù)形式輸出。如圖3所示，將螺栓的最大預(yù)緊力作為初始狀態(tài)，傳感器的計(jì)數(shù)值設(shè)為0，隨著螺栓的蠕動(dòng)，螺母會(huì)發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，傳感器隨之計(jì)數(shù)。螺母發(fā)生不同的轉(zhuǎn)動(dòng)角位移時(shí)，表示螺栓的預(yù)緊力有所松弛，當(dāng)螺栓發(fā)生10%的預(yù)緊力松弛時(shí)，監(jiān)控中心的黃色警示燈亮起，表示該螺母開始松動(dòng)；當(dāng)螺栓發(fā)生50%的預(yù)緊力松弛時(shí)，監(jiān)控中心的紅色警示燈亮起，表示該螺母及周邊的螺母需要及時(shí)進(jìn)行維護(hù)檢修。圖3傳感器安裝位置計(jì)數(shù)2.4參數(shù)檢測(cè)與控制機(jī)構(gòu)工作原理為了同步檢測(cè)螺栓副的預(yù)緊力松弛，系統(tǒng)采用非接觸角度傳感器，實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)測(cè)量和控制［4］。參數(shù)檢測(cè)與控制機(jī)構(gòu)工作原理如圖4所示。圖4參數(shù)檢測(cè)與控制機(jī)構(gòu)工作原理傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)入各路采樣保持電路，然后由多路開關(guān)可選擇地將各路信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，把檢測(cè)結(jié)果傳送到主控柜，并最終傳至風(fēng)場(chǎng)監(jiān)控中心的監(jiān)控顯示屏上。這樣的采樣保持電路用同一個(gè)信號(hào)控制時(shí)，即可保證同一時(shí)刻采集到各通道參數(shù)，又可以保證信號(hào)間的同步關(guān)系。這種采集方式非常適合螺栓防松檢測(cè)中對(duì)采集頻率要求不高的系統(tǒng)。3結(jié)束語高強(qiáng)度螺栓防松的原理，為塔筒高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接的可靠度及檢測(cè)數(shù)據(jù)提供支持；提供了一種可行的檢測(cè)系統(tǒng)，方便快捷地實(shí)現(xiàn)了塔筒用高強(qiáng)度螺栓的有效檢測(cè)，降低了成本；其實(shí)用性可拓展至整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中螺栓的監(jiān)測(cè)。塔筒用高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力檢測(cè)針對(duì)的是拉力松弛中螺栓螺母的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而螺栓的失效形式中螺紋的蠕動(dòng)造成的失效比重較大，對(duì)螺栓蠕動(dòng)的檢測(cè)技術(shù)是未來的研究趨勢(shì)，也可選用適合的角度編碼器來完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)任務(wù)。參考文獻(xiàn)：[1]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì).