風力發(fā)電機塔筒法蘭螺栓采用扭矩-轉角控制緊固的工藝探討與研究

【摘

要】風力發(fā)電機組的各組部件之間通常采用高強度螺栓連接。法蘭連接螺栓的緊固主要是靠施加扭矩來完成，容易造成螺栓預緊力不均勻。風力發(fā)電機常年運行于復雜的自然條件下，螺栓連接在承受復雜交變載荷的情況下容易發(fā)生失效現(xiàn)象，進而造成風力發(fā)電機的不安全事件。本文介紹了螺栓緊固由扭矩法優(yōu)化為扭矩-轉角法的試驗過程與結論?！娟P鍵詞】

螺栓連接

緊固

扭矩

預緊力

扭矩-轉角為了確保風力發(fā)電設備螺栓連接的剛性、緊密性、防松性能，使螺栓獲得設計疲勞強度和疲勞壽命，在設備運行中能承受一定的載荷，螺栓必須被施加一個預緊力。重要的螺栓連接對預緊力的精度和均勻度要求較高，對于螺栓的緊固方法和螺栓預緊力的監(jiān)測是一個值得研究的課題。目前，國內重工業(yè)領域螺栓緊固方式有三種：扭矩法、扭矩-轉角法、屈服極限控制法等，扭矩法是目前為止最常見、最經(jīng)濟的緊固方法，但由于螺栓的材料類型、表面處理、制造精度、潤滑條件、緊固速度、環(huán)境溫濕度等不同都會影響緊固過程的摩擦因素，進而影響螺栓的預緊力。扭矩-轉角控制法緊固是一種非直接的控制螺栓預緊力的方法，其主要原理是在螺栓材料的彈性階段進行緊固，螺母轉動的角度、螺栓伸長量與所獲得的螺栓預緊力呈正比例關系。扭矩-轉角控制法緊固得到的預緊力可以減少或消除摩擦力的影響，而只受連接副剛度系數(shù)的影響，再根據(jù)現(xiàn)場工況通過試驗確定“貼合扭矩”和轉動角度后，可以獲得較高的預緊力精度和較小的分散度。為對比扭矩法、扭矩-轉角法緊固螺栓的特點，下面從緊固工藝原理、風機塔筒螺栓試驗等方面分析論證。1緊固工藝原理分析1.1扭矩控制法高強度螺栓連接的緊固一般是通過擰緊螺母實現(xiàn)的，最常用的方法是扭矩法和扭矩轉角法。扭矩法是目前為止最常見和最經(jīng)濟的緊固方法，是一種根據(jù)施加扭矩大小和螺栓產生的軸力之間存在一定關系所制定的緊固方法。扭矩計算常用的公式有長公式：

①T-施加的扭矩F-螺栓中產生的預緊力p-螺紋牙距μt

-螺母的螺紋與螺栓桿螺紋的摩擦系數(shù)d2

-螺栓桿的螺紋的摩擦圓直徑De

-螺釘頭或螺母承載面的摩擦圓直徑μn

-螺釘頭或螺母承載面的摩擦系數(shù)或者采用更加簡化的短公式：T=KDF②T-施加的扭矩F-螺栓中產生的預緊力K-螺母系數(shù)其中K為螺母系數(shù)，需要由實驗根據(jù)實際的應用工況進行測定。當采用扭矩控制方式獲得螺紋緊固的預緊力時，施加扭矩為定值，則預緊力為③或④由上述施加扭矩與預緊力的關系可知，在理想情況下施加的扭矩與螺栓獲得的預緊力成正比，可以用控制扭矩的方式得到需要的預緊力。然而在實際的緊固過程中所發(fā)生的遠比理論公式要復雜得多。擰緊螺母的過程實際上是對整個螺母-螺栓-連接結構做功，一部份輸入功轉變成螺栓的拉長或摩擦損失（如上述公式①所示），另外一些輸入功則轉化為螺栓扭曲變形、螺栓桿的彎曲、螺母的變形或連接處的變形等。極端情況下，例如螺紋磨損或發(fā)生“咬牙”，輸入扭矩只產生扭轉變形而根本不產生預緊力。由于螺栓的材料類型、表面處理、制造精度、潤滑條件、緊固速度、環(huán)境溫度濕度等不同，都會影響緊固過程的摩擦因素，進而影響螺栓的預緊力。工程中常用的公式②采用螺母系數(shù)K的方法進行扭矩值的計算，這種方法的優(yōu)點是總結了試驗中可能影響扭矩和預緊力之間關系的所有因素，包括摩擦、扭轉、彎曲、螺紋的塑性變形，以及其它可能的因素。缺點是只能由試驗確定，而且對每個螺紋連接都必須重新試驗確定，即便這樣，系數(shù)K仍然不能被視為一個定值，而是一個取決于螺紋精度等聯(lián)接條件的變量。一般而言，根據(jù)螺紋的精度、材質、表面狀況及潤滑等條件的不同，即使同一種連接工況下K值可以在0.1-0.5甚至更寬的范圍內變化[5，6]。德國工程師協(xié)會(VDI)在VDI2230標準中，以擰緊系數(shù)αA來評定不同緊固方法所獲得的預緊力分散度。對于扭矩控制法緊固工藝，VDI2230描述其擰緊系數(shù)αA=1.4~1.6，載荷分散度約為±17%~±23%[1]，可見對于關鍵位置的螺紋連接采用扭矩控制法需慎重選擇。圖1：通過試驗證明鋼結構螺栓連接中螺母系數(shù)的分散情況

圖2：扭矩控制法在輸入扭矩及摩擦力影響下對產生的螺栓預緊力的影響1.2扭矩-轉角控制緊固法螺栓緊固的目的是為了獲得螺栓預緊力，而預緊力的產生是由于螺栓在金屬材料受到拉伸產生一定的伸長量進而產生的應力。轉角控制法緊固是一種非直接的控制螺栓伸長量的方法，因為理論上螺栓在螺距上的線性變形與產生的轉動角度成正比。

⑤θR

-螺母轉動的角度p-螺紋的螺距ΔL-螺栓的伸長量螺栓的預緊力：

⑥式中，KB為螺栓的剛度但是實際的工況沒有這么簡單。如圖3所示，只有當螺母受到剛性約束或者螺絲桿受到鋼性的約束時，轉動螺母，螺母和螺栓桿產生相對運動等于一個螺距，但是連接副顯然不會產生任何預緊力。

圖3：螺母或螺絲桿不受約束時轉動螺母的緊固只有當螺母和螺絲桿（連接構件）受到相對限制以后，進一步轉動才會拉伸螺栓。當連接構件和螺母壓縮時，螺母旋轉過程中部分地向下移動到連接構件中，同時產生螺栓向上的位移——換句話說，螺栓被拉伸了。螺母和螺栓之間的相對位移仍然是輸入一圈的一個螺距（如果我們忽略螺栓扭曲），但該相對位移中只有一部分是螺栓伸長量。螺栓連接在螺母向下緊固過程中，連接構件被壓縮，螺栓被拉伸，相當于兩個彈簧串聯(lián)在一起，連接副作為串聯(lián)彈簧的系統(tǒng)剛度：

⑦KB-螺栓的剛度KJ-連接構件的剛度KBJ-連接副的剛度因此，螺栓上產生的預緊力為⑧由上式⑧可知，螺栓預緊力與螺母轉動角度呈線性關系，并且螺紋連接產生的預緊力與連接副的摩擦力無關，消除了摩擦力對預緊力的影響，但與螺栓和被連接件的剛度有關。典型的螺栓緊固曲線如圖4。在緊固過程中，螺母并不是一開始就受力，在第一階段螺母由快速預緊扭矩（snugtorque）擰緊到接觸被連接件；在第二階段以較低的“貼合扭矩”(thresholdtorque/pre-torque)將各個被連接件拉齊、對中，消除多個連接件之間的間隙，使連接副達到一個緊密貼合的狀態(tài)。

圖4：典型的螺栓緊固曲線第三階段中，螺母轉動的角度與施加的扭矩和產生的預緊力呈正比例的關系。通常認為通過角度控制的螺紋緊固比通過扭矩控制的螺紋緊固更加具有優(yōu)勢，因為所得到的預緊力大大減少了摩擦力的影響，而只受連接副剛度系數(shù)的影響。緊固人員只需考慮從哪一點開始計算轉動角度即可。實際生產中測量的螺母轉動角度通常是指螺母相對于機器、或地面、或其它固定的參考點而不是螺栓本身。實際上如果螺紋發(fā)生了“咬合”現(xiàn)象，在法蘭被“貼合扭矩”或更大的扭矩初步預緊的情況下有可能螺母轉動半圈也不會增加任何的螺栓預緊力；而如果在一個潤滑較好的連接中，螺母多轉動半圈有可能得到超過材料屈服點的預緊力。因此轉角法也不是完全排除了摩擦力的影響，在開始角度控制前所施加的“貼合扭矩”與摩擦系數(shù)直接相關；進入轉角控制后，在彈性范圍內，理論上預緊力與摩擦系數(shù)無關，但摩擦力會影響施加的扭矩值。進入屈服區(qū)以后，預緊力的變化主要與螺栓的強度有關，而且由于斜率減小，旋轉同等角度在屈服區(qū)域帶來的預緊力變化遠比彈性區(qū)域的小，因此預緊力的離散度大大減少。所以，對于要求預緊力充足并且均勻的螺紋連接，越來越多的廠家采用超彈性的屈服區(qū)扭矩轉角緊固工藝。

圖5：扭矩-轉角控制法緊固中轉動角度與預緊力的關系示意圖德國工程師協(xié)會(VDI)在VDI2230標準中，對于扭矩-角度控制法緊固的描述，VDI2230描述其擰緊系數(shù)αA=1.2~1.4，載荷分散度約為±9%~±17%。通過扭矩角度控制法達到屈服極限點的超彈性區(qū)域緊固，得到的預緊力精度的分散度在很大程度上取決于該批次螺栓的材料屈服點的散布[1]，但初步擰緊所需的“貼合扭矩”及施加的轉動角度需由實驗測定。2試驗對比分析2.1扭矩控制法緊固試驗為了驗證扭矩轉角控制緊固法在風力發(fā)電設備上的應用，選取了某風場2MW風力發(fā)電機塔筒法蘭進行試驗。試驗螺栓規(guī)格為M48*285，共114顆，材質為35CrMo，主機廠家推薦的緊固扭矩為4700NM，螺栓分布圖如下：

圖6：試驗的風力發(fā)電機塔筒螺栓分布圖試驗1采用可以記錄轉動角度的智能液壓力矩扳手緊固系統(tǒng)，按原設計廠家推薦扭矩對114顆螺栓進行緊固，記錄每個螺栓的轉動角度，并通過測量螺栓伸長量的方式計算采用普通扭矩緊固后每顆螺栓獲得的預緊力，并計算預緊力的標準方差。通過扭矩控制法緊固后獲得的扭矩-轉角曲線如圖7所示。達到廠家的原設計緊固扭矩時螺母轉動角度的分布散點圖由計算機自動獲取，如圖8所示。通過記錄螺栓的原始長度，緊固后再測量其伸長量，計算出螺栓的預緊力分布曲線如圖9所示。

圖7：4700NM扭矩控制法緊固后的扭矩-角度曲線圖8：4700NM緊固后的螺母轉動角度離散圖圖9：4700NM緊固后預緊力分布圖2.2根據(jù)扭矩控制法緊固曲線制訂扭矩-轉角工藝進行試驗根據(jù)扭矩控制法緊固的曲線進行分析，結合風機吊裝的螺栓緊固工藝，第一步緊固不小于最終扭矩的50%，確定扭矩轉角法緊固的“貼合扭矩”為2500NM。為達到與扭矩控制法緊固近似的結果，通過分析曲線確定轉動的角度為30°-35°，確定后續(xù)試驗的方案為2500NM+35°進行試驗。圖10：根據(jù)扭矩緊固曲線初步制訂扭矩-轉角緊固工藝扭矩轉角工藝確定后進行試驗2：對5顆螺栓分兩組進行試驗，試驗緊固結果曲線如圖11所示。達到設定的轉動角度后，計算機獲取最終施加的扭矩值，最終扭矩分布散點圖如圖12所示。圖11：初步擬定扭矩-轉角緊固工藝實施緊固的曲線圖12：試驗緊固后最終扭矩分布散點圖最終達到的平均扭矩比原設計值4700NM稍低，為了進一步接近原設計的最終扭矩，在保證安全的前提下，最終修訂緊固工藝為2500NM+40°進行緊固。2.3扭矩-轉角控制法緊固試驗在另外一臺風力發(fā)電機的相同位置最終采用2500NM+40°轉角進行緊固，緊固后的扭矩-角度曲線如圖13所示。達到最終轉動角度以后的最終扭矩值分散圖如圖14所示。測量螺栓伸長量后計算螺栓預緊力，預緊力的分布曲線如圖15所示。圖13：2500NM+40°扭矩-轉角工藝緊固后的扭矩-轉角曲線圖14：達到最終轉動角度以后的最終扭矩值分散圖圖15：2500NM+40°扭矩-轉角緊固后測量螺栓預緊力分布圖2.4扭矩控制法與扭矩-轉角控制法緊固后預緊力的統(tǒng)計分析扭矩控制法與扭矩-轉角控制法緊固后預緊力的平均值、中位值及標準方差對比如表1所示。扭矩控制法緊固后的預緊力正態(tài)分布圖如圖16所示。扭矩-轉角控制法緊固后的預緊力正態(tài)分布圖如圖17所示。表1：扭矩控制法與扭矩-轉角控制法緊固后預緊力的統(tǒng)計分析圖16：扭矩法緊固的預緊力正態(tài)分布圖

圖17：扭矩轉角法緊固的預緊力正態(tài)分布圖3結論本文主要通過緊固工藝理論分析與風機塔筒螺栓試驗統(tǒng)計分析，證明了風機塔筒法蘭螺栓采用扭矩-轉角控制法緊固的預緊力的標準方差較普通扭矩控制法緊固有較大的提升，預緊力均勻度得到較大改善，與理論研究結果相符。扭矩-轉角法應用的關鍵在于根據(jù)現(xiàn)場工況確定適當?shù)摹百N合扭矩”和轉動角度。在保證塔筒法蘭完全對中閉合，能