風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒法蘭螺栓采用扭矩-轉(zhuǎn)角控制緊固的工藝探討與研究

【摘

要】風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各組部件之間通常采用高強(qiáng)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(yù)緊力不均勻。風(fēng)力發(fā)電機(jī)常年運(yùn)行于復(fù)雜的自然條件下，螺栓連接在承受復(fù)雜交變載荷的情況下容易發(fā)生失效現(xiàn)象，進(jìn)而造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)角法的試驗(yàn)過程與結(jié)論?！娟P(guān)鍵詞】

螺栓連接

緊固

扭矩

預(yù)緊力

扭矩-轉(zhuǎn)角為了確保風(fēng)力發(fā)電設(shè)備螺栓連接的剛性、緊密性、防松性能，使螺栓獲得設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命，在設(shè)備運(yùn)行中能承受一定的載荷，螺栓必須被施加一個(gè)預(yù)緊力。重要的螺栓連接對預(yù)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(yù)緊力的監(jiān)測是一個(gè)值得研究的課題。目前，國內(nèi)重工業(yè)領(lǐng)域螺栓緊固方式有三種：扭矩法、扭矩-轉(zhuǎn)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(jì)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(jìn)而影響螺栓的預(yù)緊力。扭矩-轉(zhuǎn)角控制法緊固是一種非直接的控制螺栓預(yù)緊力的方法，其主要原理是在螺栓材料的彈性階段進(jìn)行緊固，螺母轉(zhuǎn)動的角度、螺栓伸長量與所獲得的螺栓預(yù)緊力呈正比例關(guān)系。扭矩-轉(zhuǎn)角控制法緊固得到的預(yù)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(yàn)確定“貼合扭矩”和轉(zhuǎn)動角度后，可以獲得較高的預(yù)緊力精度和較小的分散度。為對比扭矩法、扭矩-轉(zhuǎn)角法緊固螺栓的特點(diǎn)，下面從緊固工藝原理、風(fēng)機(jī)塔筒螺栓試驗(yàn)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(qiáng)度螺栓連接的緊固一般是通過擰緊螺母實(shí)現(xiàn)的，最常用的方法是扭矩法和扭矩轉(zhuǎn)角法。扭矩法是目前為止最常見和最經(jīng)濟(jì)的緊固方法，是一種根據(jù)施加扭矩大小和螺栓產(chǎn)生的軸力之間存在一定關(guān)系所制定的緊固方法。扭矩計(jì)算常用的公式有長公式：

①T-施加的扭矩F-螺栓中產(chǎn)生的預(yù)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(chǎn)生的預(yù)緊力K-螺母系數(shù)其中K為螺母系數(shù)，需要由實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用工況進(jìn)行測定。當(dāng)采用扭矩控制方式獲得螺紋緊固的預(yù)緊力時(shí)，施加扭矩為定值，則預(yù)緊力為③或④由上述施加扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系可知，在理想情況下施加的扭矩與螺栓獲得的預(yù)緊力成正比，可以用控制扭矩的方式得到需要的預(yù)緊力。然而在實(shí)際的緊固過程中所發(fā)生的遠(yuǎn)比理論公式要復(fù)雜得多。擰緊螺母的過程實(shí)際上是對整個(gè)螺母-螺栓-連接結(jié)構(gòu)做功，一部份輸入功轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形而根本不產(chǎn)生預(yù)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(jìn)而影響螺栓的預(yù)緊力。工程中常用的公式②采用螺母系數(shù)K的方法進(jìn)行扭矩值的計(jì)算，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是總結(jié)了試驗(yàn)中可能影響扭矩和預(yù)緊力之間關(guān)系的所有因素，包括摩擦、扭轉(zhuǎn)、彎曲、螺紋的塑性變形，以及其它可能的因素。缺點(diǎn)是只能由試驗(yàn)確定，而且對每個(gè)螺紋連接都必須重新試驗(yàn)確定，即便這樣，系數(shù)K仍然不能被視為一個(gè)定值，而是一個(gè)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(zhì)、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(nèi)變化[5，6]。德國工程師協(xié)會(VDI)在VDI2230標(biāo)準(zhǔn)中，以擰緊系數(shù)αA來評定不同緊固方法所獲得的預(yù)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(guān)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(yàn)證明鋼結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的螺栓預(yù)緊力的影響1.2扭矩-轉(zhuǎn)角控制緊固法螺栓緊固的目的是為了獲得螺栓預(yù)緊力，而預(yù)緊力的產(chǎn)生是由于螺栓在金屬材料受到拉伸產(chǎn)生一定的伸長量進(jìn)而產(chǎn)生的應(yīng)力。轉(zhuǎn)角控制法緊固是一種非直接的控制螺栓伸長量的方法，因?yàn)槔碚撋下菟ㄔ诼菥嗌系木€性變形與產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動角度成正比。

⑤θR

-螺母轉(zhuǎn)動的角度p-螺紋的螺距ΔL-螺栓的伸長量螺栓的預(yù)緊力：

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

圖3：螺母或螺絲桿不受約束時(shí)轉(zhuǎn)動螺母的緊固只有當(dāng)螺母和螺絲桿（連接構(gòu)件）受到相對限制以后，進(jìn)一步轉(zhuǎn)動才會拉伸螺栓。當(dāng)連接構(gòu)件和螺母壓縮時(shí)，螺母旋轉(zhuǎn)過程中部分地向下移動到連接構(gòu)件中，同時(shí)產(chǎn)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(gè)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(gòu)件被壓縮，螺栓被拉伸，相當(dāng)于兩個(gè)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(gòu)件的剛度KBJ-連接副的剛度因此，螺栓上產(chǎn)生的預(yù)緊力為⑧由上式⑧可知，螺栓預(yù)緊力與螺母轉(zhuǎn)動角度呈線性關(guān)系，并且螺紋連接產(chǎn)生的預(yù)緊力與連接副的摩擦力無關(guān)，消除了摩擦力對預(yù)緊力的影響，但與螺栓和被連接件的剛度有關(guān)。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(yù)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(gè)被連接件拉齊、對中，消除多個(gè)連接件之間的間隙，使連接副達(dá)到一個(gè)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(zhuǎn)動的角度與施加的扭矩和產(chǎn)生的預(yù)緊力呈正比例的關(guān)系。通常認(rèn)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?yàn)樗玫降念A(yù)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(diǎn)開始計(jì)算轉(zhuǎn)動角度即可。實(shí)際生產(chǎn)中測量的螺母轉(zhuǎn)動角度通常是指螺母相對于機(jī)器、或地面、或其它固定的參考點(diǎn)而不是螺栓本身。實(shí)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(yù)緊的情況下有可能螺母轉(zhuǎn)動半圈也不會增加任何的螺栓預(yù)緊力；而如果在一個(gè)潤滑較好的連接中，螺母多轉(zhuǎn)動半圈有可能得到超過材料屈服點(diǎn)的預(yù)緊力。因此轉(zhuǎn)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(guān)；進(jìn)入轉(zhuǎn)角控制后，在彈性范圍內(nèi)，理論上預(yù)緊力與摩擦系數(shù)無關(guān)，但摩擦力會影響施加的扭矩值。進(jìn)入屈服區(qū)以后，預(yù)緊力的變化主要與螺栓的強(qiáng)度有關(guān)，而且由于斜率減小，旋轉(zhuǎn)同等角度在屈服區(qū)域帶來的預(yù)緊力變化遠(yuǎn)比彈性區(qū)域的小，因此預(yù)緊力的離散度大大減少。所以，對于要求預(yù)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(zhuǎn)角緊固工藝。

圖5：扭矩-轉(zhuǎn)角控制法緊固中轉(zhuǎn)動角度與預(yù)緊力的關(guān)系示意圖德國工程師協(xié)會(VDI)在VDI2230標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到屈服極限點(diǎn)的超彈性區(qū)域緊固，得到的預(yù)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(diǎn)的散布[1]，但初步擰緊所需的“貼合扭矩”及施加的轉(zhuǎn)動角度需由實(shí)驗(yàn)測定。2試驗(yàn)對比分析2.1扭矩控制法緊固試驗(yàn)為了驗(yàn)證扭矩轉(zhuǎn)角控制緊固法在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備上的應(yīng)用，選取了某風(fēng)場2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒法蘭進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)螺栓規(guī)格為M48*285，共114顆，材質(zhì)為35CrMo，主機(jī)廠家推薦的緊固扭矩為4700NM，螺栓分布圖如下：

圖6：試驗(yàn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒螺栓分布圖試驗(yàn)1采用可以記錄轉(zhuǎn)動角度的智能液壓力矩扳手緊固系統(tǒng)，按原設(shè)計(jì)廠家推薦扭矩對114顆螺栓進(jìn)行緊固，記錄每個(gè)螺栓的轉(zhuǎn)動角度，并通過測量螺栓伸長量的方式計(jì)算采用普通扭矩緊固后每顆螺栓獲得的預(yù)緊力，并計(jì)算預(yù)緊力的標(biāo)準(zhǔn)方差。通過扭矩控制法緊固后獲得的扭矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖7所示。達(dá)到廠家的原設(shè)計(jì)緊固扭矩時(shí)螺母轉(zhuǎn)動角度的分布散點(diǎn)圖由計(jì)算機(jī)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(jì)算出螺栓的預(yù)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(zhuǎn)動角度離散圖圖9：4700NM緊固后預(yù)緊力分布圖2.2根據(jù)扭矩控制法緊固曲線制訂扭矩-轉(zhuǎn)角工藝進(jìn)行試驗(yàn)根據(jù)扭矩控制法緊固的曲線進(jìn)行分析，結(jié)合風(fēng)機(jī)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(zhuǎn)角法緊固的“貼合扭矩”為2500NM。為達(dá)到與扭矩控制法緊固近似的結(jié)果，通過分析曲線確定轉(zhuǎn)動的角度為30°-35°，確定后續(xù)試驗(yàn)的方案為2500NM+35°進(jìn)行試驗(yàn)。圖10：根據(jù)扭矩緊固曲線初步制訂扭矩-轉(zhuǎn)角緊固工藝扭矩轉(zhuǎn)角工藝確定后進(jìn)行試驗(yàn)2：對5顆螺栓分兩組進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)緊固結(jié)果曲線如圖11所示。達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)動角度后，計(jì)算機(jī)獲取最終施加的扭矩值，最終扭矩分布散點(diǎn)圖如圖12所示。圖11：初步擬定扭矩-轉(zhuǎn)角緊固工藝實(shí)施緊固的曲線圖12：試驗(yàn)緊固后最終扭矩分布散點(diǎn)圖最終達(dá)到的平均扭矩比原設(shè)計(jì)值4700NM稍低，為了進(jìn)一步接近原設(shè)計(jì)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(jìn)行緊固。2.3扭矩-轉(zhuǎn)角控制法緊固試驗(yàn)在另外一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相同位置最終采用2500NM+40°轉(zhuǎn)角進(jìn)行緊固，緊固后的扭矩-角度曲線如圖13所示。達(dá)到最終轉(zhuǎn)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(jì)算螺栓預(yù)緊力，預(yù)緊力的分布曲線如圖15所示。圖13：2500NM+40°扭矩-轉(zhuǎn)角工藝緊固后的扭矩-轉(zhuǎn)角曲線圖14：達(dá)到最終轉(zhuǎn)動角度以后的最終扭矩值分散圖圖15：2500NM+40°扭矩-轉(zhuǎn)角緊固后測量螺栓預(yù)緊力分布圖2.4扭矩控制法與扭矩-轉(zhuǎn)角控制法緊固后預(yù)緊力的統(tǒng)計(jì)分析扭矩控制法與扭矩-轉(zhuǎn)角控制法緊固后預(yù)緊力的平均值、中位值及標(biāo)準(zhǔn)方差對比如表1所示。扭矩控制法緊固后的預(yù)緊力正態(tài)分布圖如圖16所示。扭矩-轉(zhuǎn)角控制法緊固后的預(yù)緊力正態(tài)分布圖如圖17所示。表1：扭矩控制法與扭矩-轉(zhuǎn)角控制法緊固后預(yù)緊力的統(tǒng)計(jì)分析圖16：扭矩法緊固的預(yù)緊力正態(tài)分布圖

圖17：扭矩轉(zhuǎn)角法緊固的預(yù)緊力正態(tài)分布圖3結(jié)論本文主要通過緊固工藝?yán)碚摲治雠c風(fēng)機(jī)塔筒螺栓試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，證明了風(fēng)機(jī)塔筒法蘭螺栓采用扭矩-轉(zhuǎn)角控制法緊固的預(yù)緊力的標(biāo)準(zhǔn)方差較普通扭矩控制法緊固有較大的提升，預(yù)緊力均勻度得到較大改善，與理論研究結(jié)果相符。扭矩-轉(zhuǎn)角法應(yīng)用的關(guān)鍵在于根據(jù)現(xiàn)場工況確定適當(dāng)?shù)摹百N合扭矩”和轉(zhuǎn)動角度。在保證塔筒法蘭完全對中閉合，能