关键词：风力发电机；螺栓连接；可靠性技术
0 引言
风力发电机组是由一些相关部件通过一定的联接方式组成的。其中螺栓连接作为风力发电机组主要零部件装配的重要联接方式之一，如变桨轴承与轮毂、定转子与主轴、机舱与塔架等。因此螺栓联接是否可靠，将直接关系到风力机组运行的安全。绝大数螺纹联接在装配时都必须拧紧,使联接在承受工作载荷之前,预先受到力的作用。这个预加的作用力称为预紧力。预紧的目的在于增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对滑移。
螺栓预紧力可以通过多种方法进行控制。目前，在风电行业中最为广泛使用的螺栓连接预紧工艺为扭矩拧紧法，通过扭矩扳手设定的扭矩值来控制被连接件的预紧力，其优点是简单、直观。
1 预紧力的确定
预紧力的大小需根据螺栓组受力的大小和连接的工作要求决定。设计时首先保证所需的预紧力，又不应使连接结构的尺寸过大。一般规定拧紧后螺纹连接件预紧应力不得大于其材料的屈服点的80%。对于连接用钢制螺栓，推荐的预紧力F0计算如下：
钢结构用高强度螺栓 （1）
碳素钢螺栓 .png)
合金钢螺栓
式中 ——螺栓材料的屈服点，Mpa,见表一；
——螺栓公称应力截面积，mm2，见表二。
（2）
（3）
式中 d1 ——外螺纹小径，mm；
d2 ——外螺纹中径，mm；
d3 ——螺纹的计算直径，mm；
H ——螺纹的原始三角形高度，mm。
2 预紧力矩的计算
对于螺栓连接，其拧紧力矩T用于克服螺纹副的螺纹阻力矩T1及螺母与被连接件（或垫片）支撑面间的端面摩擦力矩T2，见图一。
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图一
（4）
（5）
式中 d——螺纹公称直径，mm；
F0——预紧力，N；
d2 ——螺纹中径，mm；
Φ ——螺纹升角；
——螺纹当量摩擦角，；
——螺纹当量摩擦因数；
——螺母与被连接件支撑面间的摩擦因数；
DW ——螺栓头（或螺母）正六边形内切圆直径；
d0 ——与螺栓相联接零件的孔径；
K ——拧紧力矩系数。
为了使计算简化，在一般机械设计中常假设=（此条件常近似符合工程实际）。
从式(4)可以看出，拧紧力矩系数K决定了拧紧力矩在转换成轴向拉力F(即预紧力)中所占的比例。
从式(5)可知，影响拧紧力矩系数 K 值的主要因素有螺栓的几何尺寸、螺栓及摩擦副间的摩擦系数μ及相联接零件的孔径。但就标准的螺栓而言，一旦螺栓的规格型号确定后，其直径、螺距、螺纹升角等都是一定值，所以螺栓的几何尺寸对 K 值的变化影响不是很大。只有摩擦因素的变化对螺栓的预紧力会产生较大的影响。由工程实践发现，螺栓及被联接件表面的粗糙度、螺栓是否使用润滑剂、润滑剂的种类及具体的应用的工艺等都会对系数 K 产生影响。随着接触表面摩擦条件的不同，转换成的预紧力也各不相同。螺栓润滑条件越好，摩擦系数越小，即拧紧力矩系数 K 越小，同一预紧力矩下转化的预紧力越大。但过大的预紧力可能会导致螺纹连接的失效。同样当螺栓润滑条件不好时，K 值就会过大，在同一预紧力矩下，转化成的预紧力越小，就有可能达不到设计的预紧要求。
虽然式(5)是反映拧紧力矩系数 K 值与螺栓的几何尺寸、与螺栓相联接零件的孔径及摩擦副的摩擦系数的关系式，但因摩擦系数的大小受很多因素的影响，使得计算结果与实测数据间往往存在一定的误差。对于 K 值较为精确的计算，目前国内外都还没有很好的方法。在实际工程中，对于拧紧力矩系数 K 的取值，通常先按式(5)进行计算，然后再根据实际经验或实验方法进行修整。根据我们的经验并参考《机械设计手册》，建议风力发电机组机使用的螺栓可根据其摩擦表面的实际情况、润滑程度及相关安装工艺将拧紧力矩系数 K值控制在0.1～0.15之间较为合适。
3 螺栓紧固力矩分配
根据实验资料显示作用于螺栓上的力矩分配如图二所示，在螺栓的预紧力矩中，其中约45%～50%用于克服螺栓头部下端面与垫片接触的部位所产生的摩擦力矩50%～55%作用于螺纹的啮合部位，而在这50%～55%预紧力矩中，约有35%～40%用于克服螺纹的啮合部位所产生的摩擦力矩，10%～20%预紧力矩转换成螺栓的预紧力。因此，如果螺栓头部下端的支撑面上因受一点小小粗糙度的影响，在原有占45%～50%支撑面上的摩擦力矩的基础上增加10%，则支撑面上的摩擦力矩的消耗就由原来的45%～50%增加到50%～55%。而作用于螺纹的啮合部位的预紧力矩就相应减少到 45%～50%。实验证明这减少的5%的预紧力矩对螺纹副之间的摩擦不会影响太大，而对螺栓的预紧力会产生直接影响。这意味着螺栓摩擦副中摩擦力的增加，最终直接影响螺栓预紧力。使螺栓预紧力直接下降。这就可能使得螺栓联接的部件存在较大的安全隐患。
4 预紧力的控制方法
4.1 力矩法
用测力矩扳手或者定力矩扳手控制预紧力，是国内外长期以来应用广泛的控制预紧力的方法。费用较低，一般认为误差有±25%。若表面有涂层、支撑面，螺纹表面质量较好，力矩扳手示值准确，则误差可显著减小。有润滑的控制效果较好。
4.2 转角法
螺母(或螺栓)拧紧时的旋转角度与螺栓伸长量和被拧紧件松动量的总和大致成比例关系,因而可采用按规定旋转角度来达到预定预紧力的方法。在最初拧紧时,先要确定极限扭矩(即实现连接密封所需的扭矩),把螺栓一直拧到
图二.png)
极限扭矩,再转过一个预定的角度,此即为转角法。
4.3 液压拉伸法
通过拉伸螺栓可达到预紧螺栓的目的，液压拉伸器的压力与要求的预拉伸力要对应，直接将螺栓拉伸到规定的预紧力。此种方法对预紧力的控制较为准确，但是受到安装位置和空间的限制，风力发电机组只能在部分连接处使用液压拉伸法进行预紧。
5 装配工艺及注意事项
5.1 螺栓检验及清理
使用前对螺栓进行检验与清理，确保被连接零部件的质量合格，与螺栓接触的表面清洁、平整无毛刺、油污，被连接的零部件之间表面应尽可能平行。
5.2 固体润滑膏的刷涂
保证在螺纹联接后期有足够的润滑剂填充在螺纹副的接触面之间，从工艺上保证螺纹摩擦系数的一致性，从而保证扭矩系数的一致性，进而保证预紧力均匀一致，在螺纹上涂抹固体润滑膏时，采用刷涂工艺，让螺纹牙扣中充满固体润滑膏，并保证刷涂长度为螺栓有效旋合长度。
5.3 装配时手动旋入
装配前螺母应可以用手在相应的螺栓上转动，如需要用工具才能转动螺母，则使用工具转动后应可以用手转动。
5.4 安装工具的选取
工具必须满足精度公差：预置式扭力扳手的精度公差为±4%；液压转矩扳手的精度公差为±4%；液压拉伸器的精度公差为±4%。
按照规定对量具、工具的精度进行定期校检。同时，必须遵守工具制造商的相关操作维护说明。预紧过程中，工具支撑位置应符合相应规定，且工具必须中心定位，以防止螺栓等紧固件损坏。
5.5 紧固顺序
如果螺栓连接中有多于3个螺栓排列成行，必须在中间连接处预紧，然后向外。在螺栓布置成环形排列时，必须十字交叉、对称均匀紧固。
6 结论
风电机组螺栓连接的质量和预紧力虽然在各个环节能进行控制，但其不可控因素依然存在，由于温度对扭矩因数也有一定的影响，而扭矩测定是在室温条件下进行， 加之在实际涂抹润滑剂过程中每个操作人员涂抹的均匀度不一， 导致螺栓预紧力只能控制在一定的范围内，而不能获得设计所要求的轴向拉伸力。所以风力发电机组在螺栓装配时，一定要按照要求的施工扭矩和方式执行，只有这样才能保证螺栓连接的可靠和风机的安全运行。
参考文献
［1］成大先．机械设计手册［M］．北京:化学工业出版社，2008
［2］涂刚.大型风力发电机组高强度螺栓预紧力矩的探讨［J］.能源工程，2011（3）：27-29
［3］风力发电机组螺栓选用及预紧力控制浅析［J］.机械制造，2015（53）：48-51
［4］风电行业用高强紧固件的润滑与紧固［J］.机械工程师，2011（3）：128-129
论文作者:左禾
论文发表刊物:《中国电业》2019年21期
论文发表时间:2020/3/10
标签：螺栓论文; 力矩论文; 螺纹论文; 摩擦论文; 扭矩论文; 系数论文; 摩擦系数论文; 《中国电业》2019年21期论文;