武飛　常寶軍　顧富斌　彭沖

摘　要：本文采用壓力傳感器、NI采集模塊組成的載荷測(cè)試系統(tǒng)對(duì)螺栓所受到的載荷進(jìn)行分析，結(jié)合螺栓連接的預(yù)緊力、應(yīng)力幅等因素對(duì)螺栓連接中螺栓的斷裂原因進(jìn)行了初步探討，初步判斷出螺栓斷裂原因，并給出改進(jìn)意見。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；變槳軸承；輪轂；螺栓；斷裂

1　背景

某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的7#, 31#, 27#機(jī)組變槳軸承與輪毅聯(lián)接雙頭螺栓出現(xiàn)斷裂情況，其中2013年6月13日發(fā)現(xiàn)7#機(jī)組螺栓斷裂2顆，2013年8月16日發(fā)現(xiàn)31#機(jī)組螺栓斷裂1顆，2013年9月22日、10月及2014年1月14日發(fā)現(xiàn)27#機(jī)組螺栓斷裂各1顆。

變槳軸承與輪毅聯(lián)接處厚度均為169mm，雙頭螺柱露出變槳軸承長(zhǎng)度為70±1m，輪毅內(nèi)M30螺紋?？坠饪咨疃葹?2m。即雙頭螺柱與輪毅旋合扣的距離L=169+70+12+3.5（一個(gè)螺距）=254.5mm.現(xiàn)場(chǎng)檢查該機(jī)組的相鄰螺栓及另外兩支葉片上的聯(lián)接螺栓，未發(fā)現(xiàn)螺栓松動(dòng)，機(jī)組未見其他異常。該批斷裂螺栓強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)，由圖1可以看出，兩顆螺栓斷裂位置均為螺栓與螺紋孔旋合Z后一扣位置。

圖1：變槳軸承連接輪毅螺栓斷裂位置

現(xiàn)場(chǎng)找到一顆完整斷裂螺栓，斷面清晰，見圖2、圖3。由圖中可以看出，該螺栓斷口為典型的疲勞斷口，有明顯的貝紋狀疲勞線。由線條很細(xì)膩可以看出，造成螺栓疲勞撕裂的應(yīng)力幅值較小，Z后斷裂位置區(qū)域很小，也能說明這一點(diǎn)（該顆螺栓是在更換過程中，拆卸時(shí)擰斷）。

為方便描述斷裂螺栓所在位置，特按以下規(guī)則對(duì)螺栓位置進(jìn)行編號(hào)：葉片順槳，斷螺栓的軸承對(duì)應(yīng)的葉片鎖定在左側(cè)斜向上方向，站在葉根，面向變槳軸承，以右手邊固定變槳柜支架螺栓左側(cè)顆螺栓編號(hào)為1#，逆時(shí)針方向依次為2#、3#--59#、60#，如圖1所示。以上機(jī)組螺栓斷裂位置見表1。

圖4：螺栓位置編號(hào)

表1：螺栓斷裂位置統(tǒng)計(jì)

2　測(cè)試方案

由于設(shè)備局限，本次共使用8個(gè)壓力傳感器，因此傳感器布置位置有限。由表1可知，螺栓斷裂主要集中在1#到7#螺栓位，故此處作為布放傳感器的重點(diǎn)位置，為與該部位做對(duì)比，重點(diǎn)部位對(duì)稱方向及垂直方向各布置1顆傳感器，各螺栓位置與傳感器對(duì)應(yīng)的編號(hào)為：1#螺栓一1#傳感器、3#螺栓一2#傳感器、4#螺栓一3#傳感器、6#螺栓一4#傳感器、52#螺栓一5#傳感器、7#螺栓一6#傳感器、22#螺栓一7#傳感器、37#螺栓一8#傳感器，機(jī)組在正常工作時(shí)（葉片在0度位置），葉片翼緣與傳感器布置位置見圖5。

由于需要測(cè)得機(jī)組滿發(fā)功率以上大風(fēng)數(shù)據(jù)，因此本采集系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，能夠在遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)不同風(fēng)速和轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)采集。

圖5：機(jī)組上實(shí)際安裝傳感器情況

測(cè)試系統(tǒng)由NI的Compact RIO模塊組成，能夠?qū)崟r(shí)采集并存儲(chǔ)載荷數(shù)據(jù)。采樣率設(shè)定在lOHz（Z高可設(shè)定在lOkHz）。壓力傳感器在使用前先進(jìn)行標(biāo)定，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程的操作，方便在選定風(fēng)速段下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)。

3　測(cè)試數(shù)據(jù)

本次測(cè)試一共對(duì)3臺(tái)機(jī)組五只葉片的不同風(fēng)速風(fēng)況進(jìn)行了測(cè)試，得到了5只葉片在小風(fēng)以及滿發(fā)條件下的螺栓受力數(shù)據(jù)。由于測(cè)試周期有限，沒有得到風(fēng)速大于14米/秒以上的數(shù)據(jù)。本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，所使用的扭矩倍增器和力矩扳手均校驗(yàn)過，并且每次都用的新螺栓。圖6為3#葉片機(jī)組在滿發(fā)情況下，各個(gè)傳感器螺栓受力情況。

圖6：31#機(jī)組3#葉片實(shí)際受力圖

圖7：空轉(zhuǎn)到靜止?fàn)顟B(tài)圖

圖8：靜止到運(yùn)行并網(wǎng)

圖9：信號(hào)比對(duì)

圖7和圖8是葉輪空轉(zhuǎn)到靜止以及靜止到運(yùn)行并網(wǎng)的螺栓受力圖。將4#, 7#, 8#和5#傳感器的想栓載荷（預(yù)緊力）時(shí)域圖以同樣的直流信號(hào)進(jìn)行對(duì)比（如圖9)，可以看出螺栓受力規(guī)律，且載翁周期同葉輪轉(zhuǎn)頻一致，不存在跳變。

圖10：變槳螺栓360度應(yīng)力幅值變化趨勢(shì)

表2：3#葉片在不同工況下螺栓受力及應(yīng)力幅值

由表2可以看出，在1#-10#螺栓所處位置受到的工作載荷引起的應(yīng)力幅值較大。其中，4#和6#螺栓的應(yīng)力幅值達(dá)到了20Mpa左右，是引起疲勞斷裂的主要原因。

表3：螺栓預(yù)緊力統(tǒng)計(jì)

表3為在現(xiàn)場(chǎng)用扭矩倍增器緊固螺栓后的預(yù)緊力統(tǒng)計(jì)。

4　測(cè)試結(jié)論及建議

4.1結(jié)論

通過上述測(cè)試和數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：

1)變槳軸承與輪毅連接螺栓的受力主要受到葉片自重和風(fēng)載荷的影響，當(dāng)站在上風(fēng)向面向風(fēng)機(jī)，葉片處于三點(diǎn)鐘位置時(shí),葉根處受力Z大。對(duì)于螺栓所受工作載荷來說，應(yīng)力幅值Z大區(qū)域位于1＃-10#螺栓位置，且應(yīng)力幅值超過20Mpa。

2)通過對(duì)5只葉片批次測(cè)量到的安裝預(yù)緊力Z終值，說明扭矩倍增器離散性很大，標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均值的比值在8%-12%。在按照標(biāo)準(zhǔn)力矩值施工時(shí)，Z大預(yù)緊力甚至達(dá)到了570KN,Z小力矩值只有360KN。

造成現(xiàn)場(chǎng)使用扭矩倍增器緊固螺栓造成結(jié)果離散性很大的一個(gè)原因是操作原因。由于葉根部位空間狹窄，且葉輪鎖定角度一般為Y字型，扭矩倍增器安放時(shí)始終處于傾斜狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)更換螺栓的工程師操作的動(dòng)作的差別，都會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的不一致。這一點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)也得到驗(yàn)證。

圖 11

4.2建議

根據(jù)以上數(shù)據(jù)和結(jié)論，給出以下建議：

1)現(xiàn)場(chǎng)更換螺栓時(shí)，嚴(yán)格按照螺栓更換工藝，盡量使用精度高的力矩工具，并且將葉輪鎖定在倒Y字型，需要更換螺栓的葉片處于垂直向上位置；

2)針對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)中應(yīng)力幅較高的區(qū)域，建議增加螺栓墊片厚度，如圖11所示。使用增長(zhǎng)的螺栓和加厚的墊片，可以有效的降低其疲勞載荷。

（來源：全國(guó)風(fēng)電后市場(chǎng)專題研討會(huì)）