基于超聲波法的風電機組螺栓預緊力測量與控制研究*

吳 晨

(浙江機電職業技術學院 機械技術系，浙江 杭州 310053)

0 引 言

風力發電機組裝配過程中，槳葉螺栓連接、塔筒螺栓連接、變槳軸承與輪轂螺栓連接等關鍵位置的零部件均需要通過大六角高強螺栓進行連接，單臺機組M30規格及以上高強螺栓的使用量高達上千顆。在機組的吊裝和運行維護過程中，螺栓拆卸易出現問題[1-2]。根據GB/T33628-2017相關規定：基于扭矩法安裝高強螺栓，需要保證扭矩系數的平均值和標準差在規定范圍內，才能保證扭矩轉化為螺栓預緊力的精度滿足設計要求[3-5]。扭矩系數與螺栓螺紋表面處理直接相關，若掌握高強螺栓重復使用時扭矩系數的變化，保證其重復使用時螺栓獲得預緊力的精度，高強螺栓的重復使用將成為可能。

隨著螺栓預緊力測量技術的發展，超聲波測螺栓預緊力技術已經開始運用到實際工程中[6-7]。

本文將選用2.0 MW風電機組的變槳軸承與輪轂的連接位置進行測試，基于超聲波測螺栓預緊力技術，研究高強螺栓初次使用和二次使用時螺栓預緊力和扭矩系數的分布情況。

1 高強螺栓扭矩擰緊法

目前，對于大六角高強螺栓預緊的方法主要有扭矩擰緊法、扭矩轉角法和液壓拉伸法。

其中，扭矩擰緊法在風電行業中廣泛使用，該方法在擰緊時，只對一個確定的緊固扭矩進行控制，其原理如圖1所示。

圖1 扭矩擰緊法原理圖

扭矩法的基本原理是利用擰緊扭矩與螺栓預緊力的線性關系，在彈性區進行擰緊控制。為了獲得較高的安裝預緊力精度，需要控制扭矩系數的范圍，采用合適的液壓扭矩扳手。

采用扭矩擰緊法擰緊螺栓時，擰緊力矩計算公式為：

M=K·Q·d

(1)

式中：M—擰緊力矩，N·m；Q—預緊力，kN；K—扭矩系數；d—螺栓公稱直徑，mm。

目前，風電行業高強螺栓預緊扭矩擰緊法的安裝精度在±15%左右，一般要求機組關鍵連接部位高強螺栓的預緊力分布介于50%～85%屈服強度之間；低于50%為欠擰，高于85%為超擰。使用扭矩擰緊法，風電機組高強螺栓的目標預緊力一般設定在70%的屈服強度，結合高強螺栓出廠抽檢的平均扭矩系數，計算扭矩扳手的額定施擰扭矩。

2 超聲波測螺栓預緊力技術

超聲波測螺栓預緊力是一種依據聲彈性原理的間接測量方法[8]，通過獲得螺栓軸向預緊力與超聲波在螺栓中傳遞時間的變化關系，實現螺栓預緊力的測量。

超聲波法測螺栓預緊力有以下優點：(1)可以檢測螺栓上的絕對應力；(2)可對已經使用的螺栓進行應力檢測；(3)扭矩對應力檢測不造成影響。國內外研究學者針對超聲波法檢測螺栓預緊力做了大量的研究，并開發了多款高精度的小型便攜式螺栓預緊力測試儀，并在實際工程中得到運用[9-10]，其測試精度在±2%左右。

螺栓預緊力Q與伸長量ΔL的關系為：

(2)

式中：Q—預緊力，kN；L—螺栓夾持長度，mm；ΔL—螺栓變形伸長量，mm；E—彈性模量，MPa；As—螺栓應力截面積，mm2。

3 螺栓預緊力測量與分析

3.1 實驗對象

本文選用2 MW風電機組輪轂與變槳軸承連接螺栓進行高強螺栓預緊力測量與分析，選用90顆同一批次號的螺栓M36X335-10.9-dc71(GB/T 5782-2000)。

該批次螺栓連接副扭矩系數實驗出廠檢驗數據如表1所示。

表1 螺栓連接副扭矩系數出廠檢驗

如表1所示：按相關標準要求抽檢的8顆螺栓扭矩系數均在0.12～0.14之間，扭矩系數符合設計要求；平均扭矩系數為0.130，標準偏差0.002 5，小于標準要求值0.01，扭矩系數標準偏差符合要求。

該連接位置設計預緊力為螺栓材料屈服強度的70%，即：

Qm=0.7As·σs

(3)

式中：Qm—目標預緊力，kN；As—螺栓應力截面積，mm2；σs—螺栓材料屈服強度，MPa。

已知本實驗螺栓應力截面積As=816.7 mm2，螺栓材料屈服強度σs=940 MPa，計算可得目標預緊力Qm=538 kN。再由式(1)可計算得到該位置高強螺栓擰緊扭矩為2 520 N·m。

3.2 實驗步驟

本研究選用的連接螺栓位于輪轂與變槳軸承處，共計90顆(編號為1～90)。

連接螺栓位置及安裝測量如圖2所示。

圖2 連接螺栓位置及安裝測量

螺栓采用全涂抹的方式，使用型號為LPS04110的二硫化鉬。先用手動扭矩扳手依次擰緊90顆螺栓，再用2個液壓扭矩扳手(儀器精度±3%)依次按照1/3額定扭矩、2/3額定扭矩和100%額定扭矩分3次對角擰緊；完成100%額定扭矩擰緊后，立即用超聲波測試儀(儀器精度±2%)依次測量90顆螺栓預緊力。測試完成后，將90顆螺栓拆下，并清洗螺栓螺紋和墊片上的二硫化鉬，晾干后重復以上實驗步驟，進行該組螺栓二次安裝和預緊力測試。

3.3 實驗結果及分析

本文分別對首次使用和二次使用后的螺栓進行了預緊力測試。

首次使用后90顆螺栓預緊力統計直方圖如圖3所示。

圖3 首次使用螺栓預緊力分布統計直方圖

二次使用后90顆螺栓預緊力統計直方圖如圖4所示。

圖4 二次使用實驗螺栓預緊力分布統計直方圖

由圖(3,4)可知：兩組測量數據均服從正太分布，說明90顆螺栓預緊力的測量樣本具有隨機性。

(1)首次使用時，90顆螺栓預緊力平均值553 kN，稍高于目標預緊力538 kN，最小值和最大值分別為451 kN和653 kN，介于螺栓材料屈服強度的60%～85%之間，符合設計要求；

(2)二次使用時，90顆螺栓預緊力平均值480 kN，低于目標預緊力538 kN約10%，最小值和最大值分別為423 kN和537 kN，介于螺栓材料屈服強度的55%～70%之間，也符合設計要求。

90顆螺栓首次和二次使用螺栓扭矩系數分布的比較如圖5所示。

圖5 首次和二次使用螺栓扭矩系數分布的比較

由圖5可以看出：二次使用時，用相同大小的扭矩對螺栓進行預緊時，螺栓所獲得的預緊力呈整體下降趨勢，計算得到的螺栓扭矩系數呈整體增大趨勢。根據螺栓預緊力和扭矩系數的分布離散性可知，本次實驗條件下，二次使用時未導致螺栓扭矩系數的離散性增大。

由于螺栓初次使用前扭矩系數的檢驗是隨機抽檢同一批次螺栓中的8顆，為了比較實際安裝時螺栓扭矩系數與出廠檢驗扭矩系數的差異，筆者在輪轂與變槳軸承連接螺栓中選取9組螺栓(每組8顆)，每組8顆螺栓在螺栓安裝圓周面呈米字形布置。

實驗螺栓編號如表2所示。

表2 實驗螺栓分組

本研究分別測量圓周內每顆螺栓首次使用和二次使用后的扭矩系數，按組別分倉計算平均扭矩系數。

首次使用和二次使用后各分組螺栓平均扭矩系數如圖6所示。

圖6 首次使用和二次使用各分組平均扭矩系數

圖6中，首次使用時，各分組螺栓平均扭矩系數介于0.127～0.131之間，滿足扭矩系數介于0.12～0.14之間的要求，與出廠抽檢8顆螺栓扭矩系數0.130偏差較??；各組螺栓扭矩系數標準差介于0.008～0.010之間，高于出廠抽檢8顆螺栓扭矩系數標準差0.002 5，但滿足≤0.010的要求。

實際安裝時，螺栓扭矩系數與出廠抽檢螺栓扭矩系數存在偏差，主要原因為：(1)出廠抽檢螺栓扭矩系數是在實驗室條件下進行，測試的環境溫度、扭矩的加載方式等與現場實際安裝時存在差別；(2)施擰工具和測量儀器的精度誤差?？傮w而言，首次使用時，廠內安裝時測試的螺栓扭矩系數與出廠抽檢扭矩系數相差不大。

螺栓二次使用時，各分組螺栓平均扭矩系數介于0.142～0.149之間，較首次使用時扭矩系數平均增大13%左右；二次使用后各組螺栓扭矩系數標準差介于0.005～0.008之間，螺栓二次使用后扭矩系數超出出廠檢驗要求扭矩系數0.12～0.14的范圍，但超出不大，扭矩系數標準差仍滿足≤0.010的要求。

根據上文計算得到的二次使用螺栓預緊力測試數據可知，90顆螺栓二次使用后，預緊力仍介于螺栓材料屈服強度的55%～70%之間，滿足設計要求。

4 結束語

本文將超聲波法測螺栓預緊力技術應用到風電機組關鍵連接部位高強螺栓的預緊力測量中，利用高精度便攜式超聲波螺栓預緊力測試儀，完成了風電機組輪轂與變槳軸承連接螺栓在安裝過程中螺栓預緊力的精確測量與控制；基于實際裝配中的螺栓預緊力和扭矩系數的實驗結果，得出以下結論：

(1)高強螺栓首次使用時，螺栓扭矩系數較為穩定，與出廠抽檢扭矩系數相近，螺栓獲得的預緊力基本以目標預緊力(70%屈服強度)為對稱軸，呈正太分布，預緊力分布范圍符合設計要求；

(2)高強螺栓二次使用時，螺栓扭矩系數整體增大13%左右，扭矩系數分散度受二次使用影響不大，螺栓獲得的預緊力仍呈正態分布趨勢，預緊力整體低于目標預緊力，預緊力分布范圍仍符合設計要求，但預緊力測試最小值已接近設計要求下限值；

(3)根據相關要求，在保持施擰扭矩不變或適當提高施擰扭矩的情況下，高強螺栓可進行1次重復使用。

若要對高強螺栓進行多次重復使用，首先要對螺栓進行扭矩系數抽檢，根據實測的扭矩系數及其標準差，衡量調整施擰扭矩后螺栓獲得的預緊力是否滿足設計要求。