隨機(jī)載荷作用下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)高強(qiáng)度螺栓疲勞特性分析

彭文書

摘要：本文主要就隨機(jī)載荷作用下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)高強(qiáng)度螺栓疲勞特性進(jìn)行了簡要的分析，以其相關(guān)的力學(xué)特征、計(jì)算方法、影響因素等為切入口，探討隨機(jī)載荷作用下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)高強(qiáng)度螺栓疲勞特性的內(nèi)在規(guī)律，為提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)高強(qiáng)度螺栓的使用性能與安全性能提供可靠的理論基礎(chǔ)，繼而促進(jìn)我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：隨機(jī)載荷;風(fēng)力發(fā)電機(jī);高強(qiáng)度螺栓;疲勞特性

前言

高強(qiáng)度螺栓對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用性能以及安全性能有著非常重要的影響，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)當(dāng)中具有中重要作用的部件[1]。高強(qiáng)度螺栓的主要作用是固定發(fā)電機(jī)與塔架直接的連接性，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的扭力存在許多的不穩(wěn)定因素，高強(qiáng)度螺栓在長時(shí)間的載荷作用力下容易出現(xiàn)使用性疲勞，鑒于此，必須要對隨機(jī)載荷作用下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)高強(qiáng)度螺栓疲勞特性進(jìn)行探究，從其力學(xué)特征、工作狀態(tài)等因素考慮。高強(qiáng)度螺栓隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的載荷作用的不同而隨時(shí)變化著。目前，我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域經(jīng)常采用法蘭面狀態(tài)對高強(qiáng)度螺栓疲勞特性進(jìn)行判定[2]。法蘭面狀態(tài)是一種多線性模型，與傳統(tǒng)的單一性模型相比較，疲勞特性的判定更為準(zhǔn)確。

本文分析了高強(qiáng)度螺栓的力學(xué)特征，采取SEIDEL的分析方法以及雨流計(jì)數(shù)法，就高強(qiáng)度螺栓疲勞特性進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果合理修正高強(qiáng)度螺栓的角度、水平線等方面的內(nèi)容。

1.風(fēng)力發(fā)電機(jī)高強(qiáng)度螺栓的力學(xué)物理分析

1.1預(yù)緊力分析

隨機(jī)載荷作用下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于需要高速轉(zhuǎn)動，所產(chǎn)生的甩力與扭力非常大，如果螺栓組的預(yù)緊力不足，風(fēng)力發(fā)電機(jī)很有可能會直接損壞，為了保證螺栓組的可靠性，必須要施加相應(yīng)的預(yù)緊力。當(dāng)預(yù)緊力太大的時(shí)候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)與螺栓組的接面承受力不足，往往會直接導(dǎo)致螺栓被扯斷，受壓面爆裂而被壓潰。當(dāng)預(yù)緊力太小的時(shí)候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)與螺栓組的接面粘合力不足，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)強(qiáng)大的扭力之下，兩者發(fā)生位移，造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)的損壞。因此，合適施加風(fēng)力發(fā)電機(jī)與螺栓組的預(yù)緊力顯得尤為重要，計(jì)算預(yù)緊力的正確公式為：

F1=（0.7～0.8）asAs，bolt

其中，as為螺栓材料的屈服點(diǎn)數(shù)值，常以MPA表示;As，bolt為公稱應(yīng)力截面積;以mm?表示。一般而言，預(yù)應(yīng)力經(jīng)過初步計(jì)算之后，往往需要進(jìn)行二次檢驗(yàn)才允許被應(yīng)用于實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電機(jī)高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力施加，二次檢驗(yàn)的結(jié)果與首次計(jì)算的結(jié)果的誤差低于0.05，即被視為合理，可進(jìn)行施加。施加預(yù)緊力的方法主要有三種：一是拉伸法，二是轉(zhuǎn)角法，三是扭矩法，其中扭矩法的應(yīng)用最為廣泛。筆者僅以扭矩法的具體安裝方法進(jìn)行闡述，首先，潤滑螺桿與螺母，使用的潤滑材料多為S2Mo;其次，在螺桿與螺母直接加裝鐵質(zhì)墊片;最后，強(qiáng)力擰合。

1.2外載荷分析

對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)高強(qiáng)度螺栓外載荷力的確定，常規(guī)的方法是尋找螺栓組當(dāng)中受力最大的一顆螺栓，通過預(yù)緊力的計(jì)算公式，計(jì)算出其受力值。由于螺栓與法蘭面的形心幾乎是完全重合的，因此需要我們可以結(jié)合螺栓的預(yù)緊力值與其受力的特點(diǎn)，計(jì)算出正確的外載荷力，計(jì)算的公式如下：

其中，R為螺栓的圓半徑，計(jì)數(shù)單位為mm;M為連接處傾覆力矩;β為軸心與螺栓的夾角數(shù)值，計(jì)數(shù)單位為x°;Z為螺栓組中螺栓的總數(shù);i為計(jì)數(shù)符號;Fz為隨機(jī)載荷作用下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架坐標(biāo)圖中的y軸的數(shù)值。

1.3相對剛度分析

為了使隨機(jī)載荷作用下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)高強(qiáng)度螺栓的咬合力更加符合使用要求，往往必須把載荷合理分配，經(jīng)過分配的載荷我們一般稱之為相對剛度[5]。在相對剛度當(dāng)中，螺栓與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的連接部件便不再是固定元件了，具有可變化性。與所有的螺桿一樣，高強(qiáng)度螺栓中的螺桿也具有兩種類型，分別是光桿螺桿與螺紋螺桿，雖然這兩種螺桿的使用方法與使用范圍有所不通，然而在相對剛度的計(jì)算當(dāng)中，兩者之間的差異允許被忽略不算，同樣作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)中彈簧的串聯(lián)部件，與預(yù)緊力以及外載荷不同，相對剛度的計(jì)算公式有多條，并不固定，筆者在此僅列舉常用的兩條計(jì)算公式，以供參考，如下：

，

其中，lc為夾緊長度，計(jì)數(shù)單位以mm表示;Db為螺栓設(shè)計(jì)直徑，計(jì)數(shù)單位以mm表示;E為螺栓的彈性模量，計(jì)數(shù)單位以MPA表示。

1.4連接工作狀態(tài)分析

螺栓組的連接工作狀態(tài)主要是依據(jù)法蘭面的工作狀態(tài)、載荷的數(shù)值、單個(gè)螺栓的應(yīng)力范圍三者結(jié)合而確定的。其中，單個(gè)螺栓的應(yīng)力范圍可劃分為兩個(gè)部分，分別是ZⅠ以及ZⅡ。一般而言，螺栓組的連接工作狀態(tài)主要包括閉合、張開、半閉半張三種狀態(tài)，計(jì)算方法各有不同。首先是螺栓組的閉合狀態(tài)，其計(jì)算公式如下所示：

其次是螺栓組的張開狀態(tài)，其計(jì)算公式如下所示：

最后是螺栓組的半閉半張狀態(tài)，其計(jì)算公式如下所示：

其中，F(xiàn)1為預(yù)緊力，計(jì)數(shù)單位為kN;FD為縱坐標(biāo)值，即是螺栓組所承受的載荷值，計(jì)數(shù)單位為kN;F為外載荷，計(jì)數(shù)單位為kN;b為螺栓孔與法蘭面的直線距離，計(jì)數(shù)單位為mm;x為載荷分配系數(shù)。

2.高強(qiáng)度螺栓疲勞特性的計(jì)算方法

隨機(jī)載荷作用下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)高強(qiáng)度螺栓在長時(shí)間的使用下，經(jīng)受多次強(qiáng)力拉扯與彎曲，其表面往往會呈現(xiàn)出細(xì)微的裂痕，隨著時(shí)間的推移，細(xì)微的裂痕會逐漸擴(kuò)大，直至整個(gè)螺栓完全斷裂。螺栓疲勞的整個(gè)結(jié)構(gòu)可以理解為：螺桿的所承受的壓力超出了其本身的設(shè)計(jì)承受范圍，抗彎的剛度因長期的使用而被大大削弱，并且漸漸完全喪失，當(dāng)螺桿的抗彎剛度不復(fù)存在，而隨機(jī)載荷作用下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行強(qiáng)度越來越大的時(shí)候，此消彼長，高強(qiáng)度螺旋的疲勞性便顯現(xiàn)無疑，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)損壞。一般而言，我們在對高強(qiáng)度螺栓疲勞特性進(jìn)行分析的時(shí)候，必須要先選取合適的疲勞應(yīng)力，結(jié)合預(yù)緊力、外載荷、相對剛度三者的具體數(shù)值，加以計(jì)算，可得出高強(qiáng)度螺栓的交變值，當(dāng)交變值越大，證明疲勞度越高，反之亦然。具體的計(jì)算公式如下所示：

除此之外，筆者認(rèn)為高強(qiáng)度螺栓疲勞函數(shù)曲線很大程度上受到對稱循環(huán)載荷作用力的影響，因此，在經(jīng)過上式的計(jì)算之后，得出的交變值可繪制成高強(qiáng)度螺栓疲勞函數(shù)曲線，隨后需要進(jìn)行檢驗(yàn)，即是在高強(qiáng)度螺栓疲勞函數(shù)曲線的基礎(chǔ)上，加入循環(huán)參量再次加以計(jì)算，根據(jù)二次計(jì)算的結(jié)果對高強(qiáng)度螺栓疲勞函數(shù)曲線進(jìn)行修正，具體的計(jì)算公式如下所示：

當(dāng)高強(qiáng)度螺栓出現(xiàn)疲勞顯行特征時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行安全便受到了嚴(yán)重的威脅，鑒于此，必須要對高強(qiáng)度螺栓的疲勞安全壽命進(jìn)行準(zhǔn)確的估算，以便及時(shí)更換螺栓，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行安全。通常情況下，我們都是使用線形損傷累積法則（Palmgren Miner）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的公式如下所示：

其中，D（T）為周期內(nèi)高強(qiáng)度螺栓的總損傷值;N（Sk）為破壞壽命;Sk為對稱循環(huán)應(yīng)力水平。此外，當(dāng)高強(qiáng)度螺栓的疲勞特征達(dá)到臨界點(diǎn)的時(shí)候，需要及時(shí)予以更換。更換的時(shí)候，相關(guān)的工作人員先使用電動扳手將原先的螺栓擰松，隨后取下;其次，安裝新的高強(qiáng)度螺栓，先是手動旋合，然后再使用電動扳手施加相應(yīng)的預(yù)緊力;最后，對預(yù)緊力進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算其預(yù)緊拉力是否符合使用標(biāo)準(zhǔn)。

3.風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒高強(qiáng)度螺栓選擇標(biāo)準(zhǔn)

目前，我國市面上流通的風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒高強(qiáng)度螺栓的型號與標(biāo)準(zhǔn)較為繁多，如果選用了錯(cuò)誤的螺栓，難以滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒正常的使用要求，那么對風(fēng)力發(fā)電機(jī)所造成的影響將會是巨大的，嚴(yán)重時(shí)會造成人員傷亡，鑒于此，筆者認(rèn)為必須要根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的建成年限、設(shè)計(jì)使用壽命、整體高度、橫截面寬度等因素進(jìn)行詳細(xì)的分析，選擇合適的高強(qiáng)度螺栓。筆者在此僅以我國某地2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)環(huán)以及首節(jié)塔筒高強(qiáng)度螺栓為例進(jìn)行簡要的論述，作為選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒高強(qiáng)度螺栓選擇標(biāo)準(zhǔn)的參考。

首先，根據(jù)（GL）的相關(guān)規(guī)定，合理假設(shè)螺栓的疲勞載荷工況，通過1.2節(jié)中的公式計(jì)算出隨機(jī)外載荷，并將風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒頂部位置的隨機(jī)外載荷與底部位置的隨機(jī)外載荷進(jìn)行比對，并繪制高強(qiáng)度螺栓疲勞函數(shù)曲線表，再通過線形插值計(jì)算出多個(gè)位置的螺栓載荷，以類比的方法推測風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒高強(qiáng)度螺栓的扭力承受上限數(shù)值，如果此數(shù)值高于先前假設(shè)的螺栓的疲勞載荷工況，則以風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒高強(qiáng)度螺栓的扭力承受上限數(shù)值作為選用高強(qiáng)度螺栓的標(biāo)準(zhǔn)，如果該數(shù)值低于先前假設(shè)的螺栓的疲勞載荷工況，則以假設(shè)的螺栓的疲勞載荷工況作為選用高強(qiáng)度螺栓的標(biāo)準(zhǔn)。

4.環(huán)境因素對高強(qiáng)度螺栓的影響

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境都是空曠的平野或海上區(qū)域，所經(jīng)受的自然條件的考驗(yàn)非常嚴(yán)峻。與此同時(shí)，高強(qiáng)度螺栓的疲勞性除了自身使用壽命的制約之外，外部自然環(huán)境的侵蝕也是不容忽視的重要因素。陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境相對而言要理想一些，對高強(qiáng)度螺栓的影響因素包括雨水的侵蝕，出現(xiàn)銹化現(xiàn)象，太陽的長期暴曬，致使鋼制的高強(qiáng)度螺栓的內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，整體的硬度與韌度都大大下降，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行造成了較大的安全隱患。

而海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境則比較惡劣，非常容易遭受鹽霧以及油浸的侵蝕，由于海水的鹽度非常高，在陽光的作用下蒸發(fā)成汽，并且海上環(huán)境的晝夜溫差比較大，容易形成鹽霧，而鋼鐵材質(zhì)的高強(qiáng)度螺栓對鹽度非常敏感，即便是涂刷了防銹油漆，也非常容易產(chǎn)生銹化現(xiàn)象。此外，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的部分高強(qiáng)度螺栓需要浸沒在海水之中，進(jìn)一步降低了高強(qiáng)度螺栓的使用性能，疲勞性特征更加明顯。因此，風(fēng)力發(fā)電站的相關(guān)工作人員，需要定期對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行檢修，對于已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重疲勞特征的高強(qiáng)度螺栓，必須要及時(shí)進(jìn)行更換，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。

5.陸地風(fēng)電和海上風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓的具體區(qū)別

由于陸地風(fēng)力發(fā)電機(jī)與海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境存在著非常明顯的差異，因此，為了保證兩者.陸地風(fēng)電和海上風(fēng)電的使用性能與安全性能，必須在深入分析兩者工作環(huán)境的差別之后，選用合適的高強(qiáng)度螺栓，以滿足隨機(jī)載荷作用下的使用要求。

通常情況下，陸地風(fēng)電的運(yùn)行環(huán)境要優(yōu)于海上風(fēng)電的運(yùn)行環(huán)境，海上風(fēng)電的高強(qiáng)度螺栓由于長期經(jīng)受鹽霧以及油浸的侵蝕，其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)守恒性較較差，并且容易出現(xiàn)銹化現(xiàn)象，剛度與韌度都大大下降，而陸地風(fēng)電的高強(qiáng)度螺栓的工作環(huán)境除了雨雪天氣之外，整體的工作環(huán)境比較干燥，其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)守恒性相對較好，出現(xiàn)銹化的期限更長，這是陸地風(fēng)電和海上風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓的具體區(qū)別之一。鑒于此，必須要充分認(rèn)識到陸地風(fēng)電和海上風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓的具體區(qū)別，主要考慮軸線荷載以及傾覆彎矩的具體情況，一般而言，海上風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓的軸線荷載以及傾覆彎矩的數(shù)值要比陸地風(fēng)電的要大，抗疲勞的性能要求也更高。

6.結(jié)語

總而言之，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部結(jié)構(gòu)都非常復(fù)雜，零部件的種類與數(shù)目都比較多，螺栓的作用往往被忽視， 而螺栓對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)卻有著較大的影響，如果螺栓出現(xiàn)疲勞性特征而得不到及時(shí)的更換，那么其與風(fēng)力發(fā)電機(jī)與塔架的連接性就會大大降低，在強(qiáng)大的扭力與甩力的共同作用下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)非常容易損壞。鑒于此，筆者認(rèn)為風(fēng)力發(fā)電站的相關(guān)工作人員都應(yīng)該充分認(rèn)識到螺栓的重要性，強(qiáng)化螺栓的選用、安裝、潤滑、維護(hù)、檢測、更換等方面的工作力度，避免已經(jīng)存在疲勞性特征的螺栓繼續(xù)在工作，杜絕風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)安全隱患。本文就螺栓的預(yù)緊力、外載荷、相對剛度、連接工作狀態(tài)進(jìn)行了簡要的分析，并列舉了幾條有關(guān)于高強(qiáng)度螺栓疲勞特性的計(jì)算公式，闡述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒高強(qiáng)度螺栓選擇標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境因素對高強(qiáng)度螺栓的影響、陸地風(fēng)電和海上風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓的具體區(qū)別等內(nèi)容，以期促進(jìn)我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的平穩(wěn)發(fā)展。

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