風電齒輪箱箱體高強螺栓斷裂失效分析研究

馬金國，楊豫川，倪東海，敖 祥

(1. 華銳風電科技(集體)股份有限公司 北京 100000；2. 上海綠色環(huán)保能源有限公司 上海 200433)

風電齒輪箱箱體高強螺栓斷裂失效分析研究

馬金國1，楊豫川1，倪東海2，敖 祥1

(1. 華銳風電科技(集體)股份有限公司 北京 100000；2. 上海綠色環(huán)保能源有限公司 上海 200433)

本文針對現(xiàn)場兩根斷裂的齒輪箱箱體高強螺栓進行分析研究，得出螺栓斷裂的真正原因：除了螺栓自身材料性能不達標以外，螺栓的選型、螺紋孔的加工質量、螺栓的裝配工藝也是造成螺栓斷裂的重要原因。提出了通過利用高強雙頭螺柱替代高強螺栓，并優(yōu)化加工工藝和裝配工藝等措施，解決螺栓斷裂的問題，且取得了良好的效果。

風電齒輪箱；高強螺栓；斷裂

0 前言

風力發(fā)電是世界上使用最為廣泛和發(fā)展最快的綠色能源技術之一，中美聯(lián)合聲明帶頭承諾簽署巴黎氣候協(xié)議，同時中國十三五的能源發(fā)展規(guī)劃中明確表示，未來幾年內(nèi)中國在風電領域有很多大的發(fā)展，截止到2015年底，全國風電并網(wǎng)累計達到1.29億千瓦，年發(fā)電量1863億千瓦時，占全國總發(fā)電量的3.3%，十三五總體目標是到2020年底全國風電并網(wǎng)確保達到2.1億千瓦以上，年發(fā)電量確保4200億千瓦時，約占全國發(fā)電總量的6%[1]。風電潔凈能源所占比率的上升，風機裝機量也會大幅增加，風機機械故障量也隨之增長，由于齒輪箱安裝在空間狹小的主機架內(nèi)，受空間和觀察角度的限制齒輪箱箱體的螺栓在現(xiàn)場很難被日常巡檢人員進行360°全方位檢查，即使有螺栓有松動或者斷裂的前兆都幾乎不能被提前發(fā)現(xiàn)，如果出現(xiàn)問題，輕者出現(xiàn)滲油、漏油(風電齒輪箱滲油定義：潤滑油緩慢流出或者浸潤到風電齒輪箱箱體外表面后，由于量少且自身不斷揮發(fā)或被環(huán)境中浮塵覆蓋凝固或低溫凝固，導致潤滑油不足以在箱體邊緣形成油滴或者在平面形成油路而迅速擴散、飛濺稱之為滲油；風電齒輪箱漏油定義：潤滑油流出或者浸潤到風電齒輪箱外表面后，在箱體邊緣或尖角部位集聚成油滴，或者在箱體表面形成明顯油路在短時間內(nèi)造成大面積污染或飛濺稱之為漏油)污染環(huán)境增加成本，重者引起箱體與內(nèi)齒圈之間的把合力矩不足，定位銷被剪斷，甚至引起整個齒輪箱行星級齒輪打齒損壞故障。

1 斷裂螺栓位置

風電齒輪箱箱體把合螺栓多數(shù)采用M30～42的10.9級高強螺栓，供貨狀態(tài)依據(jù)GB/T3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》；螺紋為成型滾輪滾齒成型；熱處理要求調(diào)制處理，硬度要求32～39HRC?，F(xiàn)場斷裂的兩根高強螺栓在分布位置如圖1所示箭頭所指，其中一根分布在后箱體分箱面的上側，另一根分布在后箱體分箱面的下側。

圖1 斷裂高強螺栓分布位置

2 斷裂分析

2.1 宏觀分析

在常溫下，斷口三區(qū)域比例受零件材料、加載速度以及形狀等因素影響。當零件材料脆性較大或者加載速度較大時，輻射狀區(qū)面積較大。當零件外周圍有缺口或缺陷時，破壞則從外周圍開始，斷口的外周產(chǎn)生纖維狀區(qū)，并向內(nèi)側輻射，最后破壞區(qū)是零件的中心部位，這時候不形成切變唇口區(qū)[2-3]。

清洗后觀察分析兩根高強螺栓的斷裂截面。

第一根斷口沒有明顯塑性收縮，斷口截面細膩，，斷口裂紋垂直于零件中心線，則說明是由正壓力引起斷裂，最大正應力平行于零件中心線，屬于脆性斷口，試樣對比屬于典型的高載荷下彎曲與旋轉彎曲斷口，如圖2a 、2b所示。

圖2 第一根斷口和典型斷口

第二根斷口50%斷口截面面積裂紋垂直于零件中心線，則說明是由正壓力引起斷裂，最大正應力平行于零件中心線，另50%截面面積斷口裂紋與零件中心線成45°角，說明是由剪應力引起斷裂，最大剪應力與零件中心線成45°角，與斷口平行，斷口截面有明顯的放射區(qū)和纖維區(qū)之分，屬于典型的靜載荷拉伸斷口，并且同時受到正壓力和剪應力共同作用，如圖3a 、3b所示，斷口沒有切變唇口區(qū)，說明螺紋底部在斷裂初期已經(jīng)形成缺口或本身存在缺陷裂紋。

圖3 第二根斷口和典型斷口

2.2 化學成分及金相組織

斷裂高強螺栓材料均為40Cr取樣檢測化學成分，結果見表1所示。

表1 化學成分

斷裂高強螺栓的金相組織檢驗結果顯示：腐蝕前硫化夾雜物為1.5級，氧化夾雜物為1級，腐蝕后回火索氏體和少量鐵素體[4-5]，符合技術要求。

以往的繼續(xù)教育資源供給者主要集中于高校繼續(xù)教育部門和政府勞動社會保障部門，但隨著繼續(xù)教育需求者數(shù)量增多、個性化需求增多，一些行業(yè)企業(yè)、培訓機構等亦參與進來，呈現(xiàn)出供給者從單一到多元化的趨勢。

2.3 機械性能

取樣檢測斷裂高強螺栓的力學性能，檢測結果見表2所示。

表2 力學性能

2.4 結構分析

在裝配車間中，目前最常用、效率較高的裝配方法是通過液壓扳手配套不同規(guī)格的套筒完成對風電齒輪箱箱體高強螺栓的緊固，由于高強螺栓的螺紋和鑄鐵件螺栓的螺紋存在一定的摩擦力，緊固后的螺桿不可避免同時受到預緊力和扭矩的雙重作用，第一根斷口截面有明顯的傾斜貝紋線就足以證明扭矩的存在，為了進一步更加深入的分析，借助ANSYS有限元分析工具分六種工況完成對箱體高強螺栓的應力和變形的分析，各工況輸入條件見表3，分析結果如圖4所示。

表3 工況輸入條件

注：F=514 528 N；T=2 223 N·m

圖4 有限元分析結果

2.5 制造工藝分析

測量兩根高強螺栓斷裂界面：一根斷口位置在第一牙和第二牙之間，第二牙的受載面牙根部位；一根斷口位置位于第八牙和第九牙之間，第九牙的受載面的牙根部位，表面上看帶有一定的隨機性，沒有什么共性，結合齒輪箱的整體結構，發(fā)現(xiàn)斷裂區(qū)距離螺栓頭長度均為500～510 mm，正好位于內(nèi)齒圈和后箱體的結合面位置，如圖5所示。

圖5 斷裂截面位置

對車間現(xiàn)有同類產(chǎn)品全面排查發(fā)現(xiàn)，在裝配過程中存在安裝螺栓并不是理論設計的豎直位置，而是由于螺紋孔的傾斜造成螺栓在擰緊過程中呈傾斜狀，如圖6a所示，原因是工藝路線安排螺紋孔在傳統(tǒng)的搖臂轉床上加工，通過工人手動操作完成，由于工人的操作技能有限，在刀具選擇、刀具進給量、鉆孔及絞絲冷卻液的供給量、后期回絲精度及摻雜清理都難以保障，造成螺紋孔質量差所致，螺栓傾斜如圖6b所示，在擰緊的過程中螺栓受力拉伸，傾斜的螺栓有回直的趨勢，自然會在結合面產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，螺栓工作過程中主要承受圖5所示力矩作用，即在彎曲扭轉載荷過程中其支點應在螺紋集合處，即內(nèi)齒圈和后箱體的結合面位置處所受的交變載荷最嚴重，即應力集中最大，容易形成斷裂源。

圖6 螺栓螺紋孔的傾斜狀態(tài)

3 解決方案

(1)利用高強雙頭螺柱替代高強螺栓。螺母在擰緊過程中，螺柱螺紋與螺母螺紋之間鋼對鋼的摩擦力，遠遠小于原始設計中螺栓螺紋與鑄鐵箱體螺紋之間的摩擦力，所以螺柱受到的扭轉力矩大大減小，有限元分析螺柱受力結果如圖7所示，模擬結果與分析結果吻合。

圖7 雙頭螺柱受力分析

(2)優(yōu)化改進加工工藝。提高箱體螺栓孔的加工質量，嚴格控制螺紋孔中心線與結合面的垂直度，避免螺柱在截面產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，比如利用數(shù)控機床加工就可以減少很多人為質量不可控因素。

(3)優(yōu)化改進裝配工藝。利用螺栓拉伸器替代液壓力矩扳手，如圖8所示，可以更加精確的控制施加給螺柱的預緊力，減少不同批次高強螺栓扭矩系數(shù)K不同對力矩換算過程中的誤差影響[6～7]，第二根斷口屬于典型的靜載荷拉伸斷口，截面有明顯的放射區(qū)和纖維區(qū)之分，屬于預緊力太大引起的斷裂，利用螺栓拉伸器也徹底消除高強螺栓受扭矩的影響。

圖8 螺栓拉伸器

(4)根據(jù)風力發(fā)電齒輪箱載荷工況特點結合實際應用安裝特點要求，設計特制非標雙頭螺柱替代傳統(tǒng)雙頭螺：在傳統(tǒng)雙頭螺柱短螺紋處設計增加一段小頭，如圖9所示，小頭部分在螺栓安裝過程起引導和定位作用，同時保護內(nèi)螺紋在安裝過程中不被沖擊破壞，實際裝配經(jīng)驗：在安裝過程中當螺柱擰到底后，再反向回轉兩扣。

圖9 特制雙頭螺柱

4 結論

(1)化學成分、金相組織和機械性能分析結果顯示斷裂的風電齒輪箱箱體高強螺栓自身各項參數(shù)及熱處理效果均滿足要求；

(2)齒輪箱箱體螺栓的選型不當、螺紋孔的加工質量低、裝配工藝不合理等因素是造成現(xiàn)場螺栓斷裂的主要原因；

(3)使用特制的雙頭螺柱替代傳統(tǒng)螺栓、提高螺紋孔加工質量，特別是提高螺柱安裝后的垂直度、采用螺栓拉伸器替代液壓扳手等一些列優(yōu)化措施后，后期長時間跟蹤觀察，現(xiàn)場再沒有發(fā)生斷裂失效故障，效果良好。參考文獻:

[1] 國家能源局.國家能源局關于印發(fā)《風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的通知[J].風能產(chǎn)業(yè),2016 (12):7-15.

[2] 王廣生,周敬恩.熱處理手冊(二卷)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[3] 吳民達.機械工程材料測試手冊[M].沈陽：遼寧科技技術出版社,2002.

[4] 李俊輝.金屬材料金相圖譜 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[5] 上海交通大學金相分析編寫組.金相分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，1982.

[6] 朱文明, 鄒異民, 楊少華,等.螺栓斷裂失效分享[J].風能產(chǎn)業(yè),2015 (12):62-64.

[7] 黃勤衛(wèi). 法蘭連接螺栓斷裂失效的分析研究[J].化工設備與管道,2005(04).

Analysis and research wind turbine gearbox high strength bolt fracture

MA Jin-guo1，YANG Yu-chuan1，NI Dong-hai2，AO-Xiang1

(1. Sinovel Wind Group Co., Ltd., Beijing 100000，China;2. Shanghai Green Environmental Protection energy Co.，Ltd., Shanghai 200433，China)

Based on the analysis and research of gear box with two fracture high strength bolts, the reasons of the bolt fracture are find out, in addition to the bolt itself material performance is not up to standard, the type of the bolt, screw thread hole machining quality, bolt assembly process are also the important reasons of the bolt fracture. This paper puts forward improvement measures to finally solve the problem of bolt fracture, by taking the place of the high strength double end studs with high strength bolts, meanwhile, optimize the processing technology and assembly process, and that achieved good effect.

wind turbine gearbox; high strength bolt; fracture

2016-12-13；

2017-01-25

上海市科學技術委員會項目“深遠海上風電機組設計開發(fā)及運維相關技術研究”(16DZ1203505)。

馬金國(1979-)，男，碩士研究生，高級工程師，風電齒輪箱主任設計師，主要從事風力發(fā)電齒輪箱設計研發(fā)。

TH132

A

1001-196X(2017)02-0025-05