風(fēng)電機(jī)組用高強(qiáng)度緊固件扭矩系數(shù)的實(shí)測(cè)分析

文 | 趙少偉，王洪波，袁堅(jiān)，盧晟，楊少華

風(fēng)電機(jī)組用高強(qiáng)度緊固件扭矩系數(shù)的實(shí)測(cè)分析

文 | 趙少偉，王洪波，袁堅(jiān)，盧晟，楊少華

高強(qiáng)度緊固件作為風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)連接的關(guān)鍵部件，其連接的可靠性直接關(guān)系到風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行安全。扭矩法作為高強(qiáng)度緊固件裝配的關(guān)鍵工藝方法，其利用扭矩值與預(yù)緊力的線性關(guān)系，通過(guò)直接控制扭矩值來(lái)實(shí)現(xiàn)螺栓預(yù)緊，操作方法簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛。但是，由于緊固扭矩的90%左右被螺紋和支撐面的摩擦扭矩所消耗，因此，離散度大，擰緊系數(shù)一般在1.4－3之間。其中，扭矩系數(shù)K是直接反映螺栓擰緊過(guò)程中的扭矩與軸力之間的系數(shù)，其離散度直接影響擰緊效果。

風(fēng)電機(jī)組用高強(qiáng)度緊固件的扭矩系數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)GB/T1231-2006《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》的要求，按批抽取8套，8套的平均扭矩系數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)偏差符合規(guī)定范圍。按照國(guó)內(nèi)使用MoS2情況，如果螺栓表面及墊圈的作用面上都均勻地涂上MoS2，扭矩系數(shù)的實(shí)測(cè)值范圍一般在0.080－0.13，標(biāo)準(zhǔn)偏差≤0.010。一般地，各主機(jī)廠的標(biāo)準(zhǔn)偏差值≤0.010，平均扭矩系數(shù)是根據(jù)不同的緊固工藝設(shè)定的。

但在施工過(guò)程中，扭矩系數(shù)K受到諸如緊固件表面涂層、潤(rùn)滑劑型號(hào)、涂抹方式、連接結(jié)構(gòu)、緊固次數(shù)等不同施工工藝的影響，因此，為了精確控制扭矩系數(shù)及評(píng)價(jià)各影響因素，本文采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)以模擬并試驗(yàn)測(cè)量不同施工工藝對(duì)扭矩系數(shù)的影響，為風(fēng)電緊固件扭矩系數(shù)設(shè)定提供參考。

本文所述試驗(yàn)是采用CSZ-1500AS高強(qiáng)螺栓扭矩系數(shù)試驗(yàn)機(jī)，該機(jī)采取伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，精密行星傳動(dòng)，PC閉環(huán)控制，通過(guò)高精度力值、扭矩傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器等測(cè)得螺栓軸力、扭矩以及轉(zhuǎn)角，可自動(dòng)采集、記錄、處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)曲線。試驗(yàn)用緊固件性能等級(jí)均為10.9級(jí)，表面達(dá)克羅處理。

不同的涂抹方式對(duì)扭矩系數(shù)的影響

目前，風(fēng)電用高強(qiáng)度緊固件的涂抹方式有全涂抹和半涂抹兩種方式。半涂抹是指潤(rùn)滑劑攪拌均勻后，用刷子僅在螺紋部位均勻涂抹潤(rùn)滑劑；全涂抹是指潤(rùn)滑劑攪拌均勻后，用刷子在螺紋部位及墊片支撐面均勻涂抹潤(rùn)滑劑。如圖1所示。

因此，本試驗(yàn)對(duì)比了相同批次緊固件、不同涂抹方式對(duì)扭矩系數(shù)的影響。M20、M30、M36雙頭螺柱、六角頭螺栓分別采用全涂抹、半涂抹方式檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 涂抹方式示意圖

表1 全涂抹/半涂抹方式的實(shí)測(cè)值

由上述3組對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知，采用半涂抹方式測(cè)得的扭矩系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)偏差較全涂抹方式均偏大，且有2組標(biāo)準(zhǔn)偏差超差?？梢?jiàn)，全涂抹方式更利于扭矩系數(shù)的穩(wěn)定，因此，采用力矩法緊固時(shí)，推薦使用全涂抹方式，以利于保證螺栓組預(yù)緊力的較低離散度。

不同的潤(rùn)滑劑對(duì)扭矩系數(shù)的影響

潤(rùn)滑劑是在螺栓裝配中應(yīng)用到螺紋或其他接觸面的化學(xué)品。潤(rùn)滑劑不僅僅在螺栓安裝過(guò)程中起到潤(rùn)滑作用，在螺栓的裝配、使用和拆卸過(guò)程中都起到重要的作用。目前，風(fēng)電行業(yè)用潤(rùn)滑劑主要品牌有MOLYKOTE G-Rapid Plus、ANTI SEIZE PASTE、785EN、MoS2等，種類繁多。為了驗(yàn)證潤(rùn)滑劑的影響，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，采用相同批次的緊固件、全涂抹方式對(duì)MOLYKOTE G-Rapid Plus（簡(jiǎn)稱MLK）、785EN兩種潤(rùn)滑劑進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，施擰兩次的試驗(yàn)結(jié)果如下：

從平均扭矩系數(shù)來(lái)看，785EN較MLK的平均扭矩系數(shù)偏大，且785EN對(duì)緊固次數(shù)較敏感，多次緊固影響較大。從標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)看，兩種潤(rùn)滑劑采用全涂抹均能滿足標(biāo)準(zhǔn)偏差≤0.01的要求；從Kmax/Kmin來(lái)看，MLK潤(rùn)滑劑的比值較785EN偏大，其主要原因是由于785EN較MLK的平均扭矩系數(shù)偏大，在相同浮動(dòng)范圍或標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，其表現(xiàn)出相對(duì)變化量較小?？梢?jiàn)，使用不同的潤(rùn)滑劑對(duì)扭矩系數(shù)存在明顯的差異性，因此，選擇或更換潤(rùn)滑劑應(yīng)充分考慮對(duì)K值的影響。

潤(rùn)滑劑攪拌不均勻?qū)εぞ叵禂?shù)的影響

為評(píng)價(jià)因施工不規(guī)范造成的扭矩系數(shù)影響，特將潤(rùn)滑脂攪拌不均勻模擬施工情景。因罐裝潤(rùn)滑脂長(zhǎng)時(shí)間存放，出現(xiàn)油、脂分離的現(xiàn)象，如直接打開(kāi)、未經(jīng)均勻攪拌就使用，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，785EN潤(rùn)滑脂攪拌不均勻雖使得扭矩系數(shù)略小，且離散度較大，但滿足扭矩系數(shù)要求。但是，為降低扭矩系數(shù)離散度，仍要求攪拌均勻后涂抹。

不同連接結(jié)構(gòu)對(duì)扭矩系數(shù)的影響

風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓連接結(jié)構(gòu)形式主要有3種（圖2）：螺釘連接a（由螺栓、墊片、機(jī)體內(nèi)螺紋組成）、螺栓連接b（由螺栓、墊片、螺母組成）、螺柱連接c（由螺柱、墊片、機(jī)體內(nèi)螺紋組成）。根據(jù)施擰部位的不同，可將力矩法緊固方式分為螺母?jìng)?cè)或螺栓頭側(cè)緊固兩種。擰緊力矩主要消耗在旋轉(zhuǎn)支撐面摩擦、螺紋摩擦、預(yù)緊力處，因此，對(duì)于螺栓連接b和螺柱連接c采用擰緊螺母?jìng)?cè)緊固法時(shí)，可認(rèn)為其扭矩系數(shù)的影響因素相同，均是支撐面（螺母與墊片）、螺紋摩擦、預(yù)緊力。因此，將風(fēng)電機(jī)組常用的三種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成螺釘連接a和螺栓連接c兩組連接方式，進(jìn)行擰緊系數(shù)對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表2 MLK與785EN潤(rùn)滑劑的實(shí)測(cè)值

表3 潤(rùn)滑劑攪拌不均勻的實(shí)測(cè)值

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析，不同連接結(jié)構(gòu)存在差異，采用螺釘連接結(jié)構(gòu)a較螺栓連接b、螺柱連接c的扭矩系數(shù)偏大且離散。半涂抹方式時(shí)，還存在標(biāo)準(zhǔn)偏差超差現(xiàn)象。因螺釘連接是螺栓與機(jī)體內(nèi)螺紋連接，在材料上、加工工藝上二者均存在差異，同時(shí)，因在模擬機(jī)體內(nèi)螺紋時(shí)需要從風(fēng)電機(jī)組其他部件處取材加工成機(jī)體螺母，很難及時(shí)有效地對(duì)螺栓與機(jī)體內(nèi)螺紋進(jìn)行配套的扭矩系數(shù)檢測(cè)，因此，筆者認(rèn)為，采用螺栓連接、螺柱連接的標(biāo)準(zhǔn)件連接結(jié)構(gòu)更利于扭矩系數(shù)的控制。

圖2 螺栓連接常見(jiàn)結(jié)構(gòu)圖

不同墊片類型對(duì)扭矩系數(shù)的影響

風(fēng)電機(jī)組用墊片存在高強(qiáng)度平墊片（DIN6916）與Moser墊片兩種類型，在成本上后者是前者的7倍，因此，為降低成本，評(píng)估高強(qiáng)度平墊片與Moser墊片可替代性，即采用相同的緊固件對(duì)比不同涂抹方式下的扭矩系數(shù)差異性。

由表5可知，高強(qiáng)度平墊圈較Moser墊圈在其他條件一致的情況下，扭矩系數(shù)范圍、標(biāo)準(zhǔn)差等指標(biāo)參數(shù)基本一致，并在全涂抹方式時(shí)其扭矩系數(shù)表現(xiàn)較好。

不同緊固次數(shù)與重復(fù)使用對(duì)扭矩系數(shù)的影響

根據(jù)《JG/T5057.4建筑機(jī)械與設(shè)備高強(qiáng)度緊固件技術(shù)條件》，高強(qiáng)度螺栓可重復(fù)使用一次。因此，本試驗(yàn)采用相同的緊固件重復(fù)施擰。即完成8套試驗(yàn)后重新涂抹潤(rùn)滑劑后，在相同條件下重復(fù)施擰。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6、圖3。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，扭矩系數(shù)均隨著緊固次數(shù)增加而變大。平均扭矩系數(shù)對(duì)比，第2次緊固較第1次增加約14.4%，增幅明顯；第3次較第2次增加約4.6%，增幅略低。因此，在實(shí)際施工中，對(duì)于高強(qiáng)度緊固件重復(fù)使用時(shí)，需適當(dāng)調(diào)整扭矩系數(shù)。

表4 螺柱連接與螺釘連接的實(shí)測(cè)值

表5 不同墊片扭矩系數(shù)實(shí)測(cè)值

表6 扭矩系數(shù)與緊固次數(shù)實(shí)測(cè)值

圖3 扭矩系數(shù)隨緊固次數(shù)變化圖

緊固工具精度與扭矩系數(shù)設(shè)定關(guān)系

根據(jù)緊固扭矩T與預(yù)緊力F、扭矩系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)公式：

可知，在緊固件規(guī)格一定時(shí)，為了獲得規(guī)定范圍內(nèi)的預(yù)緊力F，需控制緊固扭矩T和扭矩系數(shù)關(guān)系。

根據(jù)GB/T16823.2-1997《螺紋緊固件緊固通則》，考慮緊固工具實(shí)施緊固的終止點(diǎn)、緊固扭矩的離散度（±m(xù)%，其中m為絕對(duì)值）等因素，最大扭矩系數(shù)（Kmax）和最小扭矩系數(shù)（Kmin）比值應(yīng)滿足的條件，如下：

通常，采用液壓扳手緊固M30以上緊固件，其精度為±3%，即輸出的緊固扭矩離散度為±3%，因此，m取值為3。

Q為擰緊系數(shù)，根據(jù)VDI2230標(biāo)準(zhǔn)，液壓扳手緊固的擰緊系數(shù)范圍為1.4－1.6，如取1.4，代入上式計(jì)算，可得，

因此，在扭矩系數(shù)范圍設(shè)定時(shí)，應(yīng)結(jié)合施工工具的精度與設(shè)計(jì)要求的螺栓組擰緊系數(shù)，校核Kmax/Kmin，使其滿足要求。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，如僅采用平均扭矩系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差兩個(gè)參數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，有出現(xiàn)Kmax/Kmin超限的可能。以某批次塔筒螺栓M42*225的扭矩系數(shù)為例，其平均扭矩系數(shù)為0.094，滿足0.08－0.1的要求，但最大/最小扭矩系數(shù)偏差為1.358－1.318，螺栓組緊固時(shí)將會(huì)出現(xiàn)部分螺栓預(yù)緊力超差。

因此，筆者認(rèn)為，扭矩系數(shù)范圍不應(yīng)是扭矩系數(shù)平均值的范圍，而是要求批次抽樣的8套連接副扭矩系數(shù)均要保證在要求的扭矩系數(shù)范圍內(nèi)，且扭矩系數(shù)范圍的設(shè)定應(yīng)考慮最大/最小扭矩系數(shù)比值。

結(jié)語(yǔ)

風(fēng)電機(jī)組用高強(qiáng)度緊固件扭矩系數(shù)因不同的涂抹方式、潤(rùn)滑劑、連接結(jié)構(gòu)、緊固次數(shù)等施工工況而出現(xiàn)較大變化。精確控制扭矩系數(shù)并對(duì)其測(cè)量指標(biāo)（平均扭矩系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)偏差、最大/最小扭矩系數(shù)比值）有效評(píng)價(jià)，是獲得穩(wěn)定可靠預(yù)緊力的關(guān)鍵。本文通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：

（1）全涂抹方式可有效控制標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.01范圍內(nèi)；

（2）不同的潤(rùn)滑劑對(duì)扭矩系數(shù)影響較大，選型使用時(shí)，需充分驗(yàn)證；

（3）施工過(guò)程要注意潤(rùn)滑劑涂抹均勻；

（4）扭矩系數(shù)受緊固次數(shù)影響較大，如重復(fù)使用，需復(fù)核扭矩系數(shù)；

（5）在連接結(jié)構(gòu)上，優(yōu)選螺栓連接或螺柱連接方式，更有利于控制扭矩系數(shù)；

（6）在扭矩系數(shù)設(shè)定時(shí)，考慮緊固工具的精度，將Kmax/Kmin作為扭矩系數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

（作者單位：中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司）