高強(qiáng)度螺栓拉伸緊固試驗(yàn)研究

文 | 王洪波，楊少華，任俊祺，盧晟

大型風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部位大多采用高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接，為保證聯(lián)接的質(zhì)量，需采用可靠的緊固工藝。拉伸法是通過拉伸工具直接將螺栓（一般使用雙頭螺柱）拉長(zhǎng)產(chǎn)生夾緊力，由于緊固過程中只有軸向拉伸，沒有扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并且不需要考慮摩擦的影響，拉伸力更容易得到控制。因此，拉伸法越來越多地應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部位聯(lián)接。

根據(jù)拉伸工藝特點(diǎn)，為了獲得目標(biāo)預(yù)緊力，螺栓拉伸時(shí)，需要有一定的“超拉”，即預(yù)拉力要大于螺栓的目標(biāo)預(yù)緊力，才能保證卸壓后回彈到目標(biāo)預(yù)緊力，但目前行業(yè)通常根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)拉力的確定，存在一定局限性。

工程經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，預(yù)拉力F和目標(biāo)預(yù)緊力F0（在此定義預(yù)拉力F和目標(biāo)預(yù)緊力F0的比值為“超拉系數(shù)”）需要滿足以下關(guān)系式：

式中，Lk為螺栓的有效拉伸長(zhǎng)度，d為螺栓的公稱直徑?？梢?，變量?jī)H考慮了螺栓長(zhǎng)度、直徑等因素，而拉伸法因其先拉伸后卸壓回彈的工藝特點(diǎn)，不同工況的螺栓目標(biāo)預(yù)緊力及回彈量可能受到預(yù)拉力、拉伸次數(shù)、時(shí)效性等因素影響，因此，本文采用應(yīng)變法定量測(cè)試某大型風(fēng)電機(jī)組的螺栓拉伸工藝，為制定合理的螺栓拉伸緊固工藝提供依據(jù)。

試驗(yàn)過程

設(shè)計(jì)螺栓拉伸試驗(yàn)工裝模擬實(shí)際工況，通過拉伸器對(duì)20組螺栓施加載荷，采用應(yīng)變法對(duì)某大型風(fēng)電機(jī)組的高強(qiáng)度螺栓M36×345拉伸緊固時(shí)的應(yīng)變量進(jìn)行測(cè)量，記錄不同拉伸載荷下應(yīng)變量的變化，圖1為拉伸應(yīng)變測(cè)試示意圖。

圖1 拉伸測(cè)試示意圖

一、試驗(yàn)原理

將應(yīng)變片粘貼在試件表面，接入測(cè)量電路，隨著試件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也隨之變形，致使其電阻值發(fā)生變化。此電阻值的變化與構(gòu)件表面應(yīng)變成比例，應(yīng)變片電阻變化產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)電路放大后，由指示儀記錄。通過對(duì)電學(xué)量的分析，即可得出試件力學(xué)量的變化，如圖2所示。試驗(yàn)所用儀器設(shè)備如表1所示。

圖2 應(yīng)變測(cè)量原理

表1 儀器設(shè)備及型號(hào)

二、試驗(yàn)方案

根據(jù)某大型風(fēng)電機(jī)組的螺栓環(huán)形分布情況，本次試驗(yàn)共設(shè)置20組（總量的1/4）螺栓拉伸試驗(yàn)，具體步驟為：（1）在螺栓的1/2處粘貼應(yīng)變片，打磨沿螺栓軸線45°方向交叉進(jìn)行，打磨至粘貼面呈細(xì)密、均勻的交叉網(wǎng)紋狀，粗糙度滿足Ra6.4要求。（2）用502膠將應(yīng)變片粘貼在螺栓試件表面，將應(yīng)變片的兩根引線與外接導(dǎo)線焊接，并對(duì)螺栓試件進(jìn)行編號(hào)。（3）連接應(yīng)變片、靜態(tài)應(yīng)變儀和計(jì)算機(jī)，輸入各測(cè)點(diǎn)的電阻值、靈敏系數(shù)。（4）采樣前對(duì)螺栓試件進(jìn)行3次預(yù)加載，以消除初始加載時(shí)的誤差，預(yù)加載荷產(chǎn)生的應(yīng)變約為1000μm/m。（5）開始采集數(shù)據(jù)，加載過程分6級(jí)，從100kN開始，每級(jí)增加100kN，加載至600kN，記錄并保存不同載荷及時(shí)效下每個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。（6）測(cè)量完畢后，關(guān)閉電源。依次拆除應(yīng)變片、靜態(tài)應(yīng)變儀和計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)線，清點(diǎn)儀器和配件。

結(jié)果分析

一、與VDI2230標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算對(duì)比

采用行業(yè)認(rèn)可的《VDI2230高強(qiáng)度螺栓連接系統(tǒng)計(jì)算》標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算拉伸工況下螺栓的應(yīng)變，并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

螺栓在拉伸緊固時(shí)發(fā)生彈性變形，根據(jù)胡克定律：

式中，F(xiàn)為預(yù)拉力，即拉伸器的拉伸載荷；K為螺栓剛度；ε為螺栓應(yīng)變。

將式（2）進(jìn)行變換可得：

模擬實(shí)際工況，螺栓安裝尺寸如圖3所示。

根據(jù)VDI2230標(biāo)準(zhǔn)5.1.1章的公式：

式中，δs為整個(gè)螺栓的柔度，δGM1為基體旋合段柔度，δ1為光桿段柔度，δGew為螺紋未旋段柔度，δGM2為拉伸器旋合段柔度。

上式第一項(xiàng)δGM1為δG1與δM1的加和。

公式（4）其他三項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果：

圖3 螺栓安裝尺寸

表2 VDI2230標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算應(yīng)變與實(shí)測(cè)平均應(yīng)變對(duì)比

拉伸器壓力由20MPa逐級(jí)加載至120MPa過程中計(jì)算的理論應(yīng)變與20組螺栓實(shí)測(cè)的平均應(yīng)變?nèi)绫?所示。

由上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，與VDI2230標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算應(yīng)變相比，實(shí)測(cè)值平均應(yīng)變量的最大相對(duì)誤差為9.7%，最小相對(duì)誤差為1.33%?？紤]拉伸器精度誤差±3%、讀數(shù)精度誤差±3%等影響，采用應(yīng)變法所測(cè)結(jié)果最大相對(duì)誤差約3.7%，試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可靠。

二、與經(jīng)驗(yàn)公式超拉系數(shù)對(duì)比

對(duì)螺栓進(jìn)行拉伸緊固時(shí)，施加的載荷不能超過螺栓材料的屈服強(qiáng)度（10.9級(jí)的M36×345螺栓保證載荷為678kN）。因此，對(duì)螺栓施加678kN拉伸載荷，測(cè)量螺栓在拉伸工步和泄壓工步下的應(yīng)變量。將拉伸工步的應(yīng)變命名為拉伸應(yīng)變?chǔ)?，將泄壓工步的應(yīng)變命名為剩余應(yīng)變?chǔ)?，那么，超拉系數(shù)的計(jì)算如下式所示：

取20組螺栓的應(yīng)變平均值，測(cè)量結(jié)果如表3所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（1）計(jì)算超拉系數(shù)，結(jié)果如表4所示。

由上述結(jié)果可知，超拉系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值為1.170，相對(duì)實(shí)測(cè)值1.281小8.6%。因此，如按經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)置預(yù)拉力，將導(dǎo)致目標(biāo)預(yù)緊力小8.6%，如再考慮拉伸器精度誤差±3%、讀數(shù)誤差±3%以及不同螺栓超拉回彈偏差等，累計(jì)誤差將超過VDI2230標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)計(jì)算所給的拉伸法離散度要求±16%。因此，在制定螺栓拉伸緊固工藝時(shí)，應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，并以試驗(yàn)測(cè)量值為準(zhǔn)。

表3 超拉系數(shù)的試驗(yàn)值

表4 超拉系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值

表5 拉伸次數(shù)對(duì)載荷剩余比的影響

三、螺栓剩余載荷的影響因素分析

分析螺栓拉伸應(yīng)變測(cè)試結(jié)果可知，螺栓拉伸-卸壓后的剩余載荷還受到拉伸力大小、拉伸次數(shù)和時(shí)效作用的影響，具體分析見下文。為便于表述，在此定義剩余應(yīng)變?chǔ)?與拉伸應(yīng)變?chǔ)?的比值為螺栓載荷剩余比：

式中，ω為螺栓載荷剩余比。

（一）拉伸力對(duì)螺栓載荷剩余比的影響

拉伸器拉力由100kN逐級(jí)加載至600kN的過程中，拉伸力與螺栓載荷剩余比關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，隨著拉伸力的逐漸增大，M36×345螺栓載荷剩余比逐漸增大并趨于穩(wěn)定值0.8，即相同工況條件下，隨著拉伸力的增大，螺栓超拉系數(shù)會(huì)隨預(yù)緊力的增加而逐漸變小。

圖4 拉伸力大小對(duì)載荷剩余比的影響

（二）拉伸次數(shù)對(duì)螺栓載荷剩余比的影響

對(duì)上述20組螺栓分別先后三次施加678kN的拉伸力，通過應(yīng)變量測(cè)定，計(jì)算三次載荷剩余比，如表5所示。

由上述結(jié)果可知，載荷剩余比隨拉伸次數(shù)增加而增大，標(biāo)準(zhǔn)差隨拉伸次數(shù)增加而減小，說明螺栓拉伸-泄壓后的剩余載荷在增大，且越來越穩(wěn)定。而第二次拉伸和第三次拉伸結(jié)果基本相同，因此，施加螺栓目標(biāo)預(yù)緊力時(shí)建議拉伸2次。

（三）時(shí)效作用對(duì)螺栓剩余載荷的影響

螺栓拉伸緊固完后，測(cè)量螺栓應(yīng)變隨時(shí)間的變化，如圖5所示。

由圖5可知，螺栓應(yīng)變隨時(shí)間增加而減小，最終在20h后趨于穩(wěn)定。統(tǒng)計(jì)20組螺栓試驗(yàn)結(jié)果，平均應(yīng)變值減小了70，對(duì)應(yīng)的載荷減小1.68%?？芍菟ㄝd荷在螺栓緊固完成后會(huì)隨時(shí)間逐步減小，并在20h后趨于穩(wěn)定。

圖5 螺栓應(yīng)變隨時(shí)間的變化

結(jié)論

本文以某大型風(fēng)電機(jī)組用M36×345螺栓拉伸測(cè)試為例，通過螺栓拉伸緊固應(yīng)變測(cè)試，定量分析了螺栓拉伸工藝的超拉系數(shù)、拉伸力大小、拉伸次數(shù)、時(shí)效作用等影響因素，對(duì)有效控制拉伸工藝有一定指導(dǎo)意義。通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：

（1）螺栓拉伸緊固應(yīng)變測(cè)試法可行，對(duì)不同規(guī)格螺栓拉伸緊固工藝的制定具有指導(dǎo)意義：通過設(shè)計(jì)螺栓拉伸試驗(yàn)工裝，可實(shí)測(cè)得到不同螺栓預(yù)緊力下的應(yīng)變量，且實(shí)測(cè)結(jié)果與按VDI2230標(biāo)準(zhǔn)理論計(jì)算結(jié)果相近，試驗(yàn)結(jié)果可靠。

（2）根據(jù)螺栓拉伸工藝的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得超拉系數(shù)較應(yīng)變法實(shí)測(cè)值小，存在螺栓預(yù)緊力不達(dá)標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。通過試驗(yàn)研究可知，M36×345(10.9)螺栓超拉系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值1.170較試驗(yàn)值1.281小了8.6%，綜合拉伸器精度、裝配精度等因素，存在預(yù)緊力超差風(fēng)險(xiǎn)。因此，制定拉伸工藝時(shí)有必要經(jīng)實(shí)測(cè)得出超拉系數(shù)。

（3）螺栓拉伸-卸壓后剩余載荷受拉伸大小、次數(shù)、時(shí)效作用影響，需要根據(jù)實(shí)測(cè)分析進(jìn)行確認(rèn)：螺栓載荷剩余比隨拉伸力和拉伸次數(shù)的增加而增大，并趨于穩(wěn)定；剩余載荷量隨時(shí)間增加而減小，并在20h后趨于穩(wěn)定。

攝影：孫佳