基于超聲波法的風(fēng)電機(jī)組螺栓預(yù)緊力測(cè)量與控制研究*

吳 晨

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)系，浙江 杭州 310053)

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(guān)鍵位置的零部件均需要通過大六角高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，單臺(tái)機(jī)組M30規(guī)格及以上高強(qiáng)螺栓的使用量高達(dá)上千顆。在機(jī)組的吊裝和運(yùn)行維護(hù)過程中，螺栓拆卸易出現(xiàn)問題[1-2]。根據(jù)GB/T33628-2017相關(guān)規(guī)定：基于扭矩法安裝高強(qiáng)螺栓，需要保證扭矩系數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差在規(guī)定范圍內(nèi)，才能保證扭矩轉(zhuǎn)化為螺栓預(yù)緊力的精度滿足設(shè)計(jì)要求[3-5]。扭矩系數(shù)與螺栓螺紋表面處理直接相關(guān)，若掌握高強(qiáng)螺栓重復(fù)使用時(shí)扭矩系數(shù)的變化，保證其重復(fù)使用時(shí)螺栓獲得預(yù)緊力的精度，高強(qiáng)螺栓的重復(fù)使用將成為可能。

隨著螺栓預(yù)緊力測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，超聲波測(cè)螺栓預(yù)緊力技術(shù)已經(jīng)開始運(yùn)用到實(shí)際工程中[6-7]。

本文將選用2.0 MW風(fēng)電機(jī)組的變槳軸承與輪轂的連接位置進(jìn)行測(cè)試，基于超聲波測(cè)螺栓預(yù)緊力技術(shù)，研究高強(qiáng)螺栓初次使用和二次使用時(shí)螺栓預(yù)緊力和扭矩系數(shù)的分布情況。

1 高強(qiáng)螺栓扭矩?cái)Q緊法

目前，對(duì)于大六角高強(qiáng)螺栓預(yù)緊的方法主要有扭矩?cái)Q緊法、扭矩轉(zhuǎn)角法和液壓拉伸法。

其中，扭矩?cái)Q緊法在風(fēng)電行業(yè)中廣泛使用，該方法在擰緊時(shí)，只對(duì)一個(gè)確定的緊固扭矩進(jìn)行控制，其原理如圖1所示。

圖1 扭矩?cái)Q緊法原理圖

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

采用扭矩?cái)Q緊法擰緊螺栓時(shí)，擰緊力矩計(jì)算公式為：

M=K·Q·d

(1)

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

目前，風(fēng)電行業(yè)高強(qiáng)螺栓預(yù)緊扭矩?cái)Q緊法的安裝精度在±15%左右，一般要求機(jī)組關(guān)鍵連接部位高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力分布介于50%～85%屈服強(qiáng)度之間；低于50%為欠擰，高于85%為超擰。使用扭矩?cái)Q緊法，風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)螺栓的目標(biāo)預(yù)緊力一般設(shè)定在70%的屈服強(qiáng)度，結(jié)合高強(qiáng)螺栓出廠抽檢的平均扭矩系數(shù)，計(jì)算扭矩扳手的額定施擰扭矩。

2 超聲波測(cè)螺栓預(yù)緊力技術(shù)

超聲波測(cè)螺栓預(yù)緊力是一種依據(jù)聲彈性原理的間接測(cè)量方法[8]，通過獲得螺栓軸向預(yù)緊力與超聲波在螺栓中傳遞時(shí)間的變化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)螺栓預(yù)緊力的測(cè)量。

超聲波法測(cè)螺栓預(yù)緊力有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)可以檢測(cè)螺栓上的絕對(duì)應(yīng)力；(2)可對(duì)已經(jīng)使用的螺栓進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)；(3)扭矩對(duì)應(yīng)力檢測(cè)不造成影響。國內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)超聲波法檢測(cè)螺栓預(yù)緊力做了大量的研究，并開發(fā)了多款高精度的小型便攜式螺栓預(yù)緊力測(cè)試儀，并在實(shí)際工程中得到運(yùn)用[9-10]，其測(cè)試精度在±2%左右。

螺栓預(yù)緊力Q與伸長量ΔL的關(guān)系為：

(2)

式中：Q—預(yù)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(yīng)力截面積，mm2。

3 螺栓預(yù)緊力測(cè)量與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本文選用2 MW風(fēng)電機(jī)組輪轂與變槳軸承連接螺栓進(jìn)行高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力測(cè)量與分析，選用90顆同一批次號(hào)的螺栓M36X335-10.9-dc71(GB/T 5782-2000)。

該批次螺栓連接副扭矩系數(shù)實(shí)驗(yàn)出廠檢驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 螺栓連接副扭矩系數(shù)出廠檢驗(yàn)

如表1所示：按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求抽檢的8顆螺栓扭矩系數(shù)均在0.12～0.14之間，扭矩系數(shù)符合設(shè)計(jì)要求；平均扭矩系數(shù)為0.130，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.002 5，小于標(biāo)準(zhǔn)要求值0.01，扭矩系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差符合要求。

該連接位置設(shè)計(jì)預(yù)緊力為螺栓材料屈服強(qiáng)度的70%，即：

Qm=0.7As·σs

(3)

式中：Qm—目標(biāo)預(yù)緊力，kN；As—螺栓應(yīng)力截面積，mm2；σs—螺栓材料屈服強(qiáng)度，MPa。

已知本實(shí)驗(yàn)螺栓應(yīng)力截面積As=816.7 mm2，螺栓材料屈服強(qiáng)度σs=940 MPa，計(jì)算可得目標(biāo)預(yù)緊力Qm=538 kN。再由式(1)可計(jì)算得到該位置高強(qiáng)螺栓擰緊扭矩為2 520 N·m。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

本研究選用的連接螺栓位于輪轂與變槳軸承處，共計(jì)90顆(編號(hào)為1～90)。

連接螺栓位置及安裝測(cè)量如圖2所示。

圖2 連接螺栓位置及安裝測(cè)量

螺栓采用全涂抹的方式，使用型號(hào)為LPS04110的二硫化鉬。先用手動(dòng)扭矩扳手依次擰緊90顆螺栓，再用2個(gè)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(duì)角擰緊；完成100%額定扭矩?cái)Q緊后，立即用超聲波測(cè)試儀(儀器精度±2%)依次測(cè)量90顆螺栓預(yù)緊力。測(cè)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(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)行該組螺栓二次安裝和預(yù)緊力測(cè)試。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文分別對(duì)首次使用和二次使用后的螺栓進(jìn)行了預(yù)緊力測(cè)試。

首次使用后90顆螺栓預(yù)緊力統(tǒng)計(jì)直方圖如圖3所示。

圖3 首次使用螺栓預(yù)緊力分布統(tǒng)計(jì)直方圖

二次使用后90顆螺栓預(yù)緊力統(tǒng)計(jì)直方圖如圖4所示。

圖4 二次使用實(shí)驗(yàn)螺栓預(yù)緊力分布統(tǒng)計(jì)直方圖

由圖(3,4)可知：兩組測(cè)量數(shù)據(jù)均服從正太分布，說明90顆螺栓預(yù)緊力的測(cè)量樣本具有隨機(jī)性。

(1)首次使用時(shí)，90顆螺栓預(yù)緊力平均值553 kN，稍高于目標(biāo)預(yù)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(qiáng)度的60%～85%之間，符合設(shè)計(jì)要求；

(2)二次使用時(shí)，90顆螺栓預(yù)緊力平均值480 kN，低于目標(biāo)預(yù)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(qiáng)度的55%～70%之間，也符合設(shè)計(jì)要求。

90顆螺栓首次和二次使用螺栓扭矩系數(shù)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(shù)分布的比較

由圖5可以看出：二次使用時(shí)，用相同大小的扭矩對(duì)螺栓進(jìn)行預(yù)緊時(shí)，螺栓所獲得的預(yù)緊力呈整體下降趨勢(shì)，計(jì)算得到的螺栓扭矩系數(shù)呈整體增大趨勢(shì)。根據(jù)螺栓預(yù)緊力和扭矩系數(shù)的分布離散性可知，本次實(shí)驗(yàn)條件下，二次使用時(shí)未導(dǎo)致螺栓扭矩系數(shù)的離散性增大。

由于螺栓初次使用前扭矩系數(shù)的檢驗(yàn)是隨機(jī)抽檢同一批次螺栓中的8顆，為了比較實(shí)際安裝時(shí)螺栓扭矩系數(shù)與出廠檢驗(yàn)扭矩系數(shù)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(shí)驗(yàn)螺栓編號(hào)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)螺栓分組

本研究分別測(cè)量圓周內(nèi)每顆螺栓首次使用和二次使用后的扭矩系數(shù)，按組別分倉計(jì)算平均扭矩系數(shù)。

首次使用和二次使用后各分組螺栓平均扭矩系數(shù)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(shù)

圖6中，首次使用時(shí)，各分組螺栓平均扭矩系數(shù)介于0.127～0.131之間，滿足扭矩系數(shù)介于0.12～0.14之間的要求，與出廠抽檢8顆螺栓扭矩系數(shù)0.130偏差較小；各組螺栓扭矩系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差介于0.008～0.010之間，高于出廠抽檢8顆螺栓扭矩系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差0.002 5，但滿足≤0.010的要求。

實(shí)際安裝時(shí)，螺栓扭矩系數(shù)與出廠抽檢螺栓扭矩系數(shù)存在偏差，主要原因?yàn)椋?1)出廠抽檢螺栓扭矩系數(shù)是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行，測(cè)試的環(huán)境溫度、扭矩的加載方式等與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝時(shí)存在差別；(2)施擰工具和測(cè)量儀器的精度誤差?？傮w而言，首次使用時(shí)，廠內(nèi)安裝時(shí)測(cè)試的螺栓扭矩系數(shù)與出廠抽檢扭矩系數(shù)相差不大。

螺栓二次使用時(shí)，各分組螺栓平均扭矩系數(shù)介于0.142～0.149之間，較首次使用時(shí)扭矩系數(shù)平均增大13%左右；二次使用后各組螺栓扭矩系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差介于0.005～0.008之間，螺栓二次使用后扭矩系數(shù)超出出廠檢驗(yàn)要求扭矩系數(shù)0.12～0.14的范圍，但超出不大，扭矩系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差仍滿足≤0.010的要求。

根據(jù)上文計(jì)算得到的二次使用螺栓預(yù)緊力測(cè)試數(shù)據(jù)可知，90顆螺栓二次使用后，預(yù)緊力仍介于螺栓材料屈服強(qiáng)度的55%～70%之間，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文將超聲波法測(cè)螺栓預(yù)緊力技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵連接部位高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力測(cè)量中，利用高精度便攜式超聲波螺栓預(yù)緊力測(cè)試儀，完成了風(fēng)電機(jī)組輪轂與變槳軸承連接螺栓在安裝過程中螺栓預(yù)緊力的精確測(cè)量與控制；基于實(shí)際裝配中的螺栓預(yù)緊力和扭矩系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1)高強(qiáng)螺栓首次使用時(shí)，螺栓扭矩系數(shù)較為穩(wěn)定，與出廠抽檢扭矩系數(shù)相近，螺栓獲得的預(yù)緊力基本以目標(biāo)預(yù)緊力(70%屈服強(qiáng)度)為對(duì)稱軸，呈正太分布，預(yù)緊力分布范圍符合設(shè)計(jì)要求；

(2)高強(qiáng)螺栓二次使用時(shí)，螺栓扭矩系數(shù)整體增大13%左右，扭矩系數(shù)分散度受二次使用影響不大，螺栓獲得的預(yù)緊力仍呈正態(tài)分布趨勢(shì)，預(yù)緊力整體低于目標(biāo)預(yù)緊力，預(yù)緊力分布范圍仍符合設(shè)計(jì)要求，但預(yù)緊力測(cè)試最小值已接近設(shè)計(jì)要求下限值；

(3)根據(jù)相關(guān)要求，在保持施擰扭矩不變或適當(dāng)提高施擰扭矩的情況下，高強(qiáng)螺栓可進(jìn)行1次重復(fù)使用。

若要對(duì)高強(qiáng)螺栓進(jìn)行多次重復(fù)使用，首先要對(duì)螺栓進(jìn)行扭矩系數(shù)抽檢，根據(jù)實(shí)測(cè)的扭矩系數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)差，衡量調(diào)整施擰扭矩后螺栓獲得的預(yù)緊力是否滿足設(shè)計(jì)要求。