淺談風(fēng)電變槳軸承螺栓自動(dòng)拉伸的應(yīng)用

東方電氣風(fēng)電有限公司 四川 德陽(yáng) 618000

《可再生能源法》頒布實(shí)施以來(lái)，中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)獲得了平穩(wěn)快速發(fā)展，一方面在關(guān)鍵技術(shù)和裝備上取得了重大突破，另一方面依托信息化、智能化技術(shù)改變了風(fēng)電傳統(tǒng)的裝配模式。從最開始的人工裝配逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽儤S承、偏航軸承、剎車器、齒輪箱、傳動(dòng)鏈等部件的自動(dòng)化扭矩裝配，并且正在大力向自動(dòng)化拉伸裝配方向發(fā)展。其中變槳軸承裝配螺栓緊固數(shù)量最多、拉伸力大、登高作業(yè)占比多，采用自動(dòng)化拉伸預(yù)緊將能很好的解決螺栓預(yù)緊精度把控難、裝配效率低下等問(wèn)題，有必要進(jìn)行仔細(xì)研究。

1 變槳軸承螺栓自動(dòng)化預(yù)緊系統(tǒng)介紹

變槳軸承螺栓自動(dòng)化預(yù)緊系統(tǒng)一般由六自由度的工業(yè)機(jī)器人、帶升降功能底座、伺服旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、視覺定位、自動(dòng)拉伸器、泵站、操作臺(tái)、安全光柵等組成。預(yù)緊系統(tǒng)應(yīng)用了自動(dòng)控制、數(shù)值記錄、數(shù)據(jù)分析等前沿技術(shù)，采用聲、光、電等方式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常運(yùn)行、自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)緊固、智能判斷，具有超限報(bào)警、故障顯示、電氣機(jī)械安全自動(dòng)保護(hù)、螺栓緊固參數(shù)可設(shè)定、擰緊曲線動(dòng)態(tài)顯示、緊固結(jié)果可實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)可追溯管理等功能，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、無(wú)人化的操作或者少量人員輔助操作，為螺栓預(yù)緊搭建的一個(gè)自動(dòng)化、信息化的系統(tǒng)。

2 自動(dòng)拉伸系統(tǒng)的優(yōu)化

自動(dòng)拉伸器是實(shí)現(xiàn)螺栓預(yù)緊的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由拉伸缸、拉桿、伺服電機(jī)、底座、浮動(dòng)機(jī)構(gòu)、激光傳感器(視覺相機(jī))等組成，可實(shí)現(xiàn)拉桿的自動(dòng)旋芯、螺母自動(dòng)鎖緊、并能監(jiān)測(cè)拉桿旋入旋出是否到位。

對(duì)于浮動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用：預(yù)緊系統(tǒng)通過(guò)控制機(jī)械臂的移動(dòng)使拉伸器定位到目標(biāo)螺栓，由于視覺相機(jī)精度及執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤差等因素的影響，可能會(huì)出現(xiàn)定位“偏心”、“平衡度不準(zhǔn)”等現(xiàn)象，導(dǎo)致拉伸器關(guān)鍵零部件彎曲、變形、密封件磨損等，降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能，縮短使用壽命。浮動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在拉伸器與六軸機(jī)械臂之間，正好解決定位偏心的問(wèn)題，使螺栓在緊固的過(guò)程中保持動(dòng)作平穩(wěn)。浮動(dòng)機(jī)構(gòu)在允許的偏心范圍內(nèi)可正常工作，當(dāng)機(jī)械臂與拉伸器中心不準(zhǔn)時(shí)不必微調(diào)也可以實(shí)現(xiàn)定位精準(zhǔn)。目前，很多浮動(dòng)機(jī)構(gòu)采用氣缸式結(jié)構(gòu)，雖然緩沖性比較好，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本高、還要外接氣源。其實(shí)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)完全可以采用彈簧式結(jié)構(gòu)代替，分為軸向浮動(dòng)和徑向浮動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)，同樣能解決定位不準(zhǔn)的問(wèn)題，該結(jié)構(gòu)已在實(shí)際中得到驗(yàn)證，效果良好。

自動(dòng)拉伸器的控制系統(tǒng)主要組成部分為單片機(jī)、液壓傳感器、A/D、LED、鍵盤及電機(jī)等組成。具體控制流程為：當(dāng)單片機(jī)接收到外部輸入的預(yù)緊力大小時(shí)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閴毫Υ笮?，并用壓力傳感器?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力大小，在電機(jī)的帶動(dòng)下對(duì)拉伸器施加壓力，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到達(dá)到設(shè)定壓力后，再通過(guò)旋緊螺母對(duì)螺栓進(jìn)行預(yù)緊[1]。這樣控制雖然實(shí)現(xiàn)螺栓預(yù)緊，但是卻無(wú)法對(duì)拉伸效果進(jìn)行檢測(cè)，所以控制系統(tǒng)除了核心的邏輯控制以及對(duì)高壓泵壓力值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控外，還需要在第二三級(jí)拉伸過(guò)程中對(duì)螺母旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此來(lái)檢測(cè)螺栓以及拉伸是否正常，除此之外最重要的一點(diǎn)是還需要對(duì)高壓泵的啟停進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 如何減少拉伸回彈量和離散度

在螺栓預(yù)緊工作完成之后，留存在變槳軸承連接系統(tǒng)中的載荷是看不見摸不著，是非常難以測(cè)量及量化的一個(gè)參數(shù)。在泵站配置高精度壓力表的情況下拉伸器一般可以達(dá)到≤±1%的預(yù)緊精度，對(duì)于變槳軸承連接螺栓預(yù)緊后是否達(dá)到額定載荷的檢測(cè)還停留在對(duì)高壓泵壓力值的測(cè)量上，這個(gè)壓力值雖然能比較準(zhǔn)確反應(yīng)出螺栓拉伸的實(shí)際拉伸力，但是由于受到螺栓直徑、長(zhǎng)度、螺紋形式、接觸面平整度、軸向同軸度等多種因素影響[2]，螺栓拉伸后通常的回彈損失量將達(dá)到10%～20%，而通常采取對(duì)回彈量的忽視、放大設(shè)計(jì)余量或者直接取一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值來(lái)代替，這樣都將會(huì)造成拉伸精度的誤差積累，產(chǎn)生一定的拉伸力離散度，從而影響變槳軸承的使用壽命。

一般工程上對(duì)于普通公制螺栓使用拉伸器預(yù)緊的都會(huì)補(bǔ)償一個(gè)回彈損失，常推薦公式為[3]：

公式中F為回彈損失系數(shù)，即回彈量，R為螺栓長(zhǎng)度和直徑的比值。按公式計(jì)算得出的數(shù)據(jù)繪制了表1的曲線，而表2則是經(jīng)過(guò)大量工藝試驗(yàn)結(jié)果繪出的曲線。兩者的相同點(diǎn)都是螺栓的長(zhǎng)/徑比值越大，回彈量越小。變槳軸承螺栓的長(zhǎng)度一般在400～600mm這間，螺栓規(guī)格多為M36或M42，從螺栓的長(zhǎng)/徑比值來(lái)看都大于10，這是比較適合用拉伸預(yù)緊的，產(chǎn)生的回彈也相對(duì)較小。兩者的不同點(diǎn)是回彈量數(shù)值相差較大，因?yàn)楣街袃H理論上表達(dá)了螺栓長(zhǎng)度對(duì)回彈量的影響，而沒有考慮到其它因素，所以說(shuō)在對(duì)螺栓預(yù)緊精度要求較高時(shí)，一般不能按公式進(jìn)行取值補(bǔ)償。

對(duì)于螺栓是否達(dá)到額定載荷，最直觀的拉伸量測(cè)量卻是很難做到，關(guān)鍵問(wèn)題是無(wú)法對(duì)變槳軸承、螺栓、螺母、墊圈等的變形以及間隙消除引起的回彈量進(jìn)行直接的測(cè)量。螺栓拉伸后留存載荷的測(cè)量方法有好幾種，如應(yīng)力感應(yīng)墊圈、超聲波、應(yīng)變片等方法，雖然在變槳軸承螺栓預(yù)緊過(guò)程中無(wú)法應(yīng)用，但是卻有兩種方法可以提高拉伸精度和減少留存載荷的離散度。一是模擬安裝工況，對(duì)不同材質(zhì)、不同批次的螺栓和墊圈做大量的工藝試驗(yàn)，取得一個(gè)比較實(shí)際的回彈量，然后在拉伸力設(shè)定的時(shí)候?qū)⒋嘶貜椓垦a(bǔ)償進(jìn)去，這樣才能有效的保證預(yù)緊達(dá)到理想的載荷。二是優(yōu)化緊固件結(jié)構(gòu)，變槳軸承的連接普遍采用常規(guī)的墊圈+六角螺栓結(jié)構(gòu)，受墊圈本身硬度、兩個(gè)面加工平整度、光潔度以及墊圈和軸承與螺母之間間隙的影響，會(huì)造成螺栓拉伸完成卸壓后，產(chǎn)生一定的回彈，而墊圈的平整度和光潔度大小有差異，勢(shì)必造成螺栓拉伸力后有一定的離散。對(duì)于這種設(shè)計(jì)，完全可以將墊圈取消，用圓螺母來(lái)代替六角螺栓，為了方便自動(dòng)拉伸旋轉(zhuǎn)螺母，在圓螺母上方外圓加工出六方即可。同理，變槳軸承連接螺栓之間還應(yīng)盡量取消其它部件的安裝，比如輪轂罩殼支撐、潤(rùn)滑分配器支架等。

另外，螺栓預(yù)緊是必須要堅(jiān)持分三級(jí)執(zhí)行，一般取50%、75%和100%額定拉伸力，按“米”字型或“星”型預(yù)緊，最好是兩臺(tái)機(jī)器人同時(shí)操作，這樣更能有效的保證變槳軸承與輪轂在每個(gè)方向上貼合度基本一致，也能先對(duì)螺紋、墊圈、螺母、變槳軸承等施加一定的壓力消除一些變形，這樣也可以有效減小回彈量以及拉伸力離散度。

4 提高設(shè)備”柔性”，由自動(dòng)化向智能化發(fā)展

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)一個(gè)“資源換產(chǎn)業(yè)”的潛規(guī)則，各大風(fēng)電主機(jī)廠都在全國(guó)各地新建很多裝配生產(chǎn)基地，自動(dòng)化預(yù)緊系統(tǒng)應(yīng)能夠適應(yīng)多種型號(hào)規(guī)格變槳軸承的裝配，滿足“柔性制造”要求，可以實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域不同基地之間搬遷，具備短時(shí)安裝調(diào)試運(yùn)行的能力，滿足風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品質(zhì)量控制，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

變槳軸承自動(dòng)化拉伸預(yù)緊控系統(tǒng)框采用邏輯控制器(PLC)進(jìn)行系統(tǒng)邏輯控制，需要完成對(duì)機(jī)器人、升降臺(tái)、拉伸器、泵站、工業(yè)相機(jī)、觸摸屏、指示燈、安全光柵等各種外設(shè)的通訊控制工作。PLC作為核心控制器，需留有通訊接口，接有無(wú)線通訊模塊，便于與制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)進(jìn)行通訊，便于進(jìn)行生產(chǎn)管理、質(zhì)量追蹤等集約化生產(chǎn)。

現(xiàn)在的變槳軸承自動(dòng)化拉伸預(yù)緊系統(tǒng)還缺乏對(duì)各零部件供應(yīng)鏈的信息管控、部分裝配人工輔助、拉伸質(zhì)量監(jiān)控不到位等，能真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的少之又少，而采用MES制造管理系統(tǒng)，進(jìn)行全過(guò)程數(shù)據(jù)追溯，將能全面提高產(chǎn)品的質(zhì)量。自動(dòng)化預(yù)緊系統(tǒng)貼合產(chǎn)品工藝構(gòu)建MES制造管理平臺(tái)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字標(biāo)示掃碼錄入，做到每一臺(tái)產(chǎn)品的裝配零件的供應(yīng)商、材質(zhì)、參數(shù)性能、責(zé)任人員、緊固拉伸力、設(shè)備耗能進(jìn)行自動(dòng)的追溯記錄。在螺栓緊固時(shí)全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)判定拉伸是否合格，實(shí)現(xiàn)自診斷和具備識(shí)別功能，防止個(gè)別螺栓有缺陷、漏預(yù)緊或預(yù)緊力不足，避免拉伸器或螺栓出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題造成安全事故，從而才能保證每件產(chǎn)品都能保質(zhì)保量的進(jìn)行可控化生產(chǎn)，并有案可稽。

5 總結(jié)

變槳軸承螺栓的自動(dòng)化拉伸預(yù)緊最為關(guān)鍵的是拉伸精度、效率和質(zhì)量管控，只有不斷改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)工藝試驗(yàn)和信息化建設(shè)，逐步引入MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息管理及調(diào)度的智能化，包括入庫(kù)信息錄入自動(dòng)化，生產(chǎn)過(guò)程信息的實(shí)時(shí)記錄和存儲(chǔ)，生產(chǎn)排產(chǎn)的柔性調(diào)度，生產(chǎn)工藝文件的發(fā)布等智能管理，從而才能大大提高整個(gè)裝配過(guò)程的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。