風(fēng)電機(jī)組用新型緊固連接技術(shù)疲勞性能試驗(yàn)研究

張欽， 賈云龍

（眉山中車緊固件科技有限公司， 四川 眉山， 620010）

0 前言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中一般包括槳葉、 主軸、 塔筒、機(jī)架及連接用的高強(qiáng)度螺栓等零部件。 由于風(fēng)速方向和大小的隨機(jī)性， 導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉根螺栓承受的載荷很復(fù)雜， 所以此部位經(jīng)常發(fā)生螺栓斷裂的問(wèn)題[1]， 因而會(huì)給企業(yè)帶來(lái)非常大的經(jīng)濟(jì)損失。 針對(duì)這一問(wèn)題， 賈森[2]等以3 MW 風(fēng)機(jī)為例， 針對(duì)螺栓的結(jié)構(gòu)和預(yù)緊方法， 提出采用鎖緊螺栓和改變螺栓安裝預(yù)緊方式來(lái)確保連接的安全； 張俊[3]基于影響矩陣的風(fēng)電機(jī)組螺栓疲勞壽命分析步驟， 以輪轂與主軸連接螺栓為例并結(jié)合Excel VBA 二次開(kāi)發(fā)程序詳細(xì)介紹了各個(gè)步驟的具體實(shí)現(xiàn)方式， 并驗(yàn)證了二次開(kāi)發(fā)的螺栓疲勞壽命計(jì)算程序的精確性； 環(huán)槽鉚釘連接作為一種成熟的緊固連接技術(shù)，具有連接強(qiáng)度高、 防松性能優(yōu)異、 施工質(zhì)量穩(wěn)定，全壽命周期免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)， 能夠解決目前高強(qiáng)度螺栓連接存在的問(wèn)題， 但目前環(huán)槽鉚釘在國(guó)內(nèi)風(fēng)電領(lǐng)域運(yùn)用暫無(wú)相關(guān)技術(shù)研究， 為更好的推廣環(huán)槽鉚釘連接技術(shù)， 本文對(duì)環(huán)槽鉚釘與高強(qiáng)螺栓的疲勞性能開(kāi)展了對(duì)比研究， 為環(huán)槽鉚釘?shù)氖褂锰峁┝死碚撘罁?jù)。

1 技術(shù)原理

與螺紋連接不同， 環(huán)槽鉚釘連接是利用虎克定律， 采用專用鉚接工具， 軸向拉伸鉚釘， 同時(shí)徑向擠壓套環(huán)， 使套環(huán)金屬流動(dòng)到鉚釘?shù)沫h(huán)槽中，形成永久的金屬塑性變形連接， 與螺栓連接相比，環(huán)槽鉚釘連接具有連接強(qiáng)度高、 夾緊力一致性好、抗振防松性能優(yōu)異、 抗疲勞壽命長(zhǎng)、 抗延遲斷裂能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 更適用于風(fēng)電設(shè)備節(jié)點(diǎn)的連接。連接原理對(duì)比見(jiàn)圖1。

圖1 螺紋連接與環(huán)槽鉚釘連接原理對(duì)比

2 高強(qiáng)度環(huán)槽鉚釘連接副結(jié)構(gòu)

高強(qiáng)度環(huán)槽鉚釘連接副由高強(qiáng)度環(huán)槽鉚釘和配套的套環(huán)組成： 鉚釘由冒頭、 卸載槽、 光桿、鎖緊槽和尾牙組成， 其中鎖緊槽為獨(dú)立的圓環(huán)結(jié)構(gòu)； 套環(huán)由變形區(qū)、 法蘭盤、 凸點(diǎn)和卡齒組成。其結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示。

圖2 環(huán)槽鉚釘結(jié)構(gòu)形式

環(huán)槽鉚釘連接副的安裝步驟如下， 安裝過(guò)程如圖3 所示。

圖3 環(huán)槽鉚釘鉚接安裝示意圖

（1）將環(huán)槽鉚釘穿過(guò)被連接板層， 將套環(huán)從環(huán)槽鉚釘尾部擰入， 至手?jǐn)Q不動(dòng)為止；

（2）將鉚槍卡爪放置于環(huán)槽鉚釘尾牙上， 注意防止卡爪和環(huán)槽鉚釘尾牙錯(cuò)牙， 造成尾牙損傷；

（3）按下鉚槍控制開(kāi)關(guān)， 鐵砧向下運(yùn)動(dòng)擠壓套環(huán)， 直至鉚接到位；

（4）鐵砧從套環(huán)上退出， 完成鉚接；

（5）目視檢查套環(huán)法蘭面上的凸點(diǎn)， 確認(rèn)有1個(gè)及以上凸點(diǎn)產(chǎn)生明顯的塑性變形， 鉚接完成。

3 單釘抗疲勞性能研究

3.1 牙型結(jié)構(gòu)對(duì)比

查GB/T 192-2003《統(tǒng)一螺紋 牙型》[4]和“高強(qiáng)度、 低鉚接力構(gòu)件緊固方法及10.9 級(jí)短尾拉鉚釘”發(fā)明專利權(quán)利要求書， 螺栓與鉚釘?shù)难佬徒Y(jié)構(gòu)有較大的差異， 環(huán)槽鉚釘?shù)逆i緊槽牙型由多段不同直徑的圓弧組合而成， 而螺栓牙型為60°的等邊三角形型結(jié)構(gòu)， 如圖4 所示。

圖4 環(huán)槽鉚釘牙型和螺栓牙型結(jié)構(gòu)對(duì)比

3.2 牙型受力仿真分析對(duì)比

為驗(yàn)證二者牙型的優(yōu)劣情況， 通過(guò)Ansys 軟件對(duì)牙型受力情況進(jìn)行了仿真模擬分析， 分析結(jié)果如圖5 所示。

圖5 環(huán)槽鉚釘/高強(qiáng)螺栓牙型應(yīng)力分布

從分析結(jié)果可以看出， 在承受同等載荷的情況下， 同規(guī)格環(huán)槽鉚釘牙型比螺栓牙型應(yīng)力集中小， 螺栓牙型的最大應(yīng)力約為環(huán)槽鉚釘牙型應(yīng)力的4 倍， 所以環(huán)槽鉚釘圓弧結(jié)構(gòu)可有效降低牙底和牙頂?shù)膽?yīng)力集中， 提高疲勞壽命。

3.3 沖擊功試驗(yàn)驗(yàn)證

陳繼林[5]、 張先鳴[6]和張九高[7]等對(duì)螺栓的沖擊功性能進(jìn)行了研究， 但國(guó)內(nèi)暫未見(jiàn)對(duì)環(huán)槽鉚釘沖擊功的研究報(bào)道。 為進(jìn)一步驗(yàn)證二者牙型的受力情況， 本文參照《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》[8]， 對(duì)二者牙型在夏比沖擊試驗(yàn)中吸收能量的強(qiáng)弱進(jìn)行了對(duì)比， 試驗(yàn)樣件如圖6 所示， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖6 試驗(yàn)樣件

圖7 不同缺口沖擊功數(shù)值匯總表

從不同缺口沖擊功數(shù)值可以明顯看出： 在同等情況下， 鉚釘牙型缺口在夏比沖擊試驗(yàn)中所吸收的能量遠(yuǎn)大于螺栓的牙型； 環(huán)槽鉚釘牙型較螺栓牙型沖擊功吸收功提升約48%； 高強(qiáng)螺栓在使用過(guò)程中容易發(fā)生延遲斷裂， 可能就是由于牙型的應(yīng)力集中造成的。 而鉚釘牙型承受的沖擊功大于螺栓牙型， 可以預(yù)測(cè)鉚釘?shù)难舆t斷裂現(xiàn)象會(huì)明顯優(yōu)于高強(qiáng)螺栓。

3.4 軸向載荷下疲勞試驗(yàn)對(duì)比

對(duì)于緊固件而言， 產(chǎn)品的疲勞壽命是關(guān)鍵性能，胡健[8]對(duì)不同材質(zhì)鉚釘疲勞壽命開(kāi)展試驗(yàn)研究，歐陽(yáng)卿[9]對(duì)高強(qiáng)度螺栓受力及疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究， 結(jié)果表明螺栓球節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中情況比較嚴(yán)重。 為對(duì)比環(huán)槽鉚釘與高強(qiáng)螺栓的疲勞性能， 參考《環(huán)槽鉚釘連接副技術(shù)條件》[10]和《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]開(kāi)展了疲勞性能試驗(yàn)研究工作。

試驗(yàn)按照《軸向加力疲勞試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程》[12]的同軸度檢定方法執(zhí)行， 同軸度偏差5%。 疲勞試驗(yàn)選用軸向加載方式， 盡可能重現(xiàn)結(jié)構(gòu)在使用條件下的工作應(yīng)力狀態(tài)和疲勞斷裂形式。 疲勞加載控制方式采用荷載控制， 即在試驗(yàn)全過(guò)程中保持荷載為穩(wěn)定值， 荷載為常幅式正弦波， 加載頻率控制在5 Hz。 分別設(shè)置不同的荷載， 當(dāng)試驗(yàn)過(guò)程中試件因疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展直至斷裂破壞， 試驗(yàn)終止加載（或者當(dāng)達(dá)到設(shè)定加載次數(shù)后， 試驗(yàn)終止加載）， 針對(duì)環(huán)槽鉚釘和高強(qiáng)螺栓各進(jìn)行五組試驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8 所示。

圖8 螺栓和環(huán)槽鉚釘軸向疲勞對(duì)比

從圖9 可以看出： 在相同受力情況下， 環(huán)槽鉚釘?shù)钠谛阅苊黠@優(yōu)于高強(qiáng)螺栓； 在相同疲勞壽命下， 環(huán)槽鉚釘?shù)钠跇O限比高強(qiáng)螺栓高48%；在相同疲勞極限下， 環(huán)槽鉚釘?shù)钠跇O限為高強(qiáng)螺栓的3 倍以上。

4 節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)

采用環(huán)槽鉚釘連接的節(jié)點(diǎn)和高強(qiáng)度螺栓連接的節(jié)點(diǎn)參照《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》 開(kāi)展了雙摩擦面抗剪疲勞對(duì)比試驗(yàn)， 本試驗(yàn)中環(huán)槽鉚釘/高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接以板件間的摩擦力被外力克服作為極限狀態(tài)。 參考《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》 附錄C， 表C.0.1 選定其疲勞應(yīng)力幅Δσc為110 MPa （應(yīng)力取值范圍是0～110 MPa）， 對(duì)3 個(gè)環(huán)槽鉚釘連接雙面疲勞試件和3 個(gè)高強(qiáng)度螺栓連接雙面疲勞試件依次進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明環(huán)槽鉚釘連接的節(jié)點(diǎn)在單摩擦面和雙摩擦面下抗剪疲勞壽命均大于200 萬(wàn)次，滿足設(shè)計(jì)值要求。 且在《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》 規(guī)定的疲勞試驗(yàn)載荷情況， 環(huán)槽鉚釘連接節(jié)點(diǎn)完成700 萬(wàn)次試驗(yàn)仍未失效。

5 結(jié)論

環(huán)槽鉚釘與螺栓連接相比， 具有連接強(qiáng)度高、夾緊力一致性好、 抗振防松性能優(yōu)異、 抗疲勞壽命長(zhǎng)、 抗延遲斷裂能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 更適用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備節(jié)點(diǎn)的連接。 本文通過(guò)環(huán)槽鉚釘與高強(qiáng)螺栓的牙型結(jié)構(gòu)、 受力模擬分析、 沖擊功特性、軸向載荷下疲勞試驗(yàn)、 多釘?shù)钠谛阅芄?jié)點(diǎn)試驗(yàn)等試驗(yàn)對(duì)比， 得出了以下結(jié)論：

（1）同規(guī)格環(huán)槽鉚釘牙型比螺栓牙型應(yīng)力集中小， 環(huán)槽鉚釘圓弧結(jié)構(gòu)可有效降低牙底和牙頂?shù)膽?yīng)力集中， 提高疲勞壽命。

（2）鉚釘牙型缺口在夏比沖擊試驗(yàn)中所吸收的能量遠(yuǎn)大于螺栓的牙型； 可以預(yù)測(cè)鉚釘?shù)难舆t斷裂現(xiàn)象會(huì)明顯優(yōu)于高強(qiáng)螺栓。

（3）在相同受力情況下， 環(huán)槽鉚釘?shù)钠谛阅苊黠@優(yōu)于高強(qiáng)螺栓。

（4）在多釘連接的節(jié)點(diǎn)中， 環(huán)槽鉚釘連接的節(jié)點(diǎn)疲勞性能不低于高強(qiáng)螺栓連接。