風(fēng)電機(jī)組螺栓復(fù)用扭矩系數(shù)變化的研究

鄭國龍， 劉 河， 楊炯明， 張紫平

（北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司， 北京 100176）

0 引言

隨著國家提出2030 年碳達(dá)峰，2060 年碳中和目標(biāo)，我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)迎來迅猛發(fā)展時期， 因風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的超高超大結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 其設(shè)計和運(yùn)輸需采用分段/瓣式，為此各部件之間的連接尤為重要。螺栓因其標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及拆裝方便的特點(diǎn)成為風(fēng)電機(jī)組的主要連接件，其安裝可靠性和預(yù)緊力的準(zhǔn)確直接決定著風(fēng)電機(jī)組安全和穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。 風(fēng)電機(jī)組中因個別部件的維護(hù)需經(jīng)常對連接螺栓進(jìn)行拆卸，拆卸后的螺栓一般不允許二次使用，造成很大的資源浪費(fèi)。 為此，對螺栓連接副進(jìn)行反復(fù)裝配擰緊測試，以期找到相關(guān)規(guī)律支撐螺栓復(fù)用技術(shù)的推進(jìn)。

1 試驗(yàn)方法及測試結(jié)果

1.1 試驗(yàn)方法

1.1.1 試驗(yàn)原理及方案描述

緊固扭矩平穩(wěn)地作用于螺栓連接副以產(chǎn)生夾緊力，在彈性變形范圍內(nèi)扭矩與夾緊力理論上呈顯性關(guān)系，影響線性關(guān)系的有螺紋摩擦系數(shù)、端面摩擦系數(shù)等。 為確定這些參數(shù)及其變化，以規(guī)格為M8 的螺栓、墊圈、螺母分成8 組， 每組1 顆螺栓、1 個墊圈、1 個螺母， 分別標(biāo)記清楚并進(jìn)行反復(fù)擰緊試驗(yàn)測試其扭矩系數(shù)、 端面摩擦系數(shù)、 螺紋摩擦系數(shù)的變化， 擰緊次數(shù)為10 次，見圖1。

圖1 摩擦系數(shù)試驗(yàn)分組示意圖Fig.1 Friction coefficient test

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備及夾具

試驗(yàn)設(shè)備為Schatz 臥式摩擦系數(shù)測試臺 （見圖2），試驗(yàn)卡具為自制卡具（見圖3）。

圖2 Schatz 臥式摩擦系數(shù)測試臺Fig.2 Schatz Friction coefficient test bench

圖3 摩擦系數(shù)試驗(yàn)裝卡示意圖Fig.3 Assembly drawing of friction coefficient test

1.1.3 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件包含螺栓、螺母、墊圈，其中螺栓滿足GB/T 5782和GB/T 3098.1 要求，螺母滿足GB/T 6170 和GB/T 3098.2要求，墊圈滿足GB/T 1230 要求。

1.1.4 試驗(yàn)參數(shù)

擰緊試驗(yàn)測試中的主要參數(shù)如下： 試驗(yàn)環(huán)境溫度為（25±5）℃，螺栓連接副潤滑狀態(tài)為無潤滑，擰緊試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為10r/min，擰緊試驗(yàn)的夾緊力為75%的保證載荷。

1.1.5 試驗(yàn)

在（25±5）℃室溫下進(jìn)行試驗(yàn)，將墊圈置于試驗(yàn)臺靠近動力源（擰緊槍）一側(cè)，與專用墊板支撐配合，并使墊圈孔與被測螺栓孔對齊，將螺母放入專用工裝并將通孔變徑塊擰入專用工裝， 二者連同專用工裝一起置于試驗(yàn)臺傳感器遠(yuǎn)離動力源（擰緊槍）一側(cè)，將M8 螺栓穿過墊圈及試驗(yàn)機(jī)傳感器，并與螺母嚙合；啟動試驗(yàn)臺通過擰緊槍擰緊螺栓，擰緊速度為10r/min，記錄扭矩、螺紋摩擦系數(shù)、端面摩擦系數(shù)。

1.2 測試結(jié)果

對8 組螺栓連接副10 次擰緊試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，根據(jù)GB/T 16823.3 對數(shù)據(jù)整理后見表1。

表1 螺栓連接副復(fù)擰測試值Tab.1 Torque coefficient test value

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)8 組螺栓連接副10 次擰緊的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別對其螺紋摩擦系數(shù)、端面摩擦系數(shù)、扭矩系數(shù)進(jìn)行分析。

2.1 端面摩擦系數(shù)分析

通過分析可以發(fā)現(xiàn)代表離散性的端面摩擦系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差在擰緊試驗(yàn)中的前5 次數(shù)值較大， 后5 次數(shù)值較?。?端面摩擦系數(shù)平均值由開始的逐步上升到第3 次擰緊時最大開始下降，后趨于穩(wěn)定，且與第1 次擰緊摩擦系數(shù)值相當(dāng)；見圖4。 這符合我們的常識認(rèn)知，隨著擰緊次數(shù)的增多，螺栓連接副摩擦面由最初的“粗糙”趨于“平滑”，對試驗(yàn)后的螺栓連接副端面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)第5 次擰緊后的端面擦痕遠(yuǎn)大于第1 次擰緊，與第10 次擰緊相當(dāng)，證明了上述猜想的準(zhǔn)確性，見圖5。

圖4 螺栓連接副8 組樣10 次扭擰數(shù)據(jù)（μb）Fig.4 Ten sets of torque coefficient data （μb）

圖5 螺栓連接副端面磨損情況Fig.5 Bolt head wear map

2.2 螺紋摩擦系數(shù)分析

可以發(fā)現(xiàn)螺紋摩擦系數(shù)的變化趨勢與端面摩擦系數(shù)基本一致，包含平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，與之不同的為螺紋摩擦系數(shù)在擰緊第4 次后趨于平穩(wěn)，早于端面摩擦系數(shù)，如圖6 所示。對試驗(yàn)后的螺栓連接副嚙合螺紋進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)第4 次擰緊后的螺紋擦痕與第10 次擰緊相當(dāng)，從而證明上述測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，見圖7。

圖6 螺栓連接副8 組樣10 次扭擰數(shù)據(jù)（μth）Fig.6 Ten sets of torque coefficient data（μth）

圖7 螺栓連接副螺紋磨損情況Fig.7 Thread wear map

2.3 扭矩系數(shù)分析

與螺栓連接副端面摩擦系數(shù)和螺紋摩擦系數(shù)的變化趨勢一致， 扭矩系數(shù)在前5 次擰緊中標(biāo)準(zhǔn)偏差大于后5次，平均值在第3 次擰緊時達(dá)到最大后開始下降，在第（6～10）次擰緊中趨于平穩(wěn)，略低于第1 次擰緊值，見圖8，這與張守陽等人進(jìn)行的M6 無潤滑狀態(tài)下的扭矩系數(shù)均值變化相似[3]。 通過對螺栓連接副扭矩系數(shù)同組8 個數(shù)據(jù)的最大值和最小值分析， 同樣發(fā)現(xiàn)在第2 次擰緊和第3 次擰緊時二者差值最大后趨于減小，呈典型的棒槌結(jié)構(gòu)，見圖9。

圖8 螺栓副8 組樣10 次擰緊數(shù)據(jù)-扭矩系數(shù)均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig.8 Ten sets of torque coefficient data

圖9 螺栓副8 組樣10 次擰緊數(shù)據(jù)-扭矩系數(shù)均值和極值Fig.9 Ten sets of torque coefficient data

第3 次擰緊扭矩系數(shù)高于第1 次6.9%， 高于第10次12.3%，在螺栓復(fù)用設(shè)計中要加以關(guān)注，特別是復(fù)用扭矩值的控制；第（6～10）次扭矩系數(shù)差值為0.8%基本一致，低于第1 次扭矩系數(shù)5.3%，為可接受范圍，在螺栓復(fù)用設(shè)計和施工中稍加注意即可。

2.4 機(jī)理分析

針對螺紋摩擦系數(shù)、 端面摩擦系數(shù)及扭矩系數(shù)的變化趨勢，使用光學(xué)顯微鏡測試螺栓端面和螺紋外觀，數(shù)據(jù)顯示在第5 次擰緊后的摩擦面基本趨于一致， 見圖5 和圖7。 對試驗(yàn)后的螺紋中徑和大徑進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)其數(shù)值變化與形貌一致呈現(xiàn)第2 組和第3 組最大， 后5 組穩(wěn)定的規(guī)律。這符合基本摩擦學(xué)理論，即隨著摩擦的開始表面的毛刺被刮起后表現(xiàn)出更加的“粗糙”，但隨著摩擦次數(shù)的增多這些毛刺逐漸被磨平從而表現(xiàn)出“平滑”特征，且趨于平穩(wěn)，見圖10。

3 結(jié)論

本文對螺栓連接副重復(fù)擰緊進(jìn)行研究， 具體分析了端面摩擦系數(shù)、螺紋摩擦系數(shù)、扭矩系數(shù)的變化規(guī)律及影響原因，得到如下結(jié)論：

螺栓連接副的端面摩擦系數(shù)和螺紋摩擦系數(shù)均隨復(fù)用擰緊次數(shù)的增加呈先增后減的趨勢；

螺栓連接副的端面摩擦系數(shù)和螺紋摩擦系數(shù)均當(dāng)復(fù)用擰緊次數(shù)超過5 次后呈穩(wěn)定趨勢。

螺栓連接副扭矩系數(shù)在10 次復(fù)擰中的最大值超出第1 次擰緊值的6.9%， 滿足施工力矩±10%的要求，但在設(shè)計及施工中應(yīng)加以注意。

螺栓連接副扭矩系數(shù)在第（6～10）次復(fù)擰中扭矩系數(shù)最小值低于第1 次擰緊值的5.3%，滿足施工力矩±10%的要求，但在設(shè)計及施工中應(yīng)加以注意。

本文未研究螺栓連接副規(guī)格不同對其復(fù)用扭矩系數(shù)、端面摩擦系數(shù)、螺紋摩擦系數(shù)的影響，其他規(guī)格螺栓連接副復(fù)用時如采用該結(jié)論需加以慎重。

本文未研究螺栓連接副（受載）運(yùn)行一定時間間隔后復(fù)用與實(shí)驗(yàn)室無時間間隔情況下的反復(fù)拆擰復(fù)用之間的性能變化差異，在沒有明確的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果前，如使用本結(jié)論需加以慎重。