風力發(fā)電機塔筒法蘭高強度螺栓疲勞強度分析

李志龍

（國家能源集團西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850000）

當前，國內風力發(fā)電市場發(fā)展勢頭更猛，市場上涌現(xiàn)出很多風力發(fā)電機（wind driven generator，WDG），在其數量增加的同時也暴露出很多問題，如倒塌事故發(fā)生率較高，加大相關企業(yè)單位經濟損失，甚至對現(xiàn)場及周圍人員生命安全構成嚴重威脅。為減少此類問題發(fā)生，需加強WDG 全面管理。高強度螺栓（High strength bolt，HSB），在整個塔筒（Tower barrel，TB）法蘭連接系統(tǒng)中起到了總攬全局的作用，其自身疲勞強度和整個WDG 實際承載能力、安全運行性能有較大聯(lián)系，故通過分析其疲勞強度，提升其安全性。

1 塔筒法蘭高強度螺栓疲勞概述

1.1 疲勞

材料的某點、某部分點所承受擾動應力，在充分數量的循環(huán)干擾影響下，會出現(xiàn)裂紋，或基本上已經斷裂，導致結構更改，將其稱為疲勞。局部、應變比較高的位置，以材料存在疲勞破壞為出發(fā)點，材料傷害越多，疲勞破壞情況越顯著。故材料疲勞破壞以局部性為主要特征。循環(huán)擾動荷載影響下，疲勞失效可能性較大。由于連續(xù)干擾后，材料會出現(xiàn)一定裂縫，通常將其稱作裂紋萌發(fā)過程。經荷載影響，裂紋增多后斷裂，為疲勞破壞的特征之一。

1.2 高強度螺栓

HSB 全稱高強度摩擦預緊螺栓，以強度高、抗疲勞為主要特征，具體在WDG TB 法蘭連接的關鍵位置予以應用。普通、HSB 進行對比，后者預緊力更大，可以促使連接件之間形成較大的擠壓力，垂直在螺栓桿方向上，摩擦力較大，可以對橫向載荷進行限制，防止其對螺栓造成嚴重影響。正因如此，其能促使連接件的整體剛度提升，突出其工作性能，且在交變荷載的影響下，提升疲勞強度。

2 風力發(fā)電機塔筒最危險截面確定

2.1 結構參數

WDG 塔體由以下內容構成，如上段、中段、下段TB以及基礎環(huán)。在其構成中，連接TB和法蘭時，多以焊接法。不同塔段法蘭和法蘭、法蘭和基礎環(huán)之間連接時，離不開HSB的使用。故以2MW風力發(fā)電機舉例，每段TB間以“L”型單排螺栓法蘭進行銜接，其結構對應參數情況如下：

（1）截面Ⅰ：①塔體：TB 高度71480mm，孔徑45mm；②法蘭：外徑：3779mm，內徑3591mm，厚度91mm；③HSB：規(guī)格43mm，等級10.8，數目76 個；④墊片：外徑79mm，內徑42.3mm，厚度7mm。（2）截面Ⅱ：①塔體：TB 高度44550mm，孔徑45mm；②法蘭：外徑3881m，內徑3661mm，厚度91mm；③HSB：規(guī)格43mm，等級10.8，數目81 個；④墊片：外徑79mm，內徑42.3mm，厚度7mm。（3）截面Ⅲ：①塔體：TB 高度22381mm，孔徑48mm；②法蘭：外徑4011mm，內徑3712mm，厚度96mm；③HSB：規(guī)格46mm，等級10.8，數目85 個；④墊片：外徑84mm，內徑47.5mm，厚度7mm。（4）截面Ⅳ：①塔體：TB 高度0mm，孔徑55mm；②法蘭：外徑4312mm，內徑4113mm，厚度101mm；③HSB：規(guī)格51mm，等級10.8，數目89 個；④墊片：外徑101mm，內徑55mm，厚度11mm。

2.2 截面力學計算

參考上述數據，設置TB 頂部—自由端；底部—固定端。在此作出假設，如果某一時刻風速保持穩(wěn)定，每一截TB 所受橫向力和z 方向的力矩不會出現(xiàn)較大變化。故截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的受力情況、力矩計算公式如下：

上述公式中，Mx、My、Mz即WDG 自身所承受荷載簡化至TB 頂端坐標系的力矩；Fx、Fy、Fz即頂端坐標系的受力情況，M′x、M′y、M′z、F′x、F′y、F′z，即力矩、受力情況；h 為TB 頂端中心與截面中心的距離；∑G 即TB頂部、計算截面之間幾何體的重力。

在Bladed 軟件內，填寫結構參數，從而掌握TB 頂部承受應力的大小情況，利用上述4 個公式，計算其他TB 截面受力情況，結果如下：（1）截面Ⅰ：①力：F ′x256.6kN，F(xiàn) ′y-4.1kN，F(xiàn) ′z-1163.2kN； ②力矩：M′x1167.9kN·m，M′y2470.5kN·m，224.3kN·m。（2）截面Ⅱ：①力：F′x256.6kN，F(xiàn)′y-4.1kN，F(xiàn)′z-1256.2kN；②力矩：M ′x1280.3kN·m，M ′y9363.8kN·m，224.3kN·m。（3）截面Ⅲ：①力：F′x256.6kN，F(xiàn)′y-4.1kN，F(xiàn)′z-1622.8kN；②力矩：M′x1373.3kN·m，M′y16053.8kN·m，224.3kN·m。（4）截面Ⅳ：①力：F′x256.6kN，F(xiàn)′y-4.1kN，F(xiàn)′z-2177.5kN；②力矩：M′x1466.7kN·m，M′y21611.9kN·m，224.3kN·m。通過上述數據，我們可以了解到，x、y 方向時，截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ受力情況未見顯著差異；z 方向上，截面Ⅳ，所承受應力最大。同時，離TB 頂端位置距離越遠，相對應橫向力矩也越大。截面Ⅳ為法蘭和基礎環(huán)相聯(lián)系之處，經過HSB 連接后，增加次數受載力，必要情況下，建議對截面Ⅳ法蘭環(huán)、基礎環(huán)連接所使用的HSB 予以全面分析。

對以上數據進行全面分析，截面Ⅳ強度：10.8 級，以M52HSB 連接法蘭和基礎環(huán)為準。參考國際標準NB/T31082-2016，WDG 所使用10.8 級HSB 材料即42CrMo，螺母即35CrMo，法蘭即Q345，關于材料屬性情況如下：（1）材料：法蘭Q345，HSB42CrMo，螺母35CrMo；（2） 密度： 法蘭7761kg/m3，HSB7761kg/m3， 螺母7981kg/m3；（3）泊松比：法蘭0.39，HSB0.39，螺母0.397；（4）屈服極限：法蘭356MPa，HSB941MPa，螺母846MPa；（5）抗拉極限強度：法蘭511MPa，HSB1091MPa，螺母991MPa。

3 塔筒法蘭高強度螺栓疲勞強度分析

3.1 各項參數對疲勞強度的影響

HSB 螺紋牙（Thread teeth，TT）根部，特別是螺栓、螺母嚙合第一扣TT 根部，也就是第二號TT，出現(xiàn)疲勞損壞的情況最多。歸根結底，是因為：HSB 都是缺口較多的一類零件，螺栓螺紋根部，尺寸發(fā)生變化，應力集中比較嚴重，在此位置出現(xiàn)疲勞破壞的可能性較其他位置更大。而螺栓為緊固連接件，應用率較高。故為促使HSB 的疲勞強度增強，應對螺栓TT 根部的受力情況予以改進，以免應力過度集中。故本文通過螺紋配合圈數、過渡圓角半徑入手分析。

3.1.1 螺紋配合圈數

WDG 為大型機械設備，螺栓為其核心零部件，可保證機組正常運行。而HSB 不同TT 所承擔的應力為分散性，以第二號TT 承受應力最顯著，故其也為應力過度集中之處。通過增加螺栓、螺母螺紋配合圈數，使第二號TT 承受應力減輕，確保HSB 均勻受力，延長疲勞壽命。由于螺栓、螺母間多以螺紋連接，故連接系統(tǒng)所承擔的應力，應是整組TT 承受，螺紋配合圈數越來越多，降低整組TT 應力。因整組TT 中，每個TT 應力承受度比較零散，故僅增加螺紋配合圈數對第二號TT 應力下降影響較小。對此，借助有限元分析計算法，為確保螺栓、螺母螺紋配合圈數均存在差異，螺母要增加螺紋數，如6/7/8/9/10，使其和螺栓TT 相結合。上述5 組數值，構建有限元模型，差異明顯，對其他元素，如材料屬性、接觸設置、網格劃分、預緊力等，以有限元分析法予以考量。在此基礎上，通過ANSYSWorbench 對上述5 組模型開展有限元計算，獲得結果后，比較不同螺紋配合圈數下不同TT 所承受的應力大小。

最后，螺紋配合圈數增多后，不同TT 所承受的應力均下降，防止第二號TT 應力過度集中。如果配合圈數增加至9 圈后，下降效果不顯著，故圈數設置9 圈較合適。

3.1.2 過渡圓角半徑

針對HSB 連接結構，應力最大處即HSB 螺紋根部，應力過大，易造成此處疲勞破壞發(fā)生率最高。而HSB 螺紋根部應力強度和螺栓螺紋根部的過渡圓角半徑聯(lián)系較大。M52HSB 公制三角粗牙螺紋的過渡圓角半徑≥0.625mm。對此，建議取值0.125mm，間隔0.125mm， 依次為0.125mm、0.25mm、0.375mm、0.5mm、0.625mm、0.75mm、0.875mm， 一 共7 組，對7 組數值進行有限元分析，同樣將材料屬性、接觸設置、網格劃分、預緊力等納入分析模型中，通過ANSYSWorbench 對上述數值進行計算，過渡圓角半徑增加后，不同TT 所承受應力隨之下降，以第二號TT下降最顯著，換言之，通過增加過渡圓角半徑，可促使不同螺紋牙承受應力下降；而且在其數值為0.625mm時，應力雖然降低，但是下降趨勢不太顯著，故對HSB正常禁錮效果予以分析，建議取值0.625mm。

3.2 預緊力對疲勞強度的影響

此項分析中，主要對整圈螺栓中積累疲勞強度最顯著者—HSB 進行分析，采用多元化的螺栓預緊力，以有限元分析法為主，對外載、螺栓內應力之間的聯(lián)系進行判斷，計算疲勞累積損傷情況。螺栓預緊力較大，螺栓內應力也隨之增加，但疲勞累積損傷值則因此相反，故通過提升預緊力可增強疲勞強度。

3.3 數目對疲勞強度的影響

每隔10 個HSB 取值，對不同HSB 數目的WDGTB 法蘭和基礎環(huán)連接系統(tǒng)開展疲勞累積損傷分析。HSB 數目增加，最大/小應力、極值變化區(qū)間、疲勞累積損傷也因此減少。故建議HSB 數目88 個，可保證WDG 穩(wěn)定。

3.4 法蘭厚度對疲勞強度的影響

法蘭厚度變化一般能夠利用外載、螺栓內應力之間存在的非線性關系，對其進行調整便會對HSB 疲勞強度累積損傷值產生一定影響，故法蘭厚度和HSB 疲勞累積損傷值有明顯的非線性關系。故從60mm 起，每隔10mm取值，（1）60mm：平均應力值645.441MPa，最大應力值647.328MPa，最小應力值640.468MPa，極值變化區(qū)間4.732MPa，疲勞累積損傷值5.914；（2）70mm：平均應力值645.188MPa，最大應力值646.951MPa，最小應力值640.392MPa，極值變化區(qū)間4.688MPa，疲勞累積損傷值4.495；（3）80mm：平均應力值644.622MPa，最大應力值646.277MPa，最小應力值629.195MPa，極值變化區(qū)間4.114MPa，疲勞累積損傷值2.141；（4）90mm：平均應力值644.147MPa，最大應力值645.582MPa，最小應力值629.866MPa，極值變化區(qū)間3.588MPa，疲勞累積損傷值1.581。法蘭厚度增加，對應數值有下降趨勢。故建議厚度＞90，可提升疲勞強度。

4 結語

綜上所述，WDG 運行時間增長后，荷載交變次數也隨之增加，尤其針對長時間在動態(tài)荷載影響下，WDG 相關零部件開展疲勞強度分析是尤為重要的一項工作。HSB 為WDG 十分重要的連接部件，其疲勞強度和整個系統(tǒng)的安全性存在密切聯(lián)系，通過確定TB 結構參數、計算TB 截面力學，從而獲得TB 最危險截面，本文中截面Ⅳ受力最大，對其進行分析后，提出相對應的優(yōu)化建議，旨在降低對HSB 疲勞壽命的影響，使其發(fā)揮有效作用。