武飛　常寶軍　顧富斌　彭沖

摘　要：本文采用壓力傳感器、NI采集模塊組成的載荷測試系統(tǒng)對螺栓所受到的載荷進行分析，結(jié)合螺栓連接的預(yù)緊力、應(yīng)力幅等因素對螺栓連接中螺栓的斷裂原因進行了初步探討，初步判斷出螺栓斷裂原因，并給出改進意見。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機組；變槳軸承；輪轂；螺栓；斷裂

1　背景

某項目現(xiàn)場的7#, 31#, 27#機組變槳軸承與輪毅聯(lián)接雙頭螺栓出現(xiàn)斷裂情況，其中2013年6月13日發(fā)現(xiàn)7#機組螺栓斷裂2顆，2013年8月16日發(fā)現(xiàn)31#機組螺栓斷裂1顆，2013年9月22日、10月及2014年1月14日發(fā)現(xiàn)27#機組螺栓斷裂各1顆。

變槳軸承與輪毅聯(lián)接處厚度均為169mm，雙頭螺柱露出變槳軸承長度為70±1m，輪毅內(nèi)M30螺紋。孔光孔深度為12m。即雙頭螺柱與輪毅旋合扣的距離L=169+70+12+3.5（一個螺距）=254.5mm.現(xiàn)場檢查該機組的相鄰螺栓及另外兩支葉片上的聯(lián)接螺栓，未發(fā)現(xiàn)螺栓松動，機組未見其他異常。該批斷裂螺栓強度等級為10.9級，由圖1可以看出，兩顆螺栓斷裂位置均為螺栓與螺紋孔旋合Z后一扣位置。

圖1：變槳軸承連接輪毅螺栓斷裂位置

現(xiàn)場找到一顆完整斷裂螺栓，斷面清晰，見圖2、圖3。由圖中可以看出，該螺栓斷口為典型的疲勞斷口，有明顯的貝紋狀疲勞線。由線條很細膩可以看出，造成螺栓疲勞撕裂的應(yīng)力幅值較小，Z后斷裂位置區(qū)域很小，也能說明這一點（該顆螺栓是在更換過程中，拆卸時擰斷）。

為方便描述斷裂螺栓所在位置，特按以下規(guī)則對螺栓位置進行編號：葉片順槳，斷螺栓的軸承對應(yīng)的葉片鎖定在左側(cè)斜向上方向，站在葉根，面向變槳軸承，以右手邊固定變槳柜支架螺栓左側(cè)顆螺栓編號為1#，逆時針方向依次為2#、3#--59#、60#，如圖1所示。以上機組螺栓斷裂位置見表1。

圖4：螺栓位置編號

表1：螺栓斷裂位置統(tǒng)計

2　測試方案

由于設(shè)備局限，本次共使用8個壓力傳感器，因此傳感器布置位置有限。由表1可知，螺栓斷裂主要集中在1#到7#螺栓位，故此處作為布放傳感器的重點位置，為與該部位做對比，重點部位對稱方向及垂直方向各布置1顆傳感器，各螺栓位置與傳感器對應(yīng)的編號為：1#螺栓一1#傳感器、3#螺栓一2#傳感器、4#螺栓一3#傳感器、6#螺栓一4#傳感器、52#螺栓一5#傳感器、7#螺栓一6#傳感器、22#螺栓一7#傳感器、37#螺栓一8#傳感器，機組在正常工作時（葉片在0度位置），葉片翼緣與傳感器布置位置見圖5。

由于需要測得機組滿發(fā)功率以上大風數(shù)據(jù)，因此本采集系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了遠程控制，能夠在遠程實現(xiàn)對不同風速和轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)采集。

圖5：機組上實際安裝傳感器情況

測試系統(tǒng)由NI的Compact RIO模塊組成，能夠?qū)崟r采集并存儲載荷數(shù)據(jù)。采樣率設(shè)定在lOHz（Z高可設(shè)定在lOkHz）。壓力傳感器在使用前先進行標定，以確保數(shù)據(jù)的準確性。同時，測試系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程的操作，方便在選定風速段下進行數(shù)據(jù)采集并存儲。

3　測試數(shù)據(jù)

本次測試一共對3臺機組五只葉片的不同風速風況進行了測試，得到了5只葉片在小風以及滿發(fā)條件下的螺栓受力數(shù)據(jù)。由于測試周期有限，沒有得到風速大于14米/秒以上的數(shù)據(jù)。本次現(xiàn)場測試時，所使用的扭矩倍增器和力矩扳手均校驗過，并且每次都用的新螺栓。圖6為3#葉片機組在滿發(fā)情況下，各個傳感器螺栓受力情況。

圖6：31#機組3#葉片實際受力圖

圖7：空轉(zhuǎn)到靜止狀態(tài)圖

圖8：靜止到運行并網(wǎng)

圖9：信號比對

圖7和圖8是葉輪空轉(zhuǎn)到靜止以及靜止到運行并網(wǎng)的螺栓受力圖。將4#, 7#, 8#和5#傳感器的想栓載荷（預(yù)緊力）時域圖以同樣的直流信號進行對比（如圖9)，可以看出螺栓受力規(guī)律，且載翁周期同葉輪轉(zhuǎn)頻一致，不存在跳變。

圖10：變槳螺栓360度應(yīng)力幅值變化趨勢

表2：3#葉片在不同工況下螺栓受力及應(yīng)力幅值

由表2可以看出，在1#-10#螺栓所處位置受到的工作載荷引起的應(yīng)力幅值較大。其中，4#和6#螺栓的應(yīng)力幅值達到了20Mpa左右，是引起疲勞斷裂的主要原因。

表3：螺栓預(yù)緊力統(tǒng)計

表3為在現(xiàn)場用扭矩倍增器緊固螺栓后的預(yù)緊力統(tǒng)計。

4　測試結(jié)論及建議

4.1結(jié)論

通過上述測試和數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：

1)變槳軸承與輪毅連接螺栓的受力主要受到葉片自重和風載荷的影響，當站在上風向面向風機，葉片處于三點鐘位置時,葉根處受力Z大。對于螺栓所受工作載荷來說，應(yīng)力幅值Z大區(qū)域位于1＃-10#螺栓位置，且應(yīng)力幅值超過20Mpa。

2)通過對5只葉片批次測量到的安裝預(yù)緊力Z終值，說明扭矩倍增器離散性很大，標準偏差和平均值的比值在8%-12%。在按照標準力矩值施工時，Z大預(yù)緊力甚至達到了570KN,Z小力矩值只有360KN。

造成現(xiàn)場使用扭矩倍增器緊固螺栓造成結(jié)果離散性很大的一個原因是操作原因。由于葉根部位空間狹窄，且葉輪鎖定角度一般為Y字型，扭矩倍增器安放時始終處于傾斜狀態(tài)，現(xiàn)場更換螺栓的工程師操作的動作的差別，都會導(dǎo)致結(jié)果的不一致。這一點，在現(xiàn)場測試時也得到驗證。

圖 11

4.2建議

根據(jù)以上數(shù)據(jù)和結(jié)論，給出以下建議：

1)現(xiàn)場更換螺栓時，嚴格按照螺栓更換工藝，盡量使用精度高的力矩工具，并且將葉輪鎖定在倒Y字型，需要更換螺栓的葉片處于垂直向上位置；

2)針對運行數(shù)據(jù)中應(yīng)力幅較高的區(qū)域，建議增加螺栓墊片厚度，如圖11所示。使用增長的螺栓和加厚的墊片，可以有效的降低其疲勞載荷。

（來源：全國風電后市場專題研討會）