风电机组变桨轴承螺栓拧紧工艺优化研究

2020-04-22任延博韩锐赵爽

风能 2020年2期

文 | 任延博，韩锐，赵爽

（作者单位：国电联合动力技术有限公司）

随着风电机组技术的不断发展，单机功率持续提升，轮毂的外形尺寸不断增大（以3.0MW机型为例，轴承顶端螺栓距离地面约4.5m），变桨轴承螺栓的数量亦不断增加，这对变桨轴承螺栓的拧紧工艺提出了更高的要求。

国家标准GB/T19568―2017《风力发电机组装配和安装规范》中第3.2条（装配连接要求）中对于呈环形分布的多颗螺栓的拧紧工艺只做了原则要求，没有进行详细说明。为了保证多颗螺栓拧紧后的预紧力均匀分布，螺栓的拧紧顺序如图1所示。

此方法可以最大限度地保证螺栓预紧力的均匀分布，但在实际执行中有两个困难：一是螺栓的拧紧顺序复杂，找位困难；二是轮毂与变桨轴承的高度高，操作人员需要往复地上下攀爬，才能保证螺栓按照规定顺序拧紧，不仅劳动强度大，且操作人员在上下攀爬过程中也存在安全隐患。

为此，本文提出一种优化方法，优化后的拧紧顺序如图2所示：首先拧紧8颗螺栓，使其呈“米”字形均匀分布，8颗螺栓将环形分布的多颗螺栓平均分成8等份，将每等份内的螺栓依次拧紧，8段螺栓仍然依照“十”字交叉对角拧紧法依次拧紧。

试验方法

一、试验原理

螺栓拧紧采取扭矩控制法。螺栓的拧紧力矩T与轴向预紧力F之间为线性关系，对应的关系式为：

式中，d为螺栓的直径，K为扭矩系数，F为预紧力。

螺栓拧紧时，其材料变形会经过两个阶段，分别是弹性区与塑性区。在弹性区采用扭矩法控制时，确定了起始点扭矩后，通过改变螺栓旋转角度来控制螺栓的轴向预紧力。弹性区轴向预紧力F与旋转角度θ成正比，对应的关系为：

式中，C为螺栓连接刚度系数，P为螺距。

由公式可知：螺栓的预紧力与旋转角度成正比，可以将螺栓转角的变化等同于螺栓的预紧力。故根据转角的变化（相同的拧紧力矩导致的转角变化），来判断螺栓预紧力的变化。

将公式（2）代入公式（1）中，可得：

变桨轴承螺栓拧紧采用扭矩法控制。假设螺栓材质C完全相同，扭矩系数K一致，当螺栓处于弹性变形区域时，对相同规格的螺栓施加同样的扭矩，螺栓转动的角度相同。

对两种拧紧顺序的螺栓施加相同的力矩，如果转角的均值不相等，则说明拧紧顺序对于螺栓拧紧有显著影响，优化方案不可行；如果均值相等，则说明无显著影响，优化方案可行。

二、试验设计

使用电动力矩扳手分别按照图1与图2的顺序分三次进行螺栓拧紧，三次的拧紧力矩分别是1000N·m、2000N·m与2570N·m。拧紧作业完成后记录各螺栓的转角（每种拧紧顺序需记录三组转角数据，分别是1000N·m、2000N·m与2570N·m扭矩完成后的螺栓转动角度），并对螺栓在2000N·m及2570N·m力矩作用下的转动角度分别进行双样本T检验（1000N·m的螺栓转角数据因为起始力矩不一致，故对该数据不做分析，仅供参考），确定最优的拧紧顺序。

试验用的螺栓需取自于同一批次，两个变桨轴承必须装配于同一轮毂的两个法兰面，二硫化钼采用可赛新1769，执行全涂抹工艺。

试验数据及分析

依据图1与图2的顺序分别进行螺栓拧紧，记录各螺栓的转动角度，数据如表1与表2所示（试验的数据较多，表格中仅列出了其中10颗螺栓的拧紧数据）。

假定螺栓按照工艺1拧紧方法进行拧紧，其用2000N·m与2570N·m力矩拧紧时，转角的均值及标准差分别为μ1、σ1，μ2、σ2。按照工艺2拧紧方法进行拧紧，其用2000N·m与2570N·m力矩拧紧时，转角的均值及标准差分别为为μ3、σ3，μ4、σ4。分别对拧紧力矩为 2000N ·m的工艺1与工艺2的转角及拧紧力矩为2570N·m的工艺1与工艺2的转角进行双样本T检验，判断其均值是否相等。

双样本T检验，有三个条件需满足，分别是：

（1）正态性检验：

假设样本 yi1，yi2，yi3，yi4，…均为来自于正态总体的样本。

（2）方差齐性检验：

假定两种拧紧工艺在相同拧紧力矩作用下其转角的方差相同，即。