风力发电机组变桨轴承连接螺栓预紧精度控制方法研究

童跃平，朱斌辉，徐东杰，赵佰余，陈 皓，支道跃，邹渊士

(华仪风能有限公司，浙江 温州 325000)

风能作为可再生的清洁能源，越来越受到人们的重视，在能源结构中的比例也逐年增加。近年来，全球范围内的风力发电机组装机容量稳步快速增长[1]。另外，为了追求更好的发电性能，提高经济效益，风轮直径也不断加大，导致机组各部位的安全裕度在进一步减少[2]。随着装机量的爆发式增长，各种运行故障也随之增加。

桨叶是风机上最主要的承载部件，通过变桨轴承与轮毂固定，一旦变桨轴承与轮毂连接螺栓失效，极有可能造成桨叶脱落或倒塔事故，因此该处螺栓需要有很高的可靠性。螺栓安装时的预紧力过大将产生塑性变形，过小则影响螺栓疲劳寿命[3]。因变桨螺栓采用拉伸器预紧存在预紧力小于目标值现象，造成变桨螺栓疲劳寿命未达到20年。

本文通过3种预紧方案，研究加垫圈、加润滑、重复预紧以及超张拉对拉伸后螺栓残余预紧力的影响，进而提出优化后的预紧力精度控制方案。

1 故障描述

黑龙江某风电场1.5 MW大叶片机组变桨轴承连接螺栓在运行初期出现频繁断裂故障，如图1所示。螺栓更换后也未能有效解决问题，严重影响机组安全运行。设计人员从机组设计、螺栓质量控制、车间装配、现场吊装及运维等方面进行螺栓失效原因分析，没有发现明显的设计或质量过程控制缺陷。

图1 螺栓断口

螺栓断裂情况有两种，一种是维护人员在进行维护拉伸前已经断裂，另一种是进行维护拉伸时突然断裂。从断裂螺栓断面分析，发现维护拉伸前已经断裂的螺栓断口较平整，且有明显的疲劳辉纹，如图2所示。维护拉伸时突然断裂的螺栓，断面显示也有明显的疲劳辉纹，如图3所示,可推断，这些螺栓在拉伸前已经出现了裂纹或部分断裂，属于疲劳失效[4]。

图2 断面平整

图3 螺栓断面分析

造成螺栓疲劳断裂的常见原因是实际施加的预紧力不足，没有达到设计要求[5]。维护人员及时对项目现场所有变桨轴承连接螺栓进行预紧力排查，发现部分变桨轴承连接螺栓预紧力不足，但无法判断是长期运行后导致螺栓松弛还是安装时未达标。

2 预紧力不足原因分析

采用螺栓拉伸器对变桨轴承连接螺栓进行紧固时，一个液压泵可以配多个拉伸头，如图4所示，因此能够使多颗螺栓同时被定值紧固，不仅布力均匀，而且节约时间及劳动成本。另外，拉伸器操作控制方便，精度高，而且对联接的接触面无摩擦损伤，因此变桨轴承连接螺栓多采用拉伸器进行预紧[6]。

图4 拉伸器示意图

螺栓拉伸器的工作原理是利用液压缸对螺栓直接施加拉力，螺栓受力后被拉长。当螺栓被拉紧时，螺母与法兰接触面分离，螺母松动，然后从螺栓拉伸器下端开口处重新旋紧螺母，只要轻轻贴合即可。螺母旋紧后卸掉压力，此时螺栓已经完成预紧。

由于螺母旋合螺纹、垫圈、连接法兰面在拉伸器卸压后会承受很大的压力，从而导致以上结构发生变形，最终使螺栓剩余预紧力小于施加的目标预紧力，这种现象通常被称为回弹[6]，是使用液压拉伸器安装工艺中所特有的现象，因此在螺栓预紧过程中如果不对回弹程度做定量分析，很难保证螺栓预紧精度。

3 残余预紧力测试

3.1 实验步骤

1)采用设计的安装工艺及额定预紧力进行拉伸，拉伸完成后测量变桨轴承连接螺栓残余预紧力；

2)调整螺栓安装工艺，拉伸完成后再次测量变桨轴承连接螺栓残余预紧力；

3)根据实验结果，确定变桨轴承连接螺栓预紧力超拉系数，并优化安装工艺。

3.2 实验对象

轮毂和变桨轴承连接双头螺柱，螺柱规格为GB/T 899 M36×285-10.9，目标预紧力510 kN，轮毂与变桨轴承装配如图5所示。

图5 轮毂与变桨轴承装配示意图

3.3 测试设备选择

目前市面上存在多种螺栓预紧力测量仪器，而最普遍的是超声波螺栓轴向力检测仪。本文选用TLM轴向力检测仪进行测试，如图6所示。

图6 LTM轴向力检测仪

在自由状态下螺栓内部不存在预紧力，螺栓无变形，采用超声波螺栓轴向力检测仪测量其初始长度，记为L。而螺栓在紧固状态下，由于预紧力的作用，螺栓将发生形变，再次采用超声波螺栓轴向力检测仪测出其变形后长度，通过与原长对比，计算出伸长量，记为ΔL，依据ΔL与预紧力F之间的数学关系，计算得到螺栓的预紧力F，该数学关系如下：

(1)

式中：E为螺栓材质的弹性模量，取2.06×105MPa；S为螺栓截面积。

3.4 螺栓预处理

由于超声波检测仪通过测量螺栓伸长量来计算螺栓预紧力，该方案的测量精度与螺栓两端面的加工精度有极大关系，因此需要对测试双头螺柱进行预处理，对螺栓两端面进行二次加工，保证螺栓两端面粗糙度达到Ra3.2。精加工后的螺栓端面如图7所示。

图7 螺栓端面加工

3.5 拉伸方案及测试

预处理后的双头螺柱将变桨轴承固定在轮毂上，安装螺母，但不进行预紧，先对螺栓按顺时针进行编号，然后采用TLM轴向力检测仪对螺栓拉伸前的初始长度进行测量并记录，测量方法如图8所示。

图8 残余预紧力检测

方案一：螺母与变桨轴承法兰面之间不装垫圈，螺栓与螺母旋合部分不涂抹固体润滑膏MoS2，分两次对螺栓进行拉伸预紧。第一次拉伸设置为约50%目标预紧力(250 kN)；第二次拉伸设置为100%目标预紧力(510 kN)。每次拉伸后均记录螺栓伸长量，并计算应力值，且每次拉伸后螺母旋紧力矩均为30 N·m。连续安装测量70颗螺栓。

方案二：螺母与变桨轴承法兰面之间同样不装垫圈，但在螺栓与螺母旋合部分涂抹固体润滑膏MoS2，分3次对螺栓进行拉伸预紧。第一次拉伸设置为约50%目标预紧力(250 kN)；第二次拉伸设置为100%目标预紧力(510 kN)；第三次重复第二次操作。每次拉伸后均记录螺栓伸长量，并计算应力值，且每次拉伸后螺母旋紧力矩均为30 N·m。同样连续安装测量70颗螺栓。

方案三：螺母与变桨轴承法兰面之间加装垫圈，在螺栓与螺母旋合部分，以及螺母与垫圈接触面涂抹固体润滑膏MoS2，分3次对螺栓进行拉伸预紧。第一次拉伸设置为约50%目标预紧力(250 kN)；第二次拉伸设置为100%目标预紧力(510 kN)；第三次重复第二次操作。每次拉伸后均记录螺栓伸长量，并计算应力值，且每次拉伸后螺母旋紧力矩均为30 N·m。同样连续安装测量70颗螺栓。

4 数据对比及分析

对比分析方案一和方案二拉伸测量结果，如图9所示，螺栓完成约50%目标预紧力预紧后，无论是方案一，还是方案二，螺栓残余预紧力的离散性都很大，且远不足目标值250 kN。与方案一相比，方案二螺栓拉伸后的预紧力相对平稳,螺栓残余预紧力约为目标值的70%。而螺栓完成100%拉伸预紧后，两种方案螺栓拉伸预紧后的残余预紧力仍然很不稳定。同样，方案二相对稳定，残余预紧力平均值仍为目标值的70%左右。但是方案二再次对螺栓进行100%拉伸预紧后，残余预紧力的稳定性大幅提升，然而总体上仍与目标预紧力510 kN有差距,由于离散性缩小，残余预紧力均值上升至目标值的75%。

图9 方案一和方案二残余预紧力对比

分析认为，由于方案二在螺母和螺杆之间涂抹固体润滑膏MoS2做润滑，使螺母旋紧力更稳定，间接使残余预紧力更加稳定。而重复100%预紧两次，对提高预紧力稳定性效果明显。

对比分析方案二和方案三拉伸测量结果，如图10所示。结合实验数据分析发现，无论是方案二还是方案三，仅对螺栓进行一次拉伸，残余预紧力离散性仍然很大，而重复拉伸一次100%后，螺栓残余预紧力离散性明显减小。另外，添加垫圈有助于稳定螺栓残余预紧力。由于变桨轴承法兰面是喷锌处理，表面粗糙度较大，添加垫圈并在垫圈与螺母接触面涂抹MoS2后，可使螺母旋紧力矩更趋稳定，间接使残余预紧力更加稳定。

图10 方案二和方案三残余预紧力对比

对比分析方案一、方案二、方案三残余预紧力终值，如图11所示。由于方案二和方案三都增加第三次100%重复预紧工序，使得螺栓最终预紧力稳定性大幅提升。而方案三增加了垫圈和润滑，残余预紧力平均值及稳定性都最好。残余预紧力平均值约为目标值的75%，仍不满足设计预紧要求，预紧力严重不足。

图11 方案一、方案二和方案三残余预紧力终值对比

考虑到螺栓拉伸回弹现象，在方案三的基础上，设置超拉系数1.2，将100%额定预紧力设置为510×1.2=612 (kN)。拉伸后发现，残余预紧力均值已经达到设计目标值的98%，且非常稳定，符合设计要求，如图12所示。

图12 方案三超拉20%后残余预紧力

5 结论

本文通过对一定数量的变桨轴承连接螺栓拉伸后残余预紧力的检测，精确测量拉伸器回弹量及安装精度，并且分析可能影响安装精度的多种因素，最后采用实验和对比分析，找到提高变桨轴承连接螺栓安装精度的方法，解决变桨轴承连接螺栓频繁断裂问题。主要结论如下:

1)采用目标预紧力进行一次拉伸，实际残余预紧力平均值只有目标值的70%，且离散性大，螺栓残余预紧力严重不达标，这是造成螺栓批量断裂的直接原因[7]。

2)采用拉伸器的安装工艺，虽然外力直接作用在螺杆上，但螺栓被拉长后，通过在螺母与螺栓旋合螺纹处，以及螺母与垫圈接触面涂抹固体润滑膏MoS2，提高螺母旋合力矩精度，同样有利于稳定残余预紧力。

3)重复拉伸对提高残余预紧力稳定性影响很大。但考虑到增加拉伸次数会大量增加工时，且不利于螺栓疲劳寿命，建议满负荷重复拉伸一次即可。

4)采用拉伸器预紧螺栓，需要根据实际使用环境设置一定的超拉系数，该处变桨轴承连接螺栓设置超拉系数1.2最为合理。