风力发电

风力发电机组高强度螺栓紧固力矩分析

时间:2012-11-22 09:07来源:未知作者:蔡编辑点击:178 次

摘要：通过分析风力发电机组装配工艺中高强螺栓预紧力和扭矩的关系，从而反算出高强螺栓在实际施工中所需的拧紧力矩以及拧紧力矩的控制方法。关键词：高强度螺栓摩擦预紧力紧固力矩引言在风力发电机组的装配过程中，构件之间用高强度螺栓连接是使用得

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摘要：通过分析风力发电机组装配工艺中高强螺栓预紧力和扭矩的关系，从而反算出高强螺栓在实际施工中所需的拧紧力矩以及拧紧力矩的控制方法。

关键词：高强度螺栓摩擦预紧力紧固力矩

引言

在风力发电机组的装配过程中，构件之间用高强度螺栓连接是使用得最多的连接方式，因其具有结构简单、装拆方便以及在动力荷载作用下不致松动等特点，因此在装配工艺上应用非常广泛。但是，如果装配不当、紧固力矩控制不好，就容易造成螺栓连接松动、滑丝、断裂失效等情况，影响机组的正常运行，有时甚至造成严重后果。

当螺纹连接副尚未具备保证连接可靠的摩擦力矩时，其自锁能力较差，在机组运行过程中受到振动、冲击等变载荷作用下，螺栓就会松动。因此，如何保证螺栓连接时的可靠性，一直是风电机组装配工作所关注的问题。

我们知道，螺纹连接副的摩擦力矩是在对螺栓施加拧紧力矩，使螺纹副产生预紧力而获得的。因此要确保连接可靠，则必须保证对螺栓施加合适的拧紧力矩，进而在螺纹副中产生合适的预紧力，使自锁能力达到最佳状态。在风力发电机组的装配工艺上，关键部位和承载部位均使用的是高强度螺栓，因此控制高强度螺栓的拧紧力矩是防止螺栓松动的关键之一。

1、高强度螺栓的选用

由于风力发电机组在运行过程中，构件之间受到很大的振动、冲击等变载荷作用，构件间的夹紧力是依靠对螺栓施加预紧力来实现的，所以螺栓必须采用高强度钢制造，这也是风电机组选用高强度螺栓连接的原因。而高强螺栓除了其材料强度

很高之外，在施加拧紧力矩后，螺栓产生巨大而又受控制的预拉力，而这个预拉力通过螺帽和垫片，对被连接件也产生了同样大小的预压力。在预压力作用下，沿被连接件表面就会产生较大的摩擦力，只要轴力小于此摩擦力，构件就不会滑移，连接就不会受到破坏。一般情况下，风力发电机组上使用的高强螺栓为10.9级居多。

2、高强度螺栓连接的工作性能

根据螺栓受力特点，高强度螺栓连接分为摩擦型连接和承压型连接两种，两者的本质区别是极限状态不同。在抗震规范中规定了高强度螺栓极限受剪的承载力计算公式，尽管承压型在设计数值上占有优势，但由于其属于剪压破坏型式，螺栓孔为类似普通螺栓的孔隙型螺栓孔，在承受荷载作用时的变形远大于摩擦型，所以高强度螺栓承压型主要用于非抗震构件连接以及非承受动荷载构件连接等方面。

对于风力发电机组各构件之间的连接来说，是不允许出现滑移的，高强度螺栓连接就是依靠连接件接触面间的摩擦力来阻止其相互滑移，因此风电机组构件间的连接为摩擦型连接方式。也就是说，当高强度螺栓获得很大的预紧拉力时，在连接件之间就会产生很大的摩擦力，从而提高连接的整体性和刚度。对于高强度螺栓摩擦型连接来说，依靠被连接件之间的摩擦阻力传递剪力，以剪力等于摩擦力作为承载能力的极限状态，而预紧拉力不能超过螺栓材料的屈服极限。

在实际工作中，螺栓连接的承载力受预拉力、抗滑移系数和钢材种类等因素的影响。

3、高强度螺栓的预拉力矩确定及控制方法

3.1预拉力的确定

高强度螺栓连接，必须采用较大的预紧力，根据VDI2230-2003，一般预紧力超过该螺栓材料屈服极限的70％，将导致在拧紧时螺栓损坏。因此，控制螺栓的预紧应力约为螺栓材料屈服极限的70％。

即：最大预紧力（N）

F0max =0.7Aefu

Ae—螺纹公称应力截面积，mm2；

fu—螺栓经热处理后的最低抗拉强度,N/mm2

3.2拧紧力矩的确定

拧紧力矩采用通常的计算公式计算，这里计算方法按照GB/T16823.2-1997 螺纹紧固件紧固通则。

即：紧固力矩T（Nm）

T＝kF0max d

k—为扭矩系数。根据螺栓生产厂的试验数据，扭矩系数的平均值在0.09～0.126 范围之内，标准偏差小于或等于0.01，这里取扭矩系数K=0.11

F0max—最大螺栓预紧力,kN；

d—为螺栓外径,mm

3.3预拉力控制方法

大六角头型高强度螺栓和扭剪型高强度螺栓都是通过拧紧螺帽使螺杆受到拉伸产生预拉力，从而使被连接板件间产生压紧力。因此，若要控制预拉力则必须控制对螺栓施加的拧紧力矩。

如下图：

（a）大六角头型高强度螺栓（b）扭剪型高强度螺栓

①力矩法——适用于大六角头型高强度螺栓

采用可直接显示扭矩值的特定扭矩扳手，目前在风电机组装配工作中多采用电动液压扭矩扳手，通过控制拧紧力矩来实现控制预拉力。

为了克服构件和垫圈等变形，基本消除板件间的间隙，使拧紧力矩系数有较好的线性度，提高施工控制预拉力值的准确度，螺栓的拧紧应按照初拧、复拧和终拧步骤进行。初拧扭矩为施工扭矩的50%左右，复拧扭矩等于初拧扭矩，最后100%终拧。螺栓在初拧、复拧和终拧时，接对角的顺序施拧，并应在同一天完成。优点：较简单、易实施、费用少，但由于连接件和被连接件的表面质量和拧紧速度的差异，测得的预拉力值误差大且分散，一般误差为±10％。

②转角法——适用于扭剪型高强度螺栓

扭剪型高强度螺栓具有强度高、安装简便和质量易于保证、可以单面拧紧、对操作人员没有特殊要求等优点。与大六角型高强度螺栓不同，扭剪型高强度螺栓头为盘头，螺纹段端部有一个承受拧紧反力矩的十二角体和一个能在规定力矩下剪断的断颈槽。

施拧方法是，先用普通扳手进行初拧，被连接板件相互紧密贴合，再以初拧位置为起点，按终拧角度，用长扳手或风动扳手旋转螺母。

4、抗滑移系数

高强度螺栓拧紧时，在螺杆中产生很大的预拉力，被连接板件间则产生很大的预压力。连接受力后接触面上的摩擦力，能在相当大的荷载下阻止板件间的相对滑移，因而弹性工作阶段较长。当外力超过了板间摩擦力后，板件间即产生相对滑动，摩擦型连接是以板件间出现滑动为抗剪承载力极限状态。

摩擦型连接的承载力取决于构件接触面的摩擦力，此摩擦力的大小与螺栓所受预拉力和摩擦面的抗滑移系数以及连接的传力摩擦面数有关。而抗滑移系数的大小与构件接触面的处理方法和构件的材质有关。此系数值随被连接构件接触面间的压紧力减小而降低，故与物理学中的摩擦系数有区别。

高强度螺栓连接中，摩擦系数的大小对承载力的影响很大。为了增大接触面的摩擦系数，要对接触面进行处理。在风力发电机组装配施工时常采用喷砂、喷涂达克罗锌漆、用钢丝刷清理等方法对连接范围内构件接触面进行处理。钢材表面经喷砂除锈喷锌后，表面看来光滑平整，实际上金属表面尚存在着微观的凹凸不平，高强度螺栓连接在很高的压紧力作用下，被连接构件表面相互啮合。钢材强度和硬度愈高，要使这种啮合的面产生滑移的力就愈大，因此，抗滑移系数μ值与钢的材质有关。

试验证明，摩擦面涂红丹后抗滑移系统μ＜0.15，即使经处理后仍然很低，故严禁在摩擦面上涂刷红丹以及防锈润滑类材料。另外，如果在潮湿或淋雨条件下进行装配，也会降低抗滑移系数μ值，所以在装配时应采取有效措施保证连接处表面的干燥。

5、总结

风力发电机组是由各部件组装而成，由于其在环境条件较为恶劣的工况中运行，因此要保证机组运行可靠，则必须首先保证各部件的连接可靠。通过对上述高强度螺栓紧固力矩分析可以看到，只有控制好高强度螺栓的紧固力矩，才能使螺栓

产生最佳的预拉力，从而对被连接件产生最佳的预压力，同时要采取措施增大被连接件接触面的摩擦系数，才能提高连接的整体性和可靠性。

参考文献

陈友泉;高强度螺栓连接的应用问题探讨[J];钢结构;2004年04期

李张银;新型螺栓紧固试验系统的设计研究[D];合肥工业大学;2010年