何家莹，陈中亚，应华冬，罗勇水

（浙江运达风电股份有限公司和浙江省风力发电技术重点实验室，浙江 杭州310012）

0 前言

风力发电机组装配过程中，较多核心部件的连接均采用大六角高强度螺栓，例如：塔筒螺栓连接、桨叶螺栓连接、变桨轴承与轮毂螺栓连接等等，这些关键位置螺栓连接后的预紧力值的大小和分散度直接决定着机组的载荷传递和运行安全[1，2]。假如螺栓预紧力过大而超出螺栓的屈服极限，螺栓会产生塑性变形，容易断裂；假如螺栓预紧力未达到规定的大小，伴随风电机组交变载荷的作用，螺栓容易产生松动，增大机组运行的危险性[3-6]。

国内高强度螺栓连接普遍采用扭矩拧紧法，其原理是根据扭矩来间接控制螺栓预紧力[7]，但由于螺栓螺纹面和垫片接触面之间摩擦系数的离散性，对螺栓实施相同的扭矩，预紧力的误差可能会较大。各风电主机厂商采购高强度螺栓时会要求螺栓制造厂提供螺栓扭矩系数实验室抽检测试报告，由于实验室与实际现场装配环境和操作工艺等方面存在较大的差异，得到的实验数据只能作为参考[5]。

为了检测实际现场装配中扭矩拧紧法控制螺栓预紧力的效果，本研究选用2.0 MW风电机组的变桨轴承与轮毂的连接位置进行测试，研究5种螺栓扭矩拧紧方法条件下的螺栓预紧效果，同时研究螺栓预紧次数和二硫化钼涂抹方式对螺栓实际预紧力的影响。

1 实验方法

1.1 实验材料与工具

本次实验的实验材料主要有：（1）2台待装配的2.0MW轮毂及6个配套的变桨轴承；（2）450颗定制螺栓，选用同一批次号的“GB/T 5782-2000螺栓M36X335-10.9-dc71”，按图1要求两端车平，该批次螺栓连接副扭矩系数实验出厂检验数据见表1；（3）450个普通垫片；（4）型号为LPS04110的二硫化钼。

图1 定制螺栓制备要求

表1 螺栓连接副扭矩系数出厂检验

本次实验的实验工具主要有：（1）超声波测试仪，如图2所示，仪器精度±2%；（2）有靠臂液压扳手，仪器精度±3%；（3）手动扳手（配套筒 M36）。

图2 超声波测试仪Boltight Echometer

1.2 实验工况与步骤

将450颗定制螺栓平均分为5组（每组90颗），分别标记组号为A、B、C、D、E，各组螺栓分别编号为A1～A90、B1～B90、C1～C90、D1～D90 、E1～E90。实验中各组螺栓编号及安装顺序如图3所示。用超声波测试仪分别测量5组螺栓的初始长度，5组螺栓分别按照表2中二硫化钼涂抹方式（全涂抹：螺栓螺纹面和垫片接触面均涂抹二硫化钼；半涂抹：仅在螺栓螺纹面涂抹二硫化钼）和预紧力次数及力矩值进行预紧，预紧后立即用超声波测试仪分别测量5组螺栓伸长量。

图3 螺栓安装位置及编号顺序

表2 实验分组

1.3 实验数据处理

（1）目标预紧力

本次实验的目标预紧力为螺栓材料屈服强度的70%，即：

其中：Qm为目标预紧力，kN；As为螺栓应力截面积，mm2；σs为螺栓材料屈服强度，MPa。

已知本实验螺栓应力截面积As=816.7 mm2，螺栓材料屈服强度σs=940 MPa，计算可得目标预紧力Qm=538 kN。

（2）螺栓拧紧力矩

扭矩拧紧法拧紧螺栓时拧紧力矩计算公式如下：

其中：M为拧紧力矩，N·m；Q 为预紧力，kN；K为扭矩系数；d为螺栓公称直径，mm。

由式（1）计算得本实验螺栓目标预紧力Qm=538 kN，该批次实验螺栓平均扭矩系数理论值为K=0.13，本实验螺栓公称直径d=36 mm，可计算得拧紧力矩为2 518 N·m，即为表2中的额定力矩。

（3）螺栓预紧力计算

螺栓伸长量ΔL与预紧力Q的关系如公式（3）所示：

其中：Q为预紧力，kN；L为螺栓夹持长度，mm；ΔL为螺栓变形伸长量，mm；E为弹性模量，MPa；As为螺栓应力截面积，mm2。

已知本实验测试螺栓的夹持长度L=299 mm，弹性模量E=210 MPa，应力截面积As=816.7 mm2，根据实验测得的螺栓伸长量ΔL可以计算出螺栓的预紧力Q。

2 实验结果分析

2.1 预紧力分布和预紧效果评价

如图4～图8所示为5组实验螺栓预紧力分布统计直方图，经检验5组螺栓预紧力分布均服从正态分布。5组螺栓预紧力与目标预紧力538 kN的最大正偏差、最大负偏差和平均偏差如表3所示。其中A组和B组螺栓预紧力与目标预紧力最大正偏差分别为21.4%和27.0%、最大负偏差分别为16.2%和13.0%、平均偏差分别为7.7%和8.6%，A组和B组螺栓预紧效果相近，预紧力介于螺栓屈服强度767 kN的60%～90%之间；C组螺栓预紧力均高于目标预紧力，最大正偏差56.9%，平均偏差26.0%，多颗螺栓预紧力超出螺栓屈服强度767 kN；D组和E组螺栓预紧力均低于目标预紧力，最大负偏差分别为74.7%和66.5%，平均偏差分别为54.7%、51.6%，D组和E组与目标预紧力相差较大，平均预紧力仅为目标预紧力的一半左右，介于屈服强度767 kN的50%～70%之间。

图4 A组实验螺栓预紧力分布统计直方图

图5 B组实验螺栓预紧力分布统计直方图

图6 C组实验螺栓预紧力分布统计直方图

图7 D组实验螺栓预紧力分布统计直方图

图8 E组实验螺栓预紧力分布统计直方图

表3 5组螺栓预紧力与目标预紧力偏差

表4给出了各组螺栓预紧效果评价，其中A组和B组螺栓预紧效果较好，C组、D组和E组预紧效果较差。

表4 各组螺栓预紧效果评价表

2.2 预紧次数对螺栓预紧效果的影响

图9和图10给出了预紧次数对螺栓预紧力和扭矩系数的影响，结合表4中A组、B组、C组的平均预紧力和平均扭矩系数可知，在相同拧紧力矩时，随着预紧次数的减少，螺栓的预紧力呈增大趋势，螺栓的扭矩系数呈减小趋势，由分3次预紧减为分2次预紧时，螺栓的预紧力增大和扭矩系数减小比例均较小，在5%以内。而当由分2次预紧减为分1次预紧时，螺栓的预紧力增大和扭矩系数减小比例较大，达到20%左右。研究结果表明：相同拧紧力矩下，对变桨轴承与轮毂连接螺栓分3次和2次预紧，螺栓预紧力均贴近目标预紧力，预紧效果基本相同；而分1次预紧时螺栓预紧力偏离目标预紧力较多，且分散度较大，预紧效果较差。

图9 预紧次数对螺栓预紧力的影响

图10 预紧次数对螺栓扭矩系数的影响

2.3 二硫化钼涂抹方式对螺栓预紧效果的影响

图11 和图12给出了二硫化钼涂抹方式对螺栓预紧力和扭矩系数的影响，由图可知，在相同拧紧力矩时，A组和B组螺栓螺纹面和垫片接触面均涂二硫化钼（全涂抹）时，螺栓预紧力更贴近目标预紧力，螺栓扭矩系数更贴近理论扭矩系数；而D组和E组仅在螺栓螺纹面涂二硫化钼（半涂抹）时，螺栓预紧力仅为目标预紧力的一半左右，螺栓扭矩系数为理论扭矩系数的两倍左右。研究结果表明：二硫化钼涂抹方式对螺栓预紧力和扭矩系数影响较大，为了使螺栓预紧力更贴近目标值，在实际的装配工艺中应采用全涂抹方式。

图11 二硫化钼涂抹方式对螺栓预紧力的影响

图12 二硫化钼涂抹方式对螺栓扭矩系数的影响

3 结束语

本研究采用了超声波测螺栓预紧力的方法，比较研究了实际现场装配中扭矩拧紧法控制螺栓预紧力的效果。主要得出以下结论：

（1）额定拧紧力矩、螺栓全涂抹条件下，对变桨轴承与轮毂连接螺栓分3次预紧和分2次预紧，螺栓所获得的预紧力分布均贴近目标预紧力，预紧效果基本相同，螺栓装配工艺中可以将分3次预紧调整为分2次预紧，节省装配时间。

（2）二硫化钼涂抹方式对螺栓预紧力和扭矩系数影响较大，螺栓全涂抹时螺栓的预紧效果要明显好于螺栓半涂抹，为了使螺栓预紧力更贴近目标值，在实际的装配工艺中应采用全涂抹方式。