武飛（fēi）　常寶軍　顧富斌　彭衝

摘　要：本文（wén）采（cǎi）用壓力傳感器（qì）、NI采集模塊組成（chéng）的載荷測試係統對螺栓所（suǒ）受到的載荷進行分析，結合螺（luó）栓（shuān）連接的預緊力、應力（lì）幅等因素對螺栓連接中（zhōng）螺栓的（de）斷裂原因進行了初步探討，初步判斷出螺栓斷裂原因，並給出改進意（yì）見（jiàn）。

關鍵詞：風力發電機組；變槳軸承；輪（lún）轂（gū）；螺栓；斷裂

1　背景

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

變槳軸承與輪毅聯接（jiē）處厚度均為169mm，雙頭螺柱（zhù）露出（chū）變槳軸承長度為（wéi）70±1m，輪毅內M30螺紋。孔光孔深（shēn）度為12m。即（jí）雙頭螺柱（zhù）與輪毅旋合（hé）扣的距離L=169+70+12+3.5（一個螺距）=254.5mm.現（xiàn）場檢（jiǎn）查該機組的相鄰螺（luó）栓及另外兩支葉片上的聯接螺栓，未發現螺栓鬆動，機組未見其他異常。該批斷裂螺（luó）栓（shuān）強度等級為10.9級，由圖1可以看出，兩顆螺（luó）栓斷裂位置均為螺栓與螺紋孔旋合Z後一扣位置。

圖1：變槳軸承連接輪毅螺栓斷裂位置

現場找到一顆完整斷裂螺栓（shuān），斷麵清晰，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（chéng）螺栓疲勞撕裂的應（yīng）力幅（fú）值較小，Z後斷裂位置（zhì）區域很小，也能說明這一點（該顆螺栓（shuān）是在更換過程中，拆卸時擰（nǐng）斷）。

為方（fāng）便（biàn）描述斷裂螺栓所在位置，特按以下規則對螺（luó）栓位置進行（háng）編號：葉片順槳，斷螺栓的軸承對應的葉片鎖定在左側斜向上方向，站在葉根，麵向變槳軸承（chéng），以右手邊固定變槳櫃支架螺（luó）栓左側顆螺栓編號為1#，逆時針方向（xiàng）依次為2#、3#--59#、60#，如圖1所示。以上機（jī）組螺栓斷裂位置（zhì）見表1。

圖4：螺栓位置編（biān）號（hào）

表1：螺栓斷裂位置統計

2　測試方案

由於設備局限（xiàn），本次共使用8個壓力傳感器，因（yīn）此傳感器布置位置有限。由（yóu）表1可知，螺（luó）栓斷（duàn）裂主要集中在（zài）1#到7#螺栓位，故此（cǐ）處作為布放傳感器（qì）的重（chóng）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（gè）螺栓位置與傳感器對應的編號為：1#螺（luó）栓一（yī）1#傳感器、3#螺栓一（yī）2#傳感（gǎn）器、4#螺栓一3#傳感器、6#螺栓一4#傳感器、52#螺栓（shuān）一5#傳感器、7#螺（luó）栓一6#傳感（gǎn）器、22#螺栓一7#傳感器、37#螺栓一8#傳感器，機組在正常（cháng）工作（zuò）時（葉片在0度位置），葉（yè）片翼緣（yuán）與傳感器布置位置見（jiàn）圖5。

由於需要測得機組滿發功率以上大風（fēng）數據，因此本采集係統通過無線網絡（luò），實現了遠程控製，能夠在遠程實現對不同風速和轉速的數據采（cǎi）集。

圖5：機組上實際安裝（zhuāng）傳感器情況

測試係統由（yóu）NI的Compact RIO模塊組成，能夠實時采集並存儲載荷數據（jù）。采樣率設定在lOHz（Z高可設定在（zài）lOkHz）。壓（yā）力傳感器在使用前先進行標定，以確保數據的準確性。同時，測試係統通過無線網絡連接，能夠實（shí）現遠程的操作，方（fāng）便在選定風速段下進行數（shù）據（jù）采集並存儲。

3　測試數據

本次測試一共對3台機組五隻葉片的不同風（fēng）速風況進行了（le）測試，得到了（le）5隻葉片在小風以及滿發條件下的螺（luó）栓受（shòu）力數據。由於測試周期有限，沒有得到（dào）風速大於14米/秒以上的數據。本次現場（chǎng）測試時，所使用的扭矩（jǔ）倍增器和力矩扳手均校驗過，並（bìng）且每次都用的新螺栓。圖6為（wéi）3#葉片機組在滿發情（qíng）況下，各個傳感器螺栓受力情況。

圖6：31#機組3#葉片實際受（shòu）力圖（tú）

圖7：空轉到靜止狀態圖

圖（tú）8：靜止（zhǐ）到運行並網

圖9：信號比對

圖（tú）7和圖8是葉輪空（kōng）轉到靜止以及靜止到運行（háng）並（bìng）網的螺栓受力圖。將4#, 7#, 8#和（hé）5#傳感器的想栓載荷（預緊力）時域圖以同樣的直流信號進行（háng）對比（如圖9)，可以看出螺栓（shuān）受力規律，且載翁（wēng）周期同葉輪轉頻（pín）一致，不（bú）存在跳變。

圖10：變槳螺栓360度應力幅值變化趨勢

表2：3#葉片在不同工況下螺栓（shuān）受力及應力幅值

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

表3：螺栓預緊力統計

表3為在（zài）現場用扭矩倍增器緊固螺栓後的（de）預緊力統計（jì）。

4　測試結論及建議

4.1結論

通過上述測試和數據（jù）分（fèn）析可以得出以下結論：

1)變槳軸承與輪毅（yì）連接螺栓的受力（lì）主要受到（dào）葉（yè）片自重和風載荷的影響，當站在上風向麵向風（fēng）機，葉片處於（yú）三點鍾位置時,葉根處受力（lì）Z大。對於螺栓所（suǒ）受工作載（zǎi）荷來說，應（yīng）力幅值Z大區域位於1＃-10#螺栓位置，且應力幅值超過20Mpa。

2)通過對5隻葉片批次測（cè）量到的安裝（zhuāng）預緊力Z終值，說明（míng）扭矩倍增器離散（sàn）性很大，標準偏差和（hé）平均值的比值在8%-12%。在按照標準力（lì）矩值施工時，Z大預緊力甚至達到了570KN,Z小力矩值隻有360KN。

造成現場使用扭矩倍增器緊固螺（luó）栓（shuān）造成結果離散性很大的一個原因是操作原因。由於葉根部位空間狹（xiá）窄，且葉輪鎖定角度一般為Y字（zì）型（xíng），扭矩倍增器安放時始終處於傾斜狀態，現場更換螺栓的工（gōng）程師操作的動作的（de）差別（bié），都會導致結果的不一致。這一點（diǎn），在現場測試時也得到驗證。

圖 11

4.2建議

根據（jù）以上數據和結論，給出以（yǐ）下（xià）建議：

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

2)針對運（yùn）行數據中應力幅較高的區域，建議增加螺栓墊片厚度（dù），如（rú）圖11所示（shì）。使用增長的螺栓和加厚的墊（diàn）片，可以有效的降低其疲勞載荷。

（來源：全國風電後市場專題研討會）