风电机组螺栓

风电机组螺栓的安全设计探讨前言螺栓联结是风力发电机组装配中的重要装配方式，几乎涉及到风力发电机组的所有部件。因此，螺栓的选用和强度校核是风力发电机组可靠性的重要保证。随着我国风电事业的跨越式发展，伴随着风力发电成本不断下降，风电机组的价格也越来越低，各大风电设备总装企业的价格战已经进行到了白热化阶段。如何在降低成本的情况下，保证风电机组的质量，成为各大风电企业面临的重要问题。螺栓作为风电设备的重要联结件，由于其各特性的不确定性，成为风力发电机组设计过程中降低成本的主要难点之一。螺栓联结现状现阶段，我国风电机组的螺栓失效问题已经在联结塔筒法兰的高强度螺栓上有所体现。主要失效形式为：安装麦抢带发生滑丝、扭断、屈服、甚至拉断等现象；设备运行过程中发生螺栓断裂，威胁机组运行，严重者甚至造成风力发电机组倒塌。塔筒高强度螺栓出现这些问题的原因，除了螺栓本身的质量不合格外，设计过程中的理论与经验不足也不容忽视。螺栓校核的主要方式现阶段，人们主要通过利用有限元软件分析和科学计算两种途径来对螺栓的可靠性进行设计和校核。在运用有限元软件进行分析［1］的过程中，我们可以通过直接加载法、等效力法、等效应变法和等效温度法来实现预紧力的加载。但是这些加载方法或者不能传递剪应力，或者不能模拟现实中螺栓与被联结件的摩擦行为，且无法考虑螺母松动情况导致的预紧力损失。导致在实际的有限元模拟过程中，产生的螺栓应力偏大，因此，一般不作为风力发电机组螺栓结构校核的手段。nin行科学计算时•人们喊苦采用材料力学理论进行常规订•算.我茗采用衣强度啤栓计算标准VD12230来进行计算。3.螺栓联结的计算理论3.1常规计算方法塔简法-爆栓采用紧联结，在丄作栽荷作川之丽，螺栓已受到预紧力F•的作用.•此时螺栓的受:力状态为复合应力状态：包含嚟纹力矩儿.产生阐切用力T1和预紧力F产生的拉应力CT0根抿第四議度理论，此时严生的当址拉:应力为；后I；=L3o当螺株受到工作载荷以片，燃栓淺到的总拉力F。并不等于预紧丿JF和工作载荷F之和。由于丁件载荷会造成煤性和被联结件变形,通过静力平衡和变形协调条件可求得螺梯的总拉力为T•作载荷与残余预紧力卜、"之和CFh'+F(I)假设心和巾分别表示螺栓和被联结件的刚度.通过变形协调良系可得：打十十令HF(2)其中(!>为载荷比例系数，由式(2)可知，螺怡的总拉力也等于预紧丿Mil上部分工作载荷。影响就荷比例系数的因素包含煤栓勺被以站件的材料、结构、尺寸及工作戟荷的位骨等。如果愫栓的裁荷过大.就会逍成咲结出现製缝为避免这种悄呪.必须保证镀氽侦紧丿JF“玄确定完残余预紧力以后，即可通过(1)式来求得踝栓的总拉力；占虑到极限悄况，在受匸作载荷的情况卜补拧竦栓，媒桧可按下式进行设汁综上所述.常规设汁讣算噱栓的步骤为：$<]定螺性工况，得出工作载荷；②确定嫌氽预紧力；③计算螺检总拉力：4④切选帰栓，确定噱栓的各种参数：⑤对初选螺检利川；(3J式进行校核，如卑合适就进行下一步.否则审新选择媒栓：⑥逬行疲劳强世校垓；疗)校核表面压力。3.2VDI2230准则与常规计算相比,VD12230寿虑J'侦紧时螺栓的松地，高錢度骤栓在拧紧后不久侦紧力降低2%~.3%,这种现象叫做松弛。产生松弛的Ki因有:媒纹血、支挥血等接脏衣面的粗槌度、形状说差等引起的塑性变址.支禅面妁沉I箔和蠕变等,，根掘德国Junker试験得剑的试验结果r最后下沉业在2卩小以内时的交犀圧力叮作为材料的“限界支承压力”.此时对预紧力的变化影响很小，同M52230还考虑了载荷引人系数等参数，丿丿争通过嗣学计算求得各项参数、世人限度地把经脸值进行理论化。YDI2230的卄算少骤111为「①輛定丄作载荷；②估计井定义辣松尺寸「③覘定拧紧系数；④磁定殘氽预紧力：⑤，确定比例系数和欲荷引入系数」⑥计算応人造成的预紧力损失；⑦確定装配力及嫖桧尺，]•,如川确定擁栓=初选螺栓启所变化，则亟复前预步猱；⑧校核爆栓强度；⑨校核噪怡皴开强度;⑩校核表面压力。各少的计算过稈在VI)12230中邯有年细的说明；4.螺栓的上要参数选择和失效形式4.1载荷引入系数的确定夜VD12230中，考虑载简引入采数n后，(2)武可演变为：®=F+吒鲁严=F—砒’(4)荻荷引人系数的产生与压力徳的分布冇关，螺栓在预紧力的作川下形成压.力诽，法兰宽度、厚度和嫖距郝会影响压力链的形成a半螺檢受到蒂载吋，注飞和墀條在载荷作川下产生细微的变形“庆兰平血卄始倾斜，作川点位于压力锥内,当法兰出现离縫时,作用点便公移出压力锥。压力谁的变化,也将啓致力导人位芒的变化.力导.人位爱越靠近接缝，

擁栓所瑕受的附加丿丿越小。力导人付注在按逢处和擁头处栽荷引人系数分别为0和I兵津计算公式如卜•：翼中勺为上分板黴卸狄部分的刚度.烁为下分板被卸载郃分的刚度“由此可知，在风丿丿发电机纽螺栓计算中.塔筒嫦栓的载荷引人系数为I.而•伦技与上轴之间的燃栓栽荷引入系数AO.SI之间•需要讣算求得〉4.2高强度缪栓残余预紧力的确定依照国內的卄算方法，残余预紧力的収値不仅要人于:零。圧要保蒲一疋的数值.其库励取伍与T作条件有关；当T.作载荷没冇变化时.2=(0.2~0.6｝叫巧工作载荷冇变化时,r=<0.6-1)F；当螺•栓用丁密対压力容器时.F'*=(1.541.R)札,而根按VD1223O.螺柠的设计浅余血幣力则需耍通过屈服强度条件获得.需克服欖向载荷Fq,瀟足条件FQF卄。4.3高強度蠟栓扭矩系数的确龙汁算摞栓联结中扭紧螺•怡所爲要的丿丿範公式^-taoX•unp.+牛uFrf(6)其屮dz为堤絞中袴.d为螺纹大腔,入为喔纹升角，P.为当E摩擦角,讥为当J摩擦半径，F为摞栓口被联結件之间闸摩擦系数：rh上试可知，怫栓拧紧力矩。为三部分：第•部分由升角产生.用于产生预紧力，嶂師的够而上要休现尬这一部分；第一•部分出螺级副卑擦产唯，彫响閃素冇摩按系数和牙卿侑；第二部分由支搏面準擦产生.彫响冈索主要为摩凜系薇和犁圈的丿L何尺寸“便不同.摩擦系数的情況卜，=部分所占的比例各不相同，由徳国SQLklZ公帀提供的数据可知.办:摩掠系数为0.馆~0.15之问时,第•部分消耗10%~20%力紙第一部分消耗菇％~40%,丿丿範.第三部分消耗^-taoX•unp.+牛uFrf(6)通常我们圧义扭矩系数K.來代祎丽衞的部分.令K舟寻皿入*争叫"吕”C7)K,可以是经验值，也口J■以是计算值。美国铁略I.裸师学会规崔KR2B徳1974年规定.嫖栓涂二硫化卡目时K,=0.15-0.16,涂少品油时K,=0.2~0.21,日本国铁折梁所规定K,=0.15~0.19=如欲猜确拎制K.的值•必须时漿栓连接的螺距、才型角和卒掠系数出行特确控制•：嫖壯和牙熨角为瞟栓的基本参数，只会竹：一定的公是范用内变化,而钿系数则受材料、表面状态.制造公公等M索影旧，一言足斫究的难点，4.4畐强底螺栓阜擦系数的确定堕擦系数选屋过大时.在产生一定的冏紧力情况下.需雯的预紧力馆将会很大，过大的预紧力矩将会增办II装覘的舉度和成札摩擦系数选择过小,产生-淀预紧力的悄况卜.伴陆听需预紧丿J矩的诚小，相应的用于防松的摩擦力矩也会变小。在-般悄况下，风力发电机组缥性的净擦系数应控制在一定的范圈山，此范鬧为经盼值，各厂家根据各白的信况冇所变化.笔者建议在这个値围内，摩擦系数应适十取大信，彩响嗟推系数的因索很翁.摩擦曲的材料.志面处理惜况.润滑状态，零件公差等因素确定以，斤隙擦系