风力发电机塔筒法兰螺栓采用扭矩-转角控制紧固的工艺探讨与研究

【摘

要】风力发电机组的各组部件之间通常采用高强度螺栓连接。法兰连接螺栓的紧固主要是靠施加扭矩来完成，容易造成螺栓预紧力不均匀。风力发电机常年运行于复杂的自然条件下，螺栓连接在承受复杂交变载荷的情况下容易发生失效现象，进而造成风力发电机的不安全事件。本文介绍了螺栓紧固由扭矩法优化为扭矩-转角法的试验过程与结论。【关键词】

螺栓连接

紧固

扭矩

预紧力

扭矩-转角为了确保风力发电设备螺栓连接的刚性、紧密性、防松性能，使螺栓获得设计疲劳强度和疲劳寿命，在设备运行中能承受一定的载荷，螺栓必须被施加一个预紧力。重要的螺栓连接对预紧力的精度和均匀度要求较高，对于螺栓的紧固方法和螺栓预紧力的监测是一个值得研究的课题。目前，国内重工业领域螺栓紧固方式有三种：扭矩法、扭矩-转角法、屈服极限控制法等，扭矩法是目前为止最常见、最经济的紧固方法，但由于螺栓的材料类型、表面处理、制造精度、润滑条件、紧固速度、环境温湿度等不同都会影响紧固过程的摩擦因素，进而影响螺栓的预紧力。扭矩-转角控制法紧固是一种非直接的控制螺栓预紧力的方法，其主要原理是在螺栓材料的弹性阶段进行紧固，螺母转动的角度、螺栓伸长量与所获得的螺栓预紧力呈正比例关系。扭矩-转角控制法紧固得到的预紧力可以减少或消除摩擦力的影响，而只受连接副刚度系数的影响，再根据现场工况通过试验确定“贴合扭矩”和转动角度后，可以获得较高的预紧力精度和较小的分散度。为对比扭矩法、扭矩-转角法紧固螺栓的特点，下面从紧固工艺原理、风机塔筒螺栓试验等方面分析论证。1紧固工艺原理分析1.1扭矩控制法高强度螺栓连接的紧固一般是通过拧紧螺母实现的，最常用的方法是扭矩法和扭矩转角法。扭矩法是目前为止最常见和最经济的紧固方法，是一种根据施加扭矩大小和螺栓产生的轴力之间存在一定关系所制定的紧固方法。扭矩计算常用的公式有长公式：

①T-施加的扭矩F-螺栓中产生的预紧力p-螺纹牙距μt

-螺母的螺纹与螺栓杆螺纹的摩擦系数d2

-螺栓杆的螺纹的摩擦圆直径De

-螺钉头或螺母承载面的摩擦圆直径μn

-螺钉头或螺母承载面的摩擦系数或者采用更加简化的短公式：T=KDF②T-施加的扭矩F-螺栓中产生的预紧力K-螺母系数其中K为螺母系数，需要由实验根据实际的应用工况进行测定。当采用扭矩控制方式获得螺纹紧固的预紧力时，施加扭矩为定值，则预紧力为③或④由上述施加扭矩与预紧力的关系可知，在理想情况下施加的扭矩与螺栓获得的预紧力成正比，可以用控制扭矩的方式得到需要的预紧力。然而在实际的紧固过程中所发生的远比理论公式要复杂得多。拧紧螺母的过程实际上是对整个螺母-螺栓-连接结构做功，一部份输入功转变成螺栓的拉长或摩擦损失（如上述公式①所示），另外一些输入功则转化为螺栓扭曲变形、螺栓杆的弯曲、螺母的变形或连接处的变形等。极端情况下，例如螺纹磨损或发生“咬牙”，输入扭矩只产生扭转变形而根本不产生预紧力。由于螺栓的材料类型、表面处理、制造精度、润滑条件、紧固速度、环境温度湿度等不同，都会影响紧固过程的摩擦因素，进而影响螺栓的预紧力。工程中常用的公式②采用螺母系数K的方法进行扭矩值的计算，这种方法的优点是总结了试验中可能影响扭矩和预紧力之间关系的所有因素，包括摩擦、扭转、弯曲、螺纹的塑性变形，以及其它可能的因素。缺点是只能由试验确定，而且对每个螺纹连接都必须重新试验确定，即便这样，系数K仍然不能被视为一个定值，而是一个取决于螺纹精度等联接条件的变量。一般而言，根据螺纹的精度、材质、表面状况及润滑等条件的不同，即使同一种连接工况下K值可以在0.1-0.5甚至更宽的范围内变化[5，6]。德国工程师协会(VDI)在VDI2230标准中，以拧紧系数αA来评定不同紧固方法所获得的预紧力分散度。对于扭矩控制法紧固工艺，VDI2230描述其拧紧系数αA=1.4~1.6，载荷分散度约为±17%~±23%[1]，可见对于关键位置的螺纹连接采用扭矩控制法需慎重选择。图1：通过试验证明钢结构螺栓连接中螺母系数的分散情况

图2：扭矩控制法在输入扭矩及摩擦力影响下对产生的螺栓预紧力的影响1.2扭矩-转角控制紧固法螺栓紧固的目的是为了获得螺栓预紧力，而预紧力的产生是由于螺栓在金属材料受到拉伸产生一定的伸长量进而产生的应力。转角控制法紧固是一种非直接的控制螺栓伸长量的方法，因为理论上螺栓在螺距上的线性变形与产生的转动角度成正比。

⑤θR

-螺母转动的角度p-螺纹的螺距ΔL-螺栓的伸长量螺栓的预紧力：

⑥式中，KB为螺栓的刚度但是实际的工况没有这么简单。如图3所示，只有当螺母受到刚性约束或者螺丝杆受到钢性的约束时，转动螺母，螺母和螺栓杆产生相对运动等于一个螺距，但是连接副显然不会产生任何预紧力。

图3：螺母或螺丝杆不受约束时转动螺母的紧固只有当螺母和螺丝杆（连接构件）受到相对限制以后，进一步转动才会拉伸螺栓。当连接构件和螺母压缩时，螺母旋转过程中部分地向下移动到连接构件中，同时产生螺栓向上的位移——换句话说，螺栓被拉伸了。螺母和螺栓之间的相对位移仍然是输入一圈的一个螺距（如果我们忽略螺栓扭曲），但该相对位移中只有一部分是螺栓伸长量。螺栓连接在螺母向下紧固过程中，连接构件被压缩，螺栓被拉伸，相当于两个弹簧串联在一起，连接副作为串联弹簧的系统刚度：

⑦KB-螺栓的刚度KJ-连接构件的刚度KBJ-连接副的刚度因此，螺栓上产生的预紧力为⑧由上式⑧可知，螺栓预紧力与螺母转动角度呈线性关系，并且螺纹连接产生的预紧力与连接副的摩擦力无关，消除了摩擦力对预紧力的影响，但与螺栓和被连接件的刚度有关。典型的螺栓紧固曲线如图4。在紧固过程中，螺母并不是一开始就受力，在第一阶段螺母由快速预紧扭矩（snugtorque）拧紧到接触被连接件；在第二阶段以较低的“贴合扭矩”(thresholdtorque/pre-torque)将各个被连接件拉齐、对中，消除多个连接件之间的间隙，使连接副达到一个紧密贴合的状态。

图4：典型的螺栓紧固曲线第三阶段中，螺母转动的角度与施加的扭矩和产生的预紧力呈正比例的关系。通常认为通过角度控制的螺纹紧固比通过扭矩控制的螺纹紧固更加具有优势，因为所得到的预紧力大大减少了摩擦力的影响，而只受连接副刚度系数的影响。紧固人员只需考虑从哪一点开始计算转动角度即可。实际生产中测量的螺母转动角度通常是指螺母相对于机器、或地面、或其它固定的参考点而不是螺栓本身。实际上如果螺纹发生了“咬合”现象，在法兰被“贴合扭矩”或更大的扭矩初步预紧的情况下有可能螺母转动半圈也不会增加任何的螺栓预紧力；而如果在一个润滑较好的连接中，螺母多转动半圈有可能得到超过材料屈服点的预紧力。因此转角法也不是完全排除了摩擦力的影响，在开始角度控制前所施加的“贴合扭矩”与摩擦系数直接相关；进入转角控制后，在弹性范围内，理论上预紧力与摩擦系数无关，但摩擦力会影响施加的扭矩值。进入屈服区以后，预紧力的变化主要与螺栓的强度有关，而且由于斜率减小，旋转同等角度在屈服区域带来的预紧力变化远比弹性区域的小，因此预紧力的离散度大大减少。所以，对于要求预紧力充足并且均匀的螺纹连接，越来越多的厂家采用超弹性的屈服区扭矩转角紧固工艺。

图5：扭矩-转角控制法紧固中转动角度与预紧力的关系示意图德国工程师协会(VDI)在VDI2230标准中，对于扭矩-角度控制法紧固的描述，VDI2230描述其拧紧系数αA=1.2~1.4，载荷分散度约为±9%~±17%。通过扭矩角度控制法达到屈服极限点的超弹性区域紧固，得到的预紧力精度的分散度在很大程度上取决于该批次螺栓的材料屈服点的散布[1]，但初步拧紧所需的“贴合扭矩”及施加的转动角度需由实验测定。2试验对比分析2.1扭矩控制法紧固试验为了验证扭矩转角控制紧固法在风力发电设备上的应用，选取了某风场2MW风力发电机塔筒法兰进行试验。试验螺栓规格为M48*285，共114颗，材质为35CrMo，主机厂家推荐的紧固扭矩为4700NM，螺栓分布图如下：

图6：试验的风力发电机塔筒螺栓分布图试验1采用可以记录转动角度的智能液压力矩扳手紧固系统，按原设计厂家推荐扭矩对114颗螺栓进行紧固，记录每个螺栓的转动角度，并通过测量螺栓伸长量的方式计算采用普通扭矩紧固后每颗螺栓获得的预紧力，并计算预紧力的标准方差。通过扭矩控制法紧固后获得的扭矩-转角曲线如图7所示。达到厂家的原设计紧固扭矩时螺母转动角度的分布散点图由计算机自动获取，如图8所示。通过记录螺栓的原始长度，紧固后再测量其伸长量，计算出螺栓的预紧力分布曲线如图9所示。

图7：4700NM扭矩控制法紧固后的扭矩-角度曲线图8：4700NM紧固后的螺母转动角度离散图图9：4700NM紧固后预紧力分布图2.2根据扭矩控制法紧固曲线制订扭矩-转角工艺进行试验根据扭矩控制法紧固的曲线进行分析，结合风机吊装的螺栓紧固工艺，第一步紧固不小于最终扭矩的50%，确定扭矩转角法紧固的“贴合扭矩”为2500NM。为达到与扭矩控制法紧固近似的结果，通过分析曲线确定转动的角度为30°-35°，确定后续试验的方案为2500NM+35°进行试验。图10：根据扭矩紧固曲线初步制订扭矩-转角紧固工艺扭矩转角工艺确定后进行试验2：对5颗螺栓分两组进行试验，试验紧固结果曲线如图11所示。达到设定的转动角度后，计算机获取最终施加的扭矩值，最终扭矩分布散点图如图12所示。图11：初步拟定扭矩-转角紧固工艺实施紧固的曲线图12：试验紧固后最终扭矩分布散点图最终达到的平均扭矩比原设计值4700NM稍低，为了进一步接近原设计的最终扭矩，在保证安全的前提下，最终修订紧固工艺为2500NM+40°进行紧固。2.3扭矩-转角控制法紧固试验在另外一台风力发电机的相同位置最终采用2500NM+40°转角进行紧固，紧固后的扭矩-角度曲线如图13所示。达到最终转动角度以后的最终扭矩值分散图如图14所示。测量螺栓伸长量后计算螺栓预紧力，预紧力的分布曲线如图15所示。图13：2500NM+40°扭矩-转角工艺紧固后的扭矩-转角曲线图14：达到最终转动角度以后的最终扭矩值分散图图15：2500NM+40°扭矩-转角紧固后测量螺栓预紧力分布图2.4扭矩控制法与扭矩-转角控制法紧固后预紧力的统计分析扭矩控制法与扭矩-转角控制法紧固后预紧力的平均值、中位值及标准方差对比如表1所示。扭矩控制法紧固后的预紧力正态分布图如图16所示。扭矩-转角控制法紧固后的预紧力正态分布图如图17所示。表1：扭矩控制法与扭矩-转角控制法紧固后预紧力的统计分析图16：扭矩法紧固的预紧力正态分布图

图17：扭矩转角法紧固的预紧力正态分布图3结论本文主要通过紧固工艺理论分析与风机塔筒螺栓试验统计分析，证明了风机塔筒法兰螺栓采用扭矩-转角控制法紧固的预紧力的标准方差较普通扭矩控制法紧固有较大的提升，预紧力均匀度得到较大改善，与理论研究结果相符。扭矩-转角法应用的关键在于根据现场工况确定适当的“贴合扭矩”和转动角度。在保证塔筒法兰完全对中闭合，能