朱希華

摘 ?要

連接螺栓作為風(fēng)電機組的主要連接方式之一，大型風(fēng)電機組對連接螺栓擰緊一般都有預(yù)緊力要求，同時嚴格要求緊固精度和使用。目前，在風(fēng)電機組中使用 的連接螺栓擰緊方法一般是力矩擰緊法和液壓拉伸法。有效的連接螺栓擰緊是保證風(fēng)電機組功能正常運行及安全的重要保障。試驗數(shù)據(jù)表明，液壓拉伸法對連接螺栓擰緊的預(yù)緊力控制更為精確。

本文介紹了液壓拉伸法的原理，以及液壓拉伸法技術(shù)具有準確控制預(yù)緊力、緊固件無扭矩系數(shù)要求和液壓拉伸法技術(shù)固有的“回彈”現(xiàn)象等特點。通過風(fēng)電機組的實驗，來檢驗分析液壓拉伸法技術(shù)的工作原理及其主要特點，加深理解對液壓拉伸 法技術(shù)在風(fēng)電機組連接螺栓擰緊過程中的實際運用。實驗分析表明，液壓拉伸法技術(shù)具有“回彈”現(xiàn)象客觀存在性、長螺栓對“回彈”不敏感性、多次擰緊可減少“回彈”效應(yīng)性、某些工作情況不宜使用液壓拉伸法技術(shù)等特點。因此，采用液壓拉伸法技術(shù)擰緊連接螺栓，不僅可 以保證獲得足夠的設(shè)計預(yù)緊力，同時使連接螺栓的預(yù)緊更安全、更可靠。在未來大型風(fēng)電機組組裝過 程中，液壓拉伸法技術(shù)在擰緊連接螺栓的應(yīng)用值得推廣。

關(guān)鍵詞：液壓拉伸法，風(fēng)電機組，螺栓擰緊，應(yīng)用分析

緒 論

1、研究背景

風(fēng)能作為清潔的可再生資源，近年來受到全世界的高度重視和關(guān)注，使風(fēng)電能源行業(yè)得到快速發(fā)展，風(fēng)電機組單機功率也逐步往大型化方向發(fā)展，塔筒高度 、葉片尺寸也越來越大，對螺栓連接的擰緊力要求也越來越高。風(fēng)電機組的零部件設(shè)備主要靠螺栓連接，廣泛應(yīng)用在機架、輪轂、塔筒、等關(guān)鍵部位，因此，連接螺栓對整個風(fēng)電機組安全可靠運行至關(guān)重要。據(jù)統(tǒng)計，風(fēng)電機組三個最重要的載重部位 螺栓連接數(shù)量如下：（1）葉輪與輪轂機艙連接高強螺栓約280套;（2）法蘭塔筒連接高強螺栓約300套左右;（3）塔筒基礎(chǔ)部分連接用的高強地腳螺栓，每臺風(fēng)電機組大約200套。

目前，廣泛使用的螺栓連接預(yù)緊工藝主要是力矩擰緊法和液壓拉伸法。力矩擰緊法由于對工藝要求高，控制起來難度比較大，因此取得的擰緊力分散系數(shù)較大，液壓拉伸法主要通過專用工具（液壓拉伸器）直接將連接螺栓拉長產(chǎn)生擰緊力，在擰緊的過程中不需要考慮扭轉(zhuǎn)、摩擦等方面的影響，只需考慮軸向力，因此預(yù)緊工藝易控制，從而獲得的擰緊力分散系數(shù)較小1-2。有關(guān)數(shù)據(jù)也表明，用力矩擰緊法技術(shù)獲得的擰緊力分散系數(shù)是1.7-2.5，而采用液壓拉伸法技術(shù)取得的預(yù)緊力分散系數(shù)為 1.0。3 因此，液壓拉伸法技術(shù)在螺栓擰緊對預(yù)緊力控制更為有效。而在目前的風(fēng)電機組零部件、整機裝配過程中，一般直徑小的螺栓連接主要靠扳手擰緊螺母來實現(xiàn)螺栓的預(yù)緊，直徑稍大的螺栓連接則靠榔頭敲擊扳手或采用液壓扳手，重要部位也有采用螺栓加熱的方法來實現(xiàn)螺栓的預(yù)緊。但這些方法對設(shè)備、螺栓都有一定程度上的損傷 ，同時也會造成設(shè)備接觸面預(yù)緊力的不均勻。因此，風(fēng)機機組在組裝過程中如何減少擰緊力的分散系數(shù)、減少設(shè)備 的損耗、提高工作效率一直是我們需要攻克的課題。

2、研究目的

本文將通過風(fēng)電機組安裝過程中的工況試驗，來檢驗液壓拉伸法技術(shù)的理論及其主要特點，加深理解液壓拉伸法技術(shù)在風(fēng)電機組螺栓擰緊中的應(yīng)用情況。同時也為液壓拉伸法技術(shù)在項目現(xiàn)場如何擰緊大規(guī)格連接螺栓，如塔筒與基礎(chǔ)錨栓的連接、塔筒與塔筒的連接、葉輪、偏航軸承等組裝過程中的提供理論基礎(chǔ)。

3、研究意義

本文研究的意義在于：

（1）理論與實際相結(jié)合，通過實際試驗檢驗，對液壓拉伸法技術(shù)在風(fēng)電機組連接螺栓擰緊的實際應(yīng)用進行了檢驗。

（2）推進風(fēng)電安裝技術(shù)的創(chuàng)新，促進技術(shù)廣泛實際應(yīng)用。

一、液壓拉伸法技術(shù)

1、工作原理

通過專用工具（液壓拉伸器）完成連接螺栓的預(yù)緊工作的液壓拉伸法技術(shù)，主要利用液壓拉伸器的高壓油泵產(chǎn)生的壓力，經(jīng)過液壓傳送管直接作用到拉伸器活塞的表面上，利用拉伸器上的拉伸頭與被拉伸連接螺栓相互作用而使連接螺栓拉伸，直到壓力到達設(shè)定值后，用扳手擰緊螺母，使螺母與被緊固件表面正確貼合，釋放壓力緊固螺母。4

2、技術(shù)特征

（1）工藝可靠

液壓拉伸法主要通過專用工具（液壓拉伸器）直接將連接螺栓拉長產(chǎn)生擰緊力，在擰緊的過程中不需要考慮扭轉(zhuǎn)、摩擦等方面的影響，只需考慮軸向力，因此預(yù)緊工藝易控制、更可靠，所以該技術(shù)可以應(yīng)用于任何尺寸的連接螺栓，也可以同時給一組連接螺栓施加載荷，均勻壓緊墊片和法蘭，不會出現(xiàn)翹曲、傾斜等現(xiàn)象而影響預(yù)緊力的精確控制。

（2）緊固件無扭矩系數(shù)要求

采用液壓拉伸法技術(shù)進行的螺栓連接，連接螺栓的軸向力是直接通過拉伸器獲得，從而使連接螺栓變長，通過擰緊螺母使螺母與被 連接件、墊圈咬合，松開拉伸器完成緊固工作。在此過程中，螺栓軸向力的精度是由液壓拉伸器來保證，而與緊固件的扭矩系數(shù)沒有任何關(guān)系。因此，對于使用液壓拉伸法安裝的螺栓，對 螺栓連接無扭矩系數(shù)要求。6

（3）“回彈”現(xiàn)象

液壓拉伸法技術(shù)是利用液壓拉伸器來完成連接螺栓的預(yù)緊工作，拉伸器撤去壓力后，連接螺栓會因突然施加的載荷而變形，從而使連接螺栓剩余預(yù)緊力要小于施加目標(biāo)的預(yù)緊力，該現(xiàn)象稱之為“回彈”，也是采用液壓拉伸法技術(shù)必然出現(xiàn)的現(xiàn)象。7因此可以理解，受該“回彈”現(xiàn)象的影響，液壓拉伸法技術(shù)不適合應(yīng)用于有效作用長度較小的工況。

二、工況試驗分析

顯然連接螺栓預(yù)緊力對于工況的安全、穩(wěn)定至關(guān)重要，過大或過小的預(yù)緊力都會對工況產(chǎn)生嚴重影響，過大，容易出現(xiàn)超擰;過小，無法 保證強度。以下將通過實際工作中的試驗來檢驗液壓拉伸法技術(shù)的原理及 主要特點。

1、試驗說明

2、試驗數(shù)據(jù)

試驗一，液壓拉伸器對機架與軸承座的連接螺栓施加載荷，測得對應(yīng)的剩余預(yù)緊力，如表 2-1 所示。

為進一步清楚之間的關(guān)系，將工況試驗一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形。X軸為液壓泵壓力值;Y軸包括施加載荷、剩余載荷、目標(biāo)預(yù)緊力、屈服極限等載荷值，如下圖2-1所示：

試驗二，液壓拉伸器對前后機架的連接螺栓施加載荷，測到的對應(yīng)剩余預(yù)緊力，如表 2-2 所示。

同樣為進一步清楚之間的關(guān)系，將工況試驗二數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形。X軸為液壓泵壓力值;Y軸包括施加載荷、剩余載荷、目標(biāo)預(yù)緊力、屈服極限等載荷值，，如下圖2-2所示：

3、試驗分析

根據(jù)液壓拉伸法技術(shù)的工作原理，通過2個工況試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行分析，可知得出液壓拉伸法技術(shù)以下幾個特點：

（1）“回彈”現(xiàn)象客觀存在性

如圖2-1和圖2-2中的剩余載荷折線在目標(biāo)載荷折線的下方。說明拉伸器撤去壓力后，連接螺栓會因突然施加的載荷而變形，使螺栓剩余預(yù)緊力小于施加目標(biāo)的預(yù)緊力。因此，“回彈”現(xiàn)象是客觀存在的。

（2） 長螺栓對“回彈”現(xiàn)象具有不敏感性

試驗一中，試驗的連接螺栓長度為 390mm，施加781KN載荷時，剩余預(yù)緊力值為515KN，為屈服極限值的57.3%;試驗二中，試驗的連接螺栓的長度約為180mm，施加398KN載荷時，剩余預(yù)緊力值為230KN，為屈服極限值的44.7%。由此可知，連接螺栓的長短對“回彈”現(xiàn)象具有敏感性，螺栓長度越長，“回彈”越不明顯。

（3）技術(shù)應(yīng)用不適宜性

在實際工作中，液壓拉伸器施加的載荷要高于目標(biāo)預(yù)緊力，是為了解決“回彈”現(xiàn)象。如圖 2 所示，由于試驗二中的連接螺栓比較短，“回彈”現(xiàn)象比較明顯，施加的載荷力不小于屈服極限時，剩余預(yù)緊力將達不到目標(biāo)預(yù)緊力的要求，可能會出現(xiàn)“超拉”致連接螺栓失效。因此，連接螺栓較短的預(yù)緊不宜采用液壓拉伸法技術(shù)。

（4）多次擰緊可減少“回彈”效應(yīng)

通過2個工況試驗數(shù)據(jù)可知，多次擰緊連接螺栓，會降低“回彈”現(xiàn)象，提高剩余拉伸力。所以，在編寫工藝時，為減少“回彈”現(xiàn)象導(dǎo)致的預(yù)緊力損失，可采用多次施加載荷或者重復(fù)施加載荷的方法。

（5）降低對防腐涂層的破壞

風(fēng)電機組在組裝過程中，有部分裸露在大氣中的螺栓一般都需要進行防腐涂層處理，只要使用扭矩扳手擰緊連接螺栓時，連接螺栓表面涂層就容易遭到破壞，防腐效果大大降低。但如果擰緊連接螺栓采用液壓拉伸法技術(shù)，連接螺栓得到的扭矩很小，所以一般不會造成連接螺栓防腐涂層的破壞。

三、結(jié)論

有效的連接螺栓擰緊是保證風(fēng)電機組功能正常運行及安全的重要保障。采用液壓拉伸法技術(shù)擰緊連接螺栓，不僅可以保證足夠的預(yù)緊力，使連接螺栓的預(yù)緊更可靠、更安全，而且擰緊過程具有可操作性、可控性等優(yōu)點，在未來大型風(fēng)電機組組裝過 程中，液壓拉伸法技術(shù)能得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻

1Schatz V，朱正德，郭林健.實現(xiàn)螺栓可靠裝配的 10 個步驟[M].北京：機 械工業(yè)出版社，2010：16-18.

2Verein Deutsher Ingenieure.VDI-2230，Systematic Calculation of High

Duty Bolted Joints[S].Dǚ sseldorf：Verein Deutscher Ingenieure，2003： 117-118.

3成大先等.機械設(shè)計手冊第 2 卷（第五版）[M] .北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2007.

4吳風(fēng)和.大直徑螺栓的液壓拉伸預(yù)緊[J].重型機械，2001，5：30-31.

5孫寶章，戴文斌，左運發(fā).螺栓擰緊方法分析與應(yīng)用[J].沈陽建筑工程學(xué)院 學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，18：319-320.

6劉洪海，蔡偉.基于液壓拉伸法的風(fēng)力發(fā)電機組螺栓緊固技術(shù)研究[J].特種

結(jié)構(gòu)，2012，29（4）：53-55.

7韓德海，李秀珍，梁瑞利，顏志偉.風(fēng)電機組螺栓聯(lián)接拉伸預(yù)緊分析[J].機 械傳動，2011（12）：91-93.