張欽， 賈云龍

（眉山中車緊固件科技有限公司， 四川 眉山， 620010）

0 前言

風力發(fā)電機組中一般包括槳葉、 主軸、 塔筒、機架及連接用的高強度螺栓等零部件。 由于風速方向和大小的隨機性， 導致風機葉根螺栓承受的載荷很復雜， 所以此部位經(jīng)常發(fā)生螺栓斷裂的問題[1]， 因而會給企業(yè)帶來非常大的經(jīng)濟損失。 針對這一問題， 賈森[2]等以3 MW 風機為例， 針對螺栓的結(jié)構(gòu)和預緊方法， 提出采用鎖緊螺栓和改變螺栓安裝預緊方式來確保連接的安全； 張俊[3]基于影響矩陣的風電機組螺栓疲勞壽命分析步驟， 以輪轂與主軸連接螺栓為例并結(jié)合Excel VBA 二次開發(fā)程序詳細介紹了各個步驟的具體實現(xiàn)方式， 并驗證了二次開發(fā)的螺栓疲勞壽命計算程序的精確性； 環(huán)槽鉚釘連接作為一種成熟的緊固連接技術(shù)，具有連接強度高、 防松性能優(yōu)異、 施工質(zhì)量穩(wěn)定，全壽命周期免維護等優(yōu)點， 能夠解決目前高強度螺栓連接存在的問題， 但目前環(huán)槽鉚釘在國內(nèi)風電領(lǐng)域運用暫無相關(guān)技術(shù)研究， 為更好的推廣環(huán)槽鉚釘連接技術(shù)， 本文對環(huán)槽鉚釘與高強螺栓的疲勞性能開展了對比研究， 為環(huán)槽鉚釘?shù)氖褂锰峁┝死碚撘罁?jù)。

1 技術(shù)原理

與螺紋連接不同， 環(huán)槽鉚釘連接是利用虎克定律， 采用專用鉚接工具， 軸向拉伸鉚釘， 同時徑向擠壓套環(huán)， 使套環(huán)金屬流動到鉚釘?shù)沫h(huán)槽中，形成永久的金屬塑性變形連接， 與螺栓連接相比，環(huán)槽鉚釘連接具有連接強度高、 夾緊力一致性好、抗振防松性能優(yōu)異、 抗疲勞壽命長、 抗延遲斷裂能力強等優(yōu)點， 更適用于風電設(shè)備節(jié)點的連接。連接原理對比見圖1。

圖1 螺紋連接與環(huán)槽鉚釘連接原理對比

2 高強度環(huán)槽鉚釘連接副結(jié)構(gòu)

高強度環(huán)槽鉚釘連接副由高強度環(huán)槽鉚釘和配套的套環(huán)組成： 鉚釘由冒頭、 卸載槽、 光桿、鎖緊槽和尾牙組成， 其中鎖緊槽為獨立的圓環(huán)結(jié)構(gòu)； 套環(huán)由變形區(qū)、 法蘭盤、 凸點和卡齒組成。其結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示。

圖2 環(huán)槽鉚釘結(jié)構(gòu)形式

環(huán)槽鉚釘連接副的安裝步驟如下， 安裝過程如圖3 所示。

圖3 環(huán)槽鉚釘鉚接安裝示意圖

（1）將環(huán)槽鉚釘穿過被連接板層， 將套環(huán)從環(huán)槽鉚釘尾部擰入， 至手擰不動為止；

（2）將鉚槍卡爪放置于環(huán)槽鉚釘尾牙上， 注意防止卡爪和環(huán)槽鉚釘尾牙錯牙， 造成尾牙損傷；

（3）按下鉚槍控制開關(guān)， 鐵砧向下運動擠壓套環(huán)， 直至鉚接到位；

（4）鐵砧從套環(huán)上退出， 完成鉚接；

（5）目視檢查套環(huán)法蘭面上的凸點， 確認有1個及以上凸點產(chǎn)生明顯的塑性變形， 鉚接完成。

3 單釘抗疲勞性能研究

3.1 牙型結(jié)構(gòu)對比

查GB/T 192-2003《統(tǒng)一螺紋 牙型》[4]和“高強度、 低鉚接力構(gòu)件緊固方法及10.9 級短尾拉鉚釘”發(fā)明專利權(quán)利要求書， 螺栓與鉚釘?shù)难佬徒Y(jié)構(gòu)有較大的差異， 環(huán)槽鉚釘?shù)逆i緊槽牙型由多段不同直徑的圓弧組合而成， 而螺栓牙型為60°的等邊三角形型結(jié)構(gòu)， 如圖4 所示。

圖4 環(huán)槽鉚釘牙型和螺栓牙型結(jié)構(gòu)對比

3.2 牙型受力仿真分析對比

為驗證二者牙型的優(yōu)劣情況， 通過Ansys 軟件對牙型受力情況進行了仿真模擬分析， 分析結(jié)果如圖5 所示。

圖5 環(huán)槽鉚釘/高強螺栓牙型應力分布

從分析結(jié)果可以看出， 在承受同等載荷的情況下， 同規(guī)格環(huán)槽鉚釘牙型比螺栓牙型應力集中小， 螺栓牙型的最大應力約為環(huán)槽鉚釘牙型應力的4 倍， 所以環(huán)槽鉚釘圓弧結(jié)構(gòu)可有效降低牙底和牙頂?shù)膽校?提高疲勞壽命。

3.3 沖擊功試驗驗證

陳繼林[5]、 張先鳴[6]和張九高[7]等對螺栓的沖擊功性能進行了研究， 但國內(nèi)暫未見對環(huán)槽鉚釘沖擊功的研究報道。 為進一步驗證二者牙型的受力情況， 本文參照《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》[8]， 對二者牙型在夏比沖擊試驗中吸收能量的強弱進行了對比， 試驗樣件如圖6 所示， 試驗數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖6 試驗樣件

圖7 不同缺口沖擊功數(shù)值匯總表

從不同缺口沖擊功數(shù)值可以明顯看出： 在同等情況下， 鉚釘牙型缺口在夏比沖擊試驗中所吸收的能量遠大于螺栓的牙型； 環(huán)槽鉚釘牙型較螺栓牙型沖擊功吸收功提升約48%； 高強螺栓在使用過程中容易發(fā)生延遲斷裂， 可能就是由于牙型的應力集中造成的。 而鉚釘牙型承受的沖擊功大于螺栓牙型， 可以預測鉚釘?shù)难舆t斷裂現(xiàn)象會明顯優(yōu)于高強螺栓。

3.4 軸向載荷下疲勞試驗對比

對于緊固件而言， 產(chǎn)品的疲勞壽命是關(guān)鍵性能，胡健[8]對不同材質(zhì)鉚釘疲勞壽命開展試驗研究，歐陽卿[9]對高強度螺栓受力及疲勞性能進行試驗研究， 結(jié)果表明螺栓球節(jié)點的應力集中情況比較嚴重。 為對比環(huán)槽鉚釘與高強螺栓的疲勞性能， 參考《環(huán)槽鉚釘連接副技術(shù)條件》[10]和《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》[11]開展了疲勞性能試驗研究工作。

試驗按照《軸向加力疲勞試驗機檢定規(guī)程》[12]的同軸度檢定方法執(zhí)行， 同軸度偏差5%。 疲勞試驗選用軸向加載方式， 盡可能重現(xiàn)結(jié)構(gòu)在使用條件下的工作應力狀態(tài)和疲勞斷裂形式。 疲勞加載控制方式采用荷載控制， 即在試驗全過程中保持荷載為穩(wěn)定值， 荷載為常幅式正弦波， 加載頻率控制在5 Hz。 分別設(shè)置不同的荷載， 當試驗過程中試件因疲勞裂紋的形成和擴展直至斷裂破壞， 試驗終止加載（或者當達到設(shè)定加載次數(shù)后， 試驗終止加載）， 針對環(huán)槽鉚釘和高強螺栓各進行五組試驗。 實驗數(shù)據(jù)如圖8 所示。

圖8 螺栓和環(huán)槽鉚釘軸向疲勞對比

從圖9 可以看出： 在相同受力情況下， 環(huán)槽鉚釘?shù)钠谛阅苊黠@優(yōu)于高強螺栓； 在相同疲勞壽命下， 環(huán)槽鉚釘?shù)钠跇O限比高強螺栓高48%；在相同疲勞極限下， 環(huán)槽鉚釘?shù)钠跇O限為高強螺栓的3 倍以上。

4 節(jié)點疲勞試驗

采用環(huán)槽鉚釘連接的節(jié)點和高強度螺栓連接的節(jié)點參照《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》 開展了雙摩擦面抗剪疲勞對比試驗， 本試驗中環(huán)槽鉚釘/高強度螺栓摩擦型連接以板件間的摩擦力被外力克服作為極限狀態(tài)。 參考《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》 附錄C， 表C.0.1 選定其疲勞應力幅Δσc為110 MPa （應力取值范圍是0～110 MPa）， 對3 個環(huán)槽鉚釘連接雙面疲勞試件和3 個高強度螺栓連接雙面疲勞試件依次進行試驗。

試驗結(jié)果表明環(huán)槽鉚釘連接的節(jié)點在單摩擦面和雙摩擦面下抗剪疲勞壽命均大于200 萬次，滿足設(shè)計值要求。 且在《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》 規(guī)定的疲勞試驗載荷情況， 環(huán)槽鉚釘連接節(jié)點完成700 萬次試驗仍未失效。

5 結(jié)論

環(huán)槽鉚釘與螺栓連接相比， 具有連接強度高、夾緊力一致性好、 抗振防松性能優(yōu)異、 抗疲勞壽命長、 抗延遲斷裂能力強等優(yōu)點， 更適用于風力發(fā)電設(shè)備節(jié)點的連接。 本文通過環(huán)槽鉚釘與高強螺栓的牙型結(jié)構(gòu)、 受力模擬分析、 沖擊功特性、軸向載荷下疲勞試驗、 多釘?shù)钠谛阅芄?jié)點試驗等試驗對比， 得出了以下結(jié)論：

（1）同規(guī)格環(huán)槽鉚釘牙型比螺栓牙型應力集中小， 環(huán)槽鉚釘圓弧結(jié)構(gòu)可有效降低牙底和牙頂?shù)膽校?提高疲勞壽命。

（2）鉚釘牙型缺口在夏比沖擊試驗中所吸收的能量遠大于螺栓的牙型； 可以預測鉚釘?shù)难舆t斷裂現(xiàn)象會明顯優(yōu)于高強螺栓。

（3）在相同受力情況下， 環(huán)槽鉚釘?shù)钠谛阅苊黠@優(yōu)于高強螺栓。

（4）在多釘連接的節(jié)點中， 環(huán)槽鉚釘連接的節(jié)點疲勞性能不低于高強螺栓連接。