李志龍

（國(guó)家能源集團(tuán)西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850000）

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)發(fā)展勢(shì)頭更猛，市場(chǎng)上涌現(xiàn)出很多風(fēng)力發(fā)電機(jī)（wind driven generator，WDG），在其數(shù)量增加的同時(shí)也暴露出很多問(wèn)題，如倒塌事故發(fā)生率較高，加大相關(guān)企業(yè)單位經(jīng)濟(jì)損失，甚至對(duì)現(xiàn)場(chǎng)及周?chē)藛T生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為減少此類(lèi)問(wèn)題發(fā)生，需加強(qiáng)WDG 全面管理。高強(qiáng)度螺栓（High strength bolt，HSB），在整個(gè)塔筒（Tower barrel，TB）法蘭連接系統(tǒng)中起到了總攬全局的作用，其自身疲勞強(qiáng)度和整個(gè)WDG 實(shí)際承載能力、安全運(yùn)行性能有較大聯(lián)系，故通過(guò)分析其疲勞強(qiáng)度，提升其安全性。

1 塔筒法蘭高強(qiáng)度螺栓疲勞概述

1.1 疲勞

材料的某點(diǎn)、某部分點(diǎn)所承受擾動(dòng)應(yīng)力，在充分?jǐn)?shù)量的循環(huán)干擾影響下，會(huì)出現(xiàn)裂紋，或基本上已經(jīng)斷裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)更改，將其稱(chēng)為疲勞。局部、應(yīng)變比較高的位置，以材料存在疲勞破壞為出發(fā)點(diǎn)，材料傷害越多，疲勞破壞情況越顯著。故材料疲勞破壞以局部性為主要特征。循環(huán)擾動(dòng)荷載影響下，疲勞失效可能性較大。由于連續(xù)干擾后，材料會(huì)出現(xiàn)一定裂縫，通常將其稱(chēng)作裂紋萌發(fā)過(guò)程。經(jīng)荷載影響，裂紋增多后斷裂，為疲勞破壞的特征之一。

1.2 高強(qiáng)度螺栓

HSB 全稱(chēng)高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓，以強(qiáng)度高、抗疲勞為主要特征，具體在WDG TB 法蘭連接的關(guān)鍵位置予以應(yīng)用。普通、HSB 進(jìn)行對(duì)比，后者預(yù)緊力更大，可以促使連接件之間形成較大的擠壓力，垂直在螺栓桿方向上，摩擦力較大，可以對(duì)橫向載荷進(jìn)行限制，防止其對(duì)螺栓造成嚴(yán)重影響。正因如此，其能促使連接件的整體剛度提升，突出其工作性能，且在交變荷載的影響下，提升疲勞強(qiáng)度。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒最危險(xiǎn)截面確定

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

WDG 塔體由以下內(nèi)容構(gòu)成，如上段、中段、下段TB以及基礎(chǔ)環(huán)。在其構(gòu)成中，連接TB和法蘭時(shí)，多以焊接法。不同塔段法蘭和法蘭、法蘭和基礎(chǔ)環(huán)之間連接時(shí)，離不開(kāi)HSB的使用。故以2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)舉例，每段TB間以“L”型單排螺栓法蘭進(jìn)行銜接，其結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)參數(shù)情況如下：

（1）截面Ⅰ：①塔體：TB 高度71480mm，孔徑45mm；②法蘭：外徑：3779mm，內(nèi)徑3591mm，厚度91mm；③HSB：規(guī)格43mm，等級(jí)10.8，數(shù)目76 個(gè)；④墊片：外徑79mm，內(nèi)徑42.3mm，厚度7mm。（2）截面Ⅱ：①塔體：TB 高度44550mm，孔徑45mm；②法蘭：外徑3881m，內(nèi)徑3661mm，厚度91mm；③HSB：規(guī)格43mm，等級(jí)10.8，數(shù)目81 個(gè)；④墊片：外徑79mm，內(nèi)徑42.3mm，厚度7mm。（3）截面Ⅲ：①塔體：TB 高度22381mm，孔徑48mm；②法蘭：外徑4011mm，內(nèi)徑3712mm，厚度96mm；③HSB：規(guī)格46mm，等級(jí)10.8，數(shù)目85 個(gè)；④墊片：外徑84mm，內(nèi)徑47.5mm，厚度7mm。（4）截面Ⅳ：①塔體：TB 高度0mm，孔徑55mm；②法蘭：外徑4312mm，內(nèi)徑4113mm，厚度101mm；③HSB：規(guī)格51mm，等級(jí)10.8，數(shù)目89 個(gè)；④墊片：外徑101mm，內(nèi)徑55mm，厚度11mm。

2.2 截面力學(xué)計(jì)算

參考上述數(shù)據(jù)，設(shè)置TB 頂部—自由端；底部—固定端。在此作出假設(shè)，如果某一時(shí)刻風(fēng)速保持穩(wěn)定，每一截TB 所受橫向力和z 方向的力矩不會(huì)出現(xiàn)較大變化。故截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的受力情況、力矩計(jì)算公式如下：

上述公式中，Mx、My、Mz即WDG 自身所承受荷載簡(jiǎn)化至TB 頂端坐標(biāo)系的力矩；Fx、Fy、Fz即頂端坐標(biāo)系的受力情況，M′x、M′y、M′z、F′x、F′y、F′z，即力矩、受力情況；h 為T(mén)B 頂端中心與截面中心的距離；∑G 即TB頂部、計(jì)算截面之間幾何體的重力。

在Bladed 軟件內(nèi)，填寫(xiě)結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而掌握TB 頂部承受應(yīng)力的大小情況，利用上述4 個(gè)公式，計(jì)算其他TB 截面受力情況，結(jié)果如下：（1）截面Ⅰ：①力：F ′x256.6kN，F(xiàn) ′y-4.1kN，F(xiàn) ′z-1163.2kN； ②力矩：M′x1167.9kN·m，M′y2470.5kN·m，224.3kN·m。（2）截面Ⅱ：①力：F′x256.6kN，F(xiàn)′y-4.1kN，F(xiàn)′z-1256.2kN；②力矩：M ′x1280.3kN·m，M ′y9363.8kN·m，224.3kN·m。（3）截面Ⅲ：①力：F′x256.6kN，F(xiàn)′y-4.1kN，F(xiàn)′z-1622.8kN；②力矩：M′x1373.3kN·m，M′y16053.8kN·m，224.3kN·m。（4）截面Ⅳ：①力：F′x256.6kN，F(xiàn)′y-4.1kN，F(xiàn)′z-2177.5kN；②力矩：M′x1466.7kN·m，M′y21611.9kN·m，224.3kN·m。通過(guò)上述數(shù)據(jù)，我們可以了解到，x、y 方向時(shí)，截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ受力情況未見(jiàn)顯著差異；z 方向上，截面Ⅳ，所承受應(yīng)力最大。同時(shí)，離TB 頂端位置距離越遠(yuǎn)，相對(duì)應(yīng)橫向力矩也越大。截面Ⅳ為法蘭和基礎(chǔ)環(huán)相聯(lián)系之處，經(jīng)過(guò)HSB 連接后，增加次數(shù)受載力，必要情況下，建議對(duì)截面Ⅳ法蘭環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)連接所使用的HSB 予以全面分析。

對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，截面Ⅳ強(qiáng)度：10.8 級(jí)，以M52HSB 連接法蘭和基礎(chǔ)環(huán)為準(zhǔn)。參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)NB/T31082-2016，WDG 所使用10.8 級(jí)HSB 材料即42CrMo，螺母即35CrMo，法蘭即Q345，關(guān)于材料屬性情況如下：（1）材料：法蘭Q345，HSB42CrMo，螺母35CrMo；（2） 密度： 法蘭7761kg/m3，HSB7761kg/m3， 螺母7981kg/m3；（3）泊松比：法蘭0.39，HSB0.39，螺母0.397；（4）屈服極限：法蘭356MPa，HSB941MPa，螺母846MPa；（5）抗拉極限強(qiáng)度：法蘭511MPa，HSB1091MPa，螺母991MPa。

3 塔筒法蘭高強(qiáng)度螺栓疲勞強(qiáng)度分析

3.1 各項(xiàng)參數(shù)對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

HSB 螺紋牙（Thread teeth，TT）根部，特別是螺栓、螺母嚙合第一扣TT 根部，也就是第二號(hào)TT，出現(xiàn)疲勞損壞的情況最多。歸根結(jié)底，是因?yàn)椋篐SB 都是缺口較多的一類(lèi)零件，螺栓螺紋根部，尺寸發(fā)生變化，應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，在此位置出現(xiàn)疲勞破壞的可能性較其他位置更大。而螺栓為緊固連接件，應(yīng)用率較高。故為促使HSB 的疲勞強(qiáng)度增強(qiáng)，應(yīng)對(duì)螺栓TT 根部的受力情況予以改進(jìn)，以免應(yīng)力過(guò)度集中。故本文通過(guò)螺紋配合圈數(shù)、過(guò)渡圓角半徑入手分析。

3.1.1 螺紋配合圈數(shù)

WDG 為大型機(jī)械設(shè)備，螺栓為其核心零部件，可保證機(jī)組正常運(yùn)行。而HSB 不同TT 所承擔(dān)的應(yīng)力為分散性，以第二號(hào)TT 承受應(yīng)力最顯著，故其也為應(yīng)力過(guò)度集中之處。通過(guò)增加螺栓、螺母螺紋配合圈數(shù)，使第二號(hào)TT 承受應(yīng)力減輕，確保HSB 均勻受力，延長(zhǎng)疲勞壽命。由于螺栓、螺母間多以螺紋連接，故連接系統(tǒng)所承擔(dān)的應(yīng)力，應(yīng)是整組TT 承受，螺紋配合圈數(shù)越來(lái)越多，降低整組TT 應(yīng)力。因整組TT 中，每個(gè)TT 應(yīng)力承受度比較零散，故僅增加螺紋配合圈數(shù)對(duì)第二號(hào)TT 應(yīng)力下降影響較小。對(duì)此，借助有限元分析計(jì)算法，為確保螺栓、螺母螺紋配合圈數(shù)均存在差異，螺母要增加螺紋數(shù)，如6/7/8/9/10，使其和螺栓TT 相結(jié)合。上述5 組數(shù)值，構(gòu)建有限元模型，差異明顯，對(duì)其他元素，如材料屬性、接觸設(shè)置、網(wǎng)格劃分、預(yù)緊力等，以有限元分析法予以考量。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)ANSYSWorbench 對(duì)上述5 組模型開(kāi)展有限元計(jì)算，獲得結(jié)果后，比較不同螺紋配合圈數(shù)下不同TT 所承受的應(yīng)力大小。

最后，螺紋配合圈數(shù)增多后，不同TT 所承受的應(yīng)力均下降，防止第二號(hào)TT 應(yīng)力過(guò)度集中。如果配合圈數(shù)增加至9 圈后，下降效果不顯著，故圈數(shù)設(shè)置9 圈較合適。

3.1.2 過(guò)渡圓角半徑

針對(duì)HSB 連接結(jié)構(gòu)，應(yīng)力最大處即HSB 螺紋根部，應(yīng)力過(guò)大，易造成此處疲勞破壞發(fā)生率最高。而HSB 螺紋根部應(yīng)力強(qiáng)度和螺栓螺紋根部的過(guò)渡圓角半徑聯(lián)系較大。M52HSB 公制三角粗牙螺紋的過(guò)渡圓角半徑≥0.625mm。對(duì)此，建議取值0.125mm，間隔0.125mm， 依次為0.125mm、0.25mm、0.375mm、0.5mm、0.625mm、0.75mm、0.875mm， 一 共7 組，對(duì)7 組數(shù)值進(jìn)行有限元分析，同樣將材料屬性、接觸設(shè)置、網(wǎng)格劃分、預(yù)緊力等納入分析模型中，通過(guò)ANSYSWorbench 對(duì)上述數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，過(guò)渡圓角半徑增加后，不同TT 所承受應(yīng)力隨之下降，以第二號(hào)TT下降最顯著，換言之，通過(guò)增加過(guò)渡圓角半徑，可促使不同螺紋牙承受應(yīng)力下降；而且在其數(shù)值為0.625mm時(shí)，應(yīng)力雖然降低，但是下降趨勢(shì)不太顯著，故對(duì)HSB正常禁錮效果予以分析，建議取值0.625mm。

3.2 預(yù)緊力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

此項(xiàng)分析中，主要對(duì)整圈螺栓中積累疲勞強(qiáng)度最顯著者—HSB 進(jìn)行分析，采用多元化的螺栓預(yù)緊力，以有限元分析法為主，對(duì)外載、螺栓內(nèi)應(yīng)力之間的聯(lián)系進(jìn)行判斷，計(jì)算疲勞累積損傷情況。螺栓預(yù)緊力較大，螺栓內(nèi)應(yīng)力也隨之增加，但疲勞累積損傷值則因此相反，故通過(guò)提升預(yù)緊力可增強(qiáng)疲勞強(qiáng)度。

3.3 數(shù)目對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

每隔10 個(gè)HSB 取值，對(duì)不同HSB 數(shù)目的WDGTB 法蘭和基礎(chǔ)環(huán)連接系統(tǒng)開(kāi)展疲勞累積損傷分析。HSB 數(shù)目增加，最大/小應(yīng)力、極值變化區(qū)間、疲勞累積損傷也因此減少。故建議HSB 數(shù)目88 個(gè)，可保證WDG 穩(wěn)定。

3.4 法蘭厚度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

法蘭厚度變化一般能夠利用外載、螺栓內(nèi)應(yīng)力之間存在的非線(xiàn)性關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整便會(huì)對(duì)HSB 疲勞強(qiáng)度累積損傷值產(chǎn)生一定影響，故法蘭厚度和HSB 疲勞累積損傷值有明顯的非線(xiàn)性關(guān)系。故從60mm 起，每隔10mm取值，（1）60mm：平均應(yīng)力值645.441MPa，最大應(yīng)力值647.328MPa，最小應(yīng)力值640.468MPa，極值變化區(qū)間4.732MPa，疲勞累積損傷值5.914；（2）70mm：平均應(yīng)力值645.188MPa，最大應(yīng)力值646.951MPa，最小應(yīng)力值640.392MPa，極值變化區(qū)間4.688MPa，疲勞累積損傷值4.495；（3）80mm：平均應(yīng)力值644.622MPa，最大應(yīng)力值646.277MPa，最小應(yīng)力值629.195MPa，極值變化區(qū)間4.114MPa，疲勞累積損傷值2.141；（4）90mm：平均應(yīng)力值644.147MPa，最大應(yīng)力值645.582MPa，最小應(yīng)力值629.866MPa，極值變化區(qū)間3.588MPa，疲勞累積損傷值1.581。法蘭厚度增加，對(duì)應(yīng)數(shù)值有下降趨勢(shì)。故建議厚度＞90，可提升疲勞強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，WDG 運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)后，荷載交變次數(shù)也隨之增加，尤其針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間在動(dòng)態(tài)荷載影響下，WDG 相關(guān)零部件開(kāi)展疲勞強(qiáng)度分析是尤為重要的一項(xiàng)工作。HSB 為WDG 十分重要的連接部件，其疲勞強(qiáng)度和整個(gè)系統(tǒng)的安全性存在密切聯(lián)系，通過(guò)確定TB 結(jié)構(gòu)參數(shù)、計(jì)算TB 截面力學(xué)，從而獲得TB 最危險(xiǎn)截面，本文中截面Ⅳ受力最大，對(duì)其進(jìn)行分析后，提出相對(duì)應(yīng)的優(yōu)化建議，旨在降低對(duì)HSB 疲勞壽命的影響，使其發(fā)揮有效作用。