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風機螺栓的安全設計探討

文檔作者：鄭大周王兵莫爾兵文檔來源：東方汽輪機有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年10月10日
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6 DON G乞F粉揍
ANG T
鄭大周王兵莫爾兵
(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)
摘 要：螺栓聯(lián)結是風電機組中最主要的聯(lián)結方式之一，機組的主要部件幾乎全部采用螺栓聯(lián)結，因此螺栓的安全設計
及校核是風機結構校核中非常關鍵的工作。由于影響螺栓聯(lián)結的因素很多，而每顆螺栓的材料特性、聯(lián)結環(huán)境及工作狀
態(tài)各不相同，因此準確計算風電機組每顆螺栓的安全及壽命十分困難。該文從螺栓聯(lián)結的基本原理出發(fā)，結合VDI
2230方法，系統(tǒng)闡述了風機螺栓分析的理論依據(jù)，給出了螺栓安全設計中關鍵參數(shù)的確定方法，對風電機組螺栓安全校
核具有重要的指導意義。
關鍵詞：風電機組；螺栓聯(lián)結；計算方法；失效形式
Discussion on Safety Design of W ind Turbine Bolts
Zheng Dazhou，W ang Bing，M o Erbing
(Dongfang Turbine Co，Ltd Deyang Sicbuan，6 1 8000)
Abstract：Bolt connection is one of the most important connection types in the wind turbine．a(chǎn)lmost al1 of the components are
connected by the bolt，so the bolt analysis is very important in the wind turbine design．There are many factors influencing the bolt
connection and the material，connecting conditions，loading for each bolt are diferent too，so it is very dificult to determine the
safety and the life for each wind turbine bolt．Based on the basic principle of the bolt connection and the VDI 2230，the theoretical
basis of the safety design on wind turbine bolts is introduced，the method to determine the bolt parameters is proposed．This paper
is very useful for the wind turbine bolt design and analysis．
Key words：wind turbine，bolt connection，computational methods，failure
螺栓聯(lián)結是風機裝配中的一種重要方式，幾
乎涉及到風機的所有部件。以雙饋機組為例，風
機各段塔筒之間、塔筒與機架之問，機架與機頭
之問，機頭與葉片之間等重要的聯(lián)結都是通過螺
栓來實現(xiàn)的。因此，螺栓的選用和強度校核是風
機可靠性的重要保證。
隨著我國風電事業(yè)的跨越式發(fā)展，伴隨著風
力發(fā)電成本不斷下降，風電機組的價格也越來越
低，各大風電制造企業(yè)的價格戰(zhàn)已經(jīng)進入白熱化
階段。如何在降低成本的情況下，保證風電機組
的質量，成為各大風電企業(yè)面臨的重要問題。螺
栓作為風電設備的重要組成部分， 由于其各方面
特性的不確定性，成為風機設計過程中降低成本
的主要難點之一。
作者簡介：鄭大周(1981)，男，工程師，2009年畢業(yè)于燕山人學機械設計與理論專業(yè)，獲工學博士學位，現(xiàn)從事新型風機開發(fā)、風機
結構校核及風電并網(wǎng)研究工作。
現(xiàn)階段，我國風電機組的螺栓失效問題已經(jīng)
在聯(lián)結塔筒法蘭的高強度螺栓上有所體現(xiàn)。主要
失效形式為： 安裝過程中發(fā)生滑絲、扭斷、屈
服、甚至拉斷等現(xiàn)象；設備運行過程中發(fā)生螺栓
斷裂，造成風機安全系數(shù)降低，嚴重者甚至造成
倒塌事故。
塔筒高強度螺栓出現(xiàn)這些問題的原因，除了
螺栓本身的產(chǎn)品質量不合格外，設計過程中的理
論與經(jīng)驗不足也不容忽視。
現(xiàn)階段，人們主要通過利用有限元軟件分析
和科學計算兩種途徑來對螺栓的可靠性進行設計
和校核。
在運用有限元軟件進行分析 的過程中，我
們可以通過直接加載法、等效力法、等效應變法
和等效溫度法來實現(xiàn)預緊力的加載。但是這些加
載方法，或者不能傳遞剪應力，或者不能模擬現(xiàn)
實中螺栓與被聯(lián)結件的摩擦行為，且無法考慮螺
母松動情況導致的預緊力損失，導致在實際的有
限元模擬過程中，產(chǎn)生的螺栓應力偏大，因此一
般不作為風機螺栓結構校核的手段。
在進行科學計算時，人們或者采用材料力學
理論進行常規(guī)計算，或者采用高強度螺栓計算標
準(VD12230)來進行計算。
3．1常規(guī)計算方法
塔筒法蘭的螺栓采用緊聯(lián)結，在工作載荷作
用之前，螺栓己受到預緊力F 的作用。此時螺栓
的受力狀態(tài)為復合應力狀態(tài)：包含螺紋力矩 產(chǎn)
生的切應力 和預緊力F 產(chǎn)生的拉應力 。根據(jù)
第四強度理論，此時產(chǎn)生的當量拉應力為：
廄 1
當螺栓受到工作載荷以后，螺栓受到的總拉
力 并不等于預緊力F 和工作載荷 和。由于
工作載荷會造成螺栓和被聯(lián)結件變形，通過靜力
平衡和變形協(xié)調條件可求得螺栓的總拉力為工作
載荷F與殘余預緊力F”之和。
F F 七F
索言汔粉撥』
DONGFANG TURBINE I 1
假設C．和c，分別表示螺栓和被聯(lián)結件的剛度，
通過變形協(xié)調關系可得：
Fi=F +—÷ r| F=F + F 、2一
其中 為載荷比例系數(shù)， 由式(2)可知，螺
栓的總拉力也等于預緊力加上部分工作載荷。影
響載荷比例系數(shù)的因素包含螺栓與被聯(lián)結件的材
料、結構、尺寸及工作載荷的位置等。
如果螺栓的載荷過大，就會造成聯(lián)結出現(xiàn)裂
縫。為避免這種情況，必須保證殘余預緊力 ”大
于零。
確定殘余預緊力以后，即可通過式(1)來求
得螺栓的總拉力?？紤]到極限情況，在受工作載荷
的情況下補擰螺栓，螺栓可按式(3)進行設計。
<[o】 (3)
綜上所述，采用常規(guī)計算法的步驟如下：
(1)確定螺栓工況，得出工作載荷。
(2)確定殘余預緊力。
(3)計算螺栓總拉力。
(4)初選螺栓，確定螺栓的各種參數(shù)。
(5)對初選螺栓利用式(3)進行校核，如果
合適就進行下一步驟，否則重新選擇螺栓。
(6)進行疲勞強度校核。
(7)校核表面壓力。
3．2 VDI 2230準則
與常規(guī)計算法相比，VDI 2230準則考慮了預
緊時螺栓的松弛，高強度螺栓在擰緊后不久，預
緊力會降低2％～3％，這種現(xiàn)象叫做松弛。產(chǎn)生松
弛的原因有：螺紋面、支撐面等接觸表面的粗糙
度、形狀誤差等引起的塑性變形，支撐面的沉陷
和蠕變等。根據(jù)德國Junker試驗得到的結果表
明：最后下沉量在2um以內時的支撐壓力可作為
材料的“限界支承壓力” ，此時對預緊力的變化
影響很小。同時VDI 2230準則還考慮了載荷引入
系數(shù)等參數(shù)，力爭通過科學計算求得各項參數(shù)，
更大限度地把經(jīng)驗值進行理論化。
采用VDI 2230準則進行設計的步驟 如下：
(1)確定工作載荷。
(2)估計并定義螺栓尺寸。
(3)確定擰緊系數(shù)。
(4)確定殘余預緊力。
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(5)確定比例系數(shù)和載荷引入系數(shù)。
(6)計算嵌入造成的預緊力損失。
(7)確定裝配力及螺栓尺寸，如果確定螺栓
與初選螺栓有所變化，則重復前面步驟。
(8)校核螺栓強度。
(9)校核螺栓疲勞強度。
(10)校核表面壓力。
各步計算過程在VDI 2230準則中都有詳細的
說明，在此不再進行描述。
4．1載荷引入系數(shù)的確定
VDI 2230準則中，考慮載荷引入系數(shù)，z后，式
(2)可演變?yōu)椋?
Fo=F +n— — F =F +，2 F r4、
cl+c2 ?
載荷引入系數(shù)的產(chǎn)生與壓力錐的分布有關，
螺栓在預緊力的作用下形成壓力錐，法蘭寬度、
厚度和螺距都會影響壓力錐的形成。當螺栓受到
重載時，法蘭和螺栓在載荷作用下產(chǎn)生細微的變
形。法蘭平面開始傾斜，作用點位于壓力錐內，
當法蘭出現(xiàn)離縫時，作用點便會移出壓力錐。壓
力錐的變化，也將導致力導入位置的變化，力導
入位置越靠近接縫，螺栓所承受的附加力越小。
力導入位置在接縫處和螺頭處載荷引入系數(shù)分別
為o,H1。具體計算公式如下：
C C
，2= _二-+
C21 C22
(5)
其中C， 為上分板被卸載部分的剛度， 為下
分板被卸載部分的剛度。由此可知，在風機螺栓
計算中，塔筒螺栓的載荷引入系數(shù)為l，而輪轂與
主軸之間的螺栓載荷引入系數(shù)在0．5～12_間，需
要通過計算求得。
4．2高強度螺栓殘余預緊力的確定
依照國內的計算方法，殘余預緊力的取值不
僅要大于零，還要保證一定的數(shù)值，具體的取值
與工作條件有關：當工作載荷沒有變化時，F(xiàn)”：
(0．2～0．6)F；當工作載荷有變化時，F(xiàn)”：(0．6～1)F；
當螺栓用于密封壓力容器時，F(xiàn)”=(1．5～1．8)F。
而根據(jù)VDI 2230準則，螺栓的設計殘余預緊
力則需要通過屈服強度條件獲得，需克服橫向載
荷 ，滿足條件F”≥Fo ，其中 為螺栓與被聯(lián)
結件之間的摩擦系數(shù)。
4．3高強度螺栓扭矩系數(shù)的確定
計算螺栓聯(lián)結中扭緊螺栓所需要的力矩公式
為：
= tan )呼
d2
2I d d tanp v+ d I ㈦～
其中 為螺紋中徑，d為螺紋大徑， 為螺紋
升角，P 為當量摩擦角， 為當量摩擦半徑。由式
(6)可知，螺栓擰緊力矩分為三部分：第一部分由
升角產(chǎn)生，用于產(chǎn)生預緊力，螺距的影響主要體
現(xiàn)在這一部分；第二部分由螺紋副摩擦產(chǎn)生，影
響因素有摩擦系數(shù)和牙型角； 第三部分由支撐面
摩擦產(chǎn)生，影響因素主要為摩擦系數(shù)和墊圈的幾
何尺寸。在不同摩擦系數(shù)的情況下，三部分所占
的比例各不相同， 由德國SCHATZ公司提供的數(shù)據(jù)
可知， 在摩擦系數(shù)為0．08～0．15之間時，第一部
分消耗20％～10％力矩，第二部分消耗35％～40％力
矩，第三部分消耗45％～50％力矩，因此對占大部
分扭緊力矩的支撐面力矩進行控制，是精確控制
預緊力的關鍵。
通常，我們定義扭矩系數(shù)K來代替式(6)前
面的部分。
= 去2 Il 皇d tan + d tanp～ +!d Il (、7一)
可以是經(jīng)驗值，也可以是計算值。美國鐵
路工程師學會規(guī)定 =O．2。西德1974年規(guī)定： 螺
栓涂二硫化鉬時，K=0．15～0．16：涂少量油時，
=0．2～0．2l。日本國鐵橋梁所規(guī)定 =O．15～
0．19。
如欲精確控制K的值，必須對螺栓連接的螺
距、牙型角和摩擦系數(shù)進行精確控制。螺距和牙
型角為螺栓的基本參數(shù)，只會在一定的公差范圍
內變化，而摩擦系數(shù)則受材料、表面狀態(tài)、制造
公差等因素影響，這一直是研究的難點。
4．4高強度螺栓摩擦系數(shù)的確定
摩擦系數(shù)選擇過大時，在產(chǎn)生一定的預緊力
情況下，需要的預緊力矩將會很大，過大的預緊
力矩將會增加裝配的難度和成本。
若摩擦系數(shù)選擇過小，在產(chǎn)生一定預緊力的
情況下，伴隨所需預緊力矩的減小，則相應的用
于防松的摩擦力矩也會變小。
在一般情況下，風機螺栓的摩擦系數(shù)應控制
在一定的范圍內，此范圍為經(jīng)驗值，各生產(chǎn)廠家
根據(jù)各自的情況有所變化，筆者建議在這個范圍
內，摩擦系數(shù)應適當取大值。
影響摩擦系數(shù)的因素很多，摩擦面的材料，
表面處理情況，潤滑狀態(tài)，零件公差等因素確定
以后，摩擦系數(shù)也就基本確定。國內的很多學者
對摩擦系數(shù)的計算進行了深入細致的研究，推導
了摩擦系數(shù)的計算公式 。通常工程上的做法
是，對不同廠家、不同批次的螺栓進行實驗測
定，通過實驗的方法來確定摩擦系數(shù)。
4．5高強度螺栓預緊力的確定
對螺栓施加預緊力矩時，不同的扭緊方法，
也將影響預緊力的大小，為反映預緊力的精確范
圍可引入分散系數(shù) 。
aA： Frm ： (8)
i
F 一幻 ～
其中 為標準離差，根據(jù)3 準則，數(shù)據(jù)取值幾
乎全部集中在 一30，#+3a]qa，達到99．74％，但
一2a， +2 范圍內亦達N95．44％的概率，基本滿
足工程要求。
不同的擰緊方法通過影響標準離差的值，進
而影響分散系數(shù)，不同擰緊方法所對應的分散系
數(shù)見表1。
表1分散系數(shù)表
由此可知，螺栓的預緊力是一個隨機變量，
如何界定預緊力的范圍和采用何種方法進行擰
緊，是工程人員通過經(jīng)驗總結得到的。
在預緊力選擇過程中，預緊力越大，螺栓松
索言汔粉揍『
DONGFANG TURBINE I 9
動的機率越小，但預緊力過大，將會造成螺栓過
載，而預緊力過小，將會增大螺栓的應力幅，降
低螺栓的疲勞壽命。由于在風機螺栓聯(lián)結中，螺
栓在傳遞軸向載荷的同時，還必須通過聯(lián)結件之
間的摩擦來傳遞橫向載荷，因此高強度螺栓必須
保證較大的裝配預緊力，以保證螺栓在承受交變
載荷時，仍保留足夠的殘余預緊力來傳遞橫向載
荷。與一般螺栓要求扭緊預緊力不得超過其材料
屈服極限的70％不同，高強度螺栓裝配時，預緊力
可以達到屈服極限的90％ 。
4．6高強度螺栓的失效形式
高強度螺栓的失效形式有：滑絲、松動、疲
勞、斷裂、腐蝕等。有人提出螺栓跟轉也是失
效，但是筆者卻有不同的看法：因為螺栓跟轉的
原因是支撐面的摩擦力不能承受預緊力矩， 即支
撐面摩擦產(chǎn)生的螺栓擰緊力矩過小。由于螺紋副
處和螺栓頭處的摩擦系數(shù)大都不一致，所以無法
準確判定螺紋副之間的摩擦力(過小)， 同時也
無法確定預緊力(不達標)。因此在螺栓跟轉的
情況下，也可能達到了設計預緊力， 同時可能也
保證了螺紋副摩擦產(chǎn)生的螺栓擰緊力矩，即保證
了螺栓不松動，此時，我們可以認為螺栓聯(lián)結是
有效的，但是由于跟轉時存在很多不確定性，因
此工程上應盡量避免跟轉現(xiàn)象的發(fā)生。
本文對風機螺栓聯(lián)結的基本原理進行了介
紹，對比了國內的螺栓計算方法和德國螺栓VDI
2230計算方法，并對計算過程中的主要參數(shù)選擇
進行了說明，對風電機組螺栓設計有一定的指導
意義。
參考文獻
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水利電力出版社．2002
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