CN103423274A - 一种确保风机高强螺栓预紧力准确施加的方法 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机组高强螺栓预紧力准确施加方法，其特征在于，根据高强螺栓拧紧时的润滑剂、涂抹方式、螺纹的精度等级、相配合面的表面粗糙度、表面处理方式、螺栓型号规格和温度对扭矩系数的影响因素，依据扭矩法的原理确定扭矩系数，并通过控制润滑剂、涂抹方式、螺纹的精度等级、相配合的表面的粗糙度、表面处理方式、螺栓型号规格和温度的控制将每批次每种规格螺栓采用扭矩法时的分散系数范围控制在1.25以内。

Description

一种确保风机高强螺栓预紧力准确施加的方法

技术领域

本发明涉及一种风机发电机组的安装方式，特别涉及一种风力发电机组高强螺栓安装方式，在安装过程中能确保预紧力准确施加，主要适应于风力发电机组高强螺栓安装。

背景技术

在风机上有不少高强螺栓，这些高强螺栓起着重要的连接作这些高强螺栓的预紧力必须保证在设计要求的范围内，并尽量均匀，否则在风机运行过程中，由于外力的作用会导致螺栓松动断裂或屈服断裂，甚至风机倒塌等恶劣现象的发生，后果非常严重，因此必须保证高强螺栓的预紧力准确地施加到螺栓上。

高强螺栓的预紧力从设计端输出以后，怎么才能保证它准确地施加到螺栓上是最重要的，施加方法有很多，比如扭矩法、转角法、拉伸法等。而扭矩法具有效率高、工具设备成本低、操作方便等优点，目前来说还是风电行业中应用最多的螺栓紧固方式，扭矩法的原理为：扭矩、预紧力及扭矩系数三者之间的关系：T=K·F·d 

    T－扭矩 N·m 

    K－扭矩系数

    F－预紧力（也称轴力 KN）

    d－螺纹的公称直径 mm

螺栓上的预紧力是通过扭矩间接实现的，因此，要保证预紧力的准确施加，必须保证扭矩系数K的稳定性，而扭矩系数K则是一个综合的系数，不仅与螺纹的精度等级相关，还与螺栓表面处理方式、润滑剂型号、涂抹方式、螺栓规格、温度等因素强相关，然而目前不管是国内外标准还是应用厂家都没有对上述影响因素进行细分和区别对待，从而导致扭矩系数的变化范围很大，预紧力不能按照设计要求准确施加到螺栓上。

现有的风机高强螺栓扭矩紧固方法，在制定扭矩系数范围时存在较大的问题。因为扭矩系数是一个综合性的参数，影响因素非常多，如果按照国家标准将所有型号规格的螺栓的扭矩系数范围控制0.11-0.15是很不合理的，没有考虑润滑剂型号、螺栓规格、涂抹方式、螺纹精度、表面粗糙度、表面处理方式、温度等因素的影响，会导致实际施加在螺栓上的预紧力超出设计要求的范围，引起螺栓松动断裂或屈服断裂，进而导致风机倒塌等恶劣现象的发生，后果非常严重。

之所以出现上述状况，主要是现有的风电高强螺栓扭矩法中控制扭矩系数的状态如下：涂抹方式不统一，有些部位选用只涂螺纹的方式，有些部位选用螺纹和垫片都涂抹的方式，比较混乱；润滑剂型号选择盲目、不统一，容易导致混用；螺栓精度等级考虑不够，不统一，导致实际产生的扭矩系数有差异；不同部位的表面粗糙度未作统一；表面处理对扭矩系数的影响考虑不够，对不同的表面处理所规定的扭矩系数范围是相同的；螺栓型号规格对螺栓扭矩系数的影响未做区别对待；实际施工文件未对温度对扭矩系数的影响作考虑。因此很有必要对此加以改进。

通过专利文献检索未发现直接与本发明有关的文献报道，只是有一些相关的专利，与本发明有一定关系的主要有以下几个：

    1、专利号为CN201110313649.5， 名称为“地脚螺栓预紧力施加方法”的发明专利，该专利公开了一种地脚螺栓预紧力施加方法，其中包括：在塔筒法兰和紧固螺母之间安装设定尺寸的垫圈，所述垫圈用于支撑张拉器的支撑桥，其中，所述设定尺寸是指垫圈的径向尺寸大于所述张拉器的支撑桥尺寸；使用所述张拉器对塔筒法兰上安装的内圈地脚螺栓和外圈地脚螺栓施加预紧力。

2、专利号为CN201210278894.1， 名称为“一种有限元优化螺栓预紧力及螺栓结构设计的方法”的发明专利，该专利公开了一种有限元优化螺栓预紧力及螺栓结构设计的方法，根据该方法使用二维FEA的改进模型和方法适用于各种不同的螺栓结构建模。考虑螺纹联接中复杂的接触、摩擦、预紧等各种非线性因素，本发明的平面FEA改进模型保证了计算精度条件下对三维螺旋螺纹结构的有效简化。即通过输入元件参数和材料属性，综合非线性因素关系，分步加载预紧力和外力；根据螺纹区域的应力状态，定义了最大应力随外力的变化曲线和螺纹内最大应力随预紧力的变化曲线；并以接触面是否分离为判定准则，来确定螺纹联接的最佳预紧力。根据螺栓结构最大承载外力及所需预紧力要求，计算出螺栓结构的优化设计和最佳参数值。

3、专利号为CN200910165817.3， 名称为“有限元分析中初始化螺栓预紧力的改进方法和系统”的发明专利，该专利公开了一种有限元分析中初始化螺栓预紧力的改进方法和系统。根据本发明的方法使用FEA模型中的梁单元为每个螺栓建模。为了将期望的预紧力施加给一个或多个螺栓，规定了至少一条预紧力对比时间曲线，每条预紧力对比时间曲线包括斜坡部分、期望预紧力部分、以及可选的卸载部分。斜坡部分从零开始，以完全线性的方式达到期望的预紧力，因此被配置用于以较小的增量将期望的预紧力逐渐应用于螺栓。期望预紧力部分被配置用于确保期望的预紧力在初始化的过程中(一系列的准静态分析)被实际施加到梁单元上。由于该方法不受梁的变形的影响，因此该方法完全避免了需要重复确定轴向应变或者位移以得到期望的预紧力。

上述这些专利虽然都涉及到了高强度螺柱的预紧力确定，但都还是存在一些问题，不能用于风力发电机组高强螺栓预紧力的准确施加，因此很有必要对此加以改进。

发明内容

本发明目的在于针对现有风力发电机组高强螺栓预紧力的准确施加所存在的一些不足，提出一种新的风力发电机组高强螺栓预紧力的准确施加方法，利用该方法可有效解决现有风力发电机组高强螺栓预紧力的准确施加所存在的问题。

本发明的发明目的是通过如下方法实现的：一种风力发电机组高强螺栓预紧力准确施加方法，根据高强螺栓拧紧时的润滑剂、涂抹方式、螺纹的精度等级、相配合面的表面的粗糙度、表面处理方式、螺栓型号规格和温度对扭矩系数的影响因素，依据扭矩法的原理确定扭矩系数，并通过控制润滑剂、涂抹方式、螺纹的精度等级、相配合的表面的粗糙度、表面处理方式、螺栓型号规格和温度的控制将每批次每种规格螺栓采用扭矩法时的分散系数(扭矩系数最大值/扭矩系数最小值)范围控制在1.25以内。

进一步地，所述的润滑剂、涂抹方式、螺纹的精度等级、相配合的表面的粗糙度、表面处理方式、螺栓型号规格、温度与扭矩、预紧力及扭矩系数三者之间的关系依据下面原则判定：

1）在同一台风机的高强螺栓中采用同一种润滑剂；润滑剂的选择是很重要，不同的润滑剂的润滑效果、对外界因素的敏感度也是不同的，且在风机的各个不稳应尽量统一成一种；考虑了不同润滑剂产生的扭矩系数的差异性，通过相关实验选择合理的润滑剂，确保该润滑剂的润滑效果和稳定性，并将风机各个部位螺栓连接统一成一种润滑剂，避免了混用的风险；考虑了不同润滑剂产生的扭矩系数的差异性，通过相关实验选择合理的润滑剂，确保该润滑剂的润滑效果和稳定性，并将风机各个部位螺栓连接统一成一种润滑剂，避免了混用的风险；

2）润滑剂的涂抹方式采取既涂螺纹又涂螺母与螺栓结合面的方式；润滑剂的涂抹方式则直接影响到扭矩系数的稳定性，比如只涂螺纹的方式其稳定性是非常差的，在一组8套螺栓扭矩系数的试验中，方差会大于国家标准规定的0.01的范围，而采用既涂螺纹又涂螺母与螺栓结合面的方式则稳定性要好很多，能够将方差控制在国家标准要求的范围；

3）螺纹的精度对螺栓扭矩系数也是有影响的，相配合的内外螺纹间隙越大扭矩系数就越小，反之则越大，因此，要严格控制内外螺栓的公差范围在6g、6H的范围内；

4）相配合面的表面粗糙度也会影响到扭矩系数，表面越粗糙，扭矩系数越大，因此，在技术要求里要严格规定表面粗糙度的范围，各个部位应尽量保持一致性要求；

5）不同的表面处理方式也是会影响到螺栓的扭矩系数的，比如热镀锌和达克罗处理导致的扭矩系数值差异很大，且不同厂家的相同的表面处理方式也会导致扭矩系数有差别，因此在制定技术要求的时候必须区别对待，且需要求厂家严格控制每批次的工艺，尽量保持一致性；

6）螺栓规格对扭矩系数也是有影响的，不管是从理论方面还是实验方面都是经过验证的，因此在制定技术要求时一定要针对不同的规格区别对待，螺栓规格越大，扭矩系数越小；

7）温度也会影响到螺栓扭矩系数，通常螺栓厂家的扭矩系数都是在室温+25°C完成的，而我们实际施工的温度可能是-30°C，温度差别比较大，因此实际扭矩系数应在实验数据的基础上进行修正，每降低10摄氏度，扭矩系数K值增加1%；

通过上述因素的控制，即可将每种型号规格螺栓的扭矩系数都能控制在一个合理的范围，比如M30的螺栓可以控制在0.1~0.12，M36的螺栓可以控制在，0.095~0.105，即扭矩系数的分散性（最大扭矩系数与最小扭矩系数的比值）都能够控制在1.25内。

进一步地，确定风力发电机组高强螺栓预紧力准确施加方法的步骤是：

第一步，在螺栓和螺母、垫圈的加工工艺中，通过加工设备和工艺将所有参与配合的表面的粗糙度控制在Ra1.6~ Ra3.2之间；

第二步，在螺栓和螺母的螺纹加工过程中，通过生产设备将螺栓、螺母的螺纹精度等级控制在6g、6H的范围内；

第三步，连接副统一采用锌铬涂层（也叫达克罗）表面处理方式，该方式防腐能力强且表面比较光滑，表面处理设备须定期检查和维护，以保证工艺的稳定性；

第四步，按照下面扭矩法公式确定扭矩；

T=K·F·d 

式中： T－扭矩 N·m 

       K－扭矩系数

       F－预紧力（也称轴力 KN）

       d－螺纹的公称直径 mm

其中，扭矩系数由于根据前面步骤的处理，扭矩系数将相对比较稳定，因此可以按照最大扭矩系数与最小扭矩系数的比值不超过1.25并结合实验的方式选取，通常取中间值，比如M30的螺栓取0.11，M36的螺栓取0.105；预紧力是根据VDI2230标准并结合有限元计算的原则选取，通常取最大预紧力和最小预紧力的平均值，由于不同部位的载荷不同，预紧力的取值也相应不同。

第五步，根据现场环境温度对实验室的扭矩系数数据进行修正，以每降低10摄氏度，扭矩系数K值增加1%；

第六步，在施工过程中统一采用Molykote G-Rapid Plus Paste润滑剂，且涂抹方式为螺纹啮合段及螺母（或螺栓头）与垫圈贴合面（扳手旋转端）两处；在涂抹的过程中先用刷子（毛较硬的那种）在螺纹旋合部位均匀涂抹润滑剂，以能覆盖螺纹表面为标准。不能露出螺纹，也不能流淌。然后在螺母与垫圈贴合面或螺栓头与垫圈贴合面上均匀涂抹润滑剂。

第七步，采用有液压显示的棘轮棘爪式扳手进行紧固，扳手应尽可能匀速、低速运行。 

本发明的优点在于：

1、本发明几乎考虑到了所有影响扭矩系数的因素，结合理论和实验能够将每种规格螺栓的扭矩系数控制在设计需要的范围；

2、本发明在严格控制上述影响因素的情况下，能够保证每批次螺栓都能采用同一个紧固力矩值， 降低了各种管理成本和维护费用，也大大降低了风机的使用风险，提高了寿命；

3、本发明是在前端控制各种影响因素，不改变原有的紧固方法，操作简单，且不增加任何使用成本；

4、 本发明对于其他行业涉及到的螺栓扭矩法紧固方式同样具有指导意义，可以全面推广。

附图说明

图1是本发明扭矩系数影响因素流程图；

图2是本发明连接示意图；

图3是本发明螺栓头螺杆润滑剂涂抹方式示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。

附图1给出了本发明的扭矩确定示意框图，从附图可以看出本发明涉及一种风力发电机组高强螺栓预紧力准确施加方法，该方法是根据高强螺栓拧紧时的润滑剂、涂抹方式、螺纹的精度等级、相配合面的表面的粗糙度、表面处理方式、螺栓型号规格和温度对扭矩系数的影响因素，依据扭矩法的原理确定扭矩系数，并通过控制润滑剂、涂抹方式、螺纹的精度等级、相配合的表面的粗糙度、表面处理方式、螺栓型号规格和温度的控制将每批次每种规格螺栓采用扭矩法时的分散系数(扭矩系数最大值/扭矩系数最小值)范围控制在1.25以内。

进一步地，所述的润滑剂、涂抹方式、螺纹的精度等级、相配合的表面的粗糙度、表面处理方式、螺栓型号规格、温度与扭矩、预紧力及扭矩系数三者之间的关系依据下面原则判定：

1）在同一台风机的高强螺栓中采用同一种润滑剂；润滑剂的选择是很重要，不同的润滑剂的润滑效果、对外界因素的敏感度也是不同的，且在风机的各个部位应尽量统一成一种；考虑了不同润滑剂产生的扭矩系数的差异性，通过相关实验选择合理的润滑剂，确保该润滑剂的润滑效果和稳定性，并将风机各个部位螺栓连接统一成一种润滑剂，避免了混用的风险；考虑了不同润滑剂产生的扭矩系数的差异性，通过相关实验选择合理的润滑剂，确保该润滑剂的润滑效果和稳定性，并将风机各个部位螺栓连接统一成一种润滑剂，避免了混用的风险；

2）润滑剂的涂抹方式采取既涂螺纹又涂螺母与螺栓结合面的方式；润滑剂的涂抹方式则直接影响到扭矩系数的稳定性，比如只涂螺纹的方式其稳定型是非常差的，在一组8套螺栓扭矩系数的试验中，方差会大于国家标准规定的0.01的范围，而采用既涂螺纹又涂螺母与螺栓结合面的方式则稳定性要好很多，能够将方差控制在国家标准要求的范围；

3）螺纹的精度对螺栓扭矩系数也是有影响的，相配合的内外螺纹间隙越大扭矩系数就越小，反之则越大，因此，要严格控制内外螺栓的公差范围在6g、6H范围内；

4）相配合面的表面粗糙度也会影响到扭矩系数，表面越粗糙，扭矩系数越大，因此，在技术要求里要严格规定表面粗糙度的范围，各个部位应保持一致性要求；

5）不同的表面处理方式也是会影响到螺栓的扭矩系数的，比如热镀锌和达克罗处理导致的扭矩系数值差异很大，且不同厂家的相同的表面处理方式也会导致扭矩系数有差别，因此在制定技术要求的时候必须区别对待，且需要求厂家严格控制每批次的工艺，尽量保持一致性；

6）螺栓规格对扭矩系数也是有影响的，不管是从理论方面还是实验方面都是经过验证的，因此在制定技术要求时一定要针对不同的规格区别对待，螺栓规格越大，扭矩系数越小；

7）温度也会影响到螺栓扭矩系数，通常螺栓厂家的扭矩系数都是在室温+25°C完成的，而我们实际施工的温度可能是-30°C，温度差别比较大，因此实际扭矩系数应在实验数据的基础上进行修正，每降低10摄氏度，扭矩系数K值增加1%；

通过上述因素的控制，即可将每种型号规格螺栓的扭矩系数都控制在一个比较合理的范围。

进一步地，确定风力发电机组高强螺栓预紧力准确施加方法的步骤是：

第一步，在螺栓头螺栓和螺母、垫圈的加工工艺中，通过加工设备和工艺将所有参与配合的表面的粗糙度控制在Ra1.6~ Ra3.2之间；

第二步，在螺栓头螺栓和螺母的螺纹加工过程中，通过生产设备将螺栓、螺母的螺纹精度等级控制在6g、6H的范围内；

第三步，连接副统一采用锌铬涂层（也叫达克罗）表面处理方式，该方式防腐能力强且表面比较光滑，表面处理设备须定期检查和维护，以保证工艺的稳定性；

第四步，按照下面扭矩法公式确定扭矩；

T=K·F·d 

式中： T－扭矩 N·m 

       K－扭矩系数

       F－预紧力（也称轴力 KN）

       d－螺纹的公称直径 mm

其中，扭矩系数由于根据前面步骤的处理，扭矩系数将相对比较稳定，因此可以按照最大扭矩系数与最小扭矩系数的比值不超过1.25并结合实验的方式选取，通常取中间值，比如M30的螺栓取0.11，M36的螺栓取0.105；预紧力是根据VDI2230标准并结合有限元计算的原则选取，通常取最大预紧力和最小预紧力的平均值，由于不同部位的载荷不同，预紧力的取值也相应不同。

第五步，根据现场环境温度对实验室的扭矩系数数据进行修正，每降低10摄氏度，扭矩系数K值增加1%；

第六步，在施工过程中统一采用Molykote G-Rapid Plus Paste润滑剂，且涂抹方式为螺纹啮合段及螺母（或螺栓头）与垫圈贴合面（扳手旋转端）两处（见附图2）；在涂抹的过程中先用刷子（毛较硬的那种）在螺栓1与螺母2的结合部位3均匀涂抹润滑剂4；涂抹长度为螺栓1的螺纹部分的1/2，厚度以能覆盖螺纹表面为标准。不能露出螺纹，也不能流淌。然后在螺母2与下部垫圈5贴合面6或螺栓头1与上部垫圈7贴合面8上均匀涂抹润滑剂。

第七步，采用有液压显示的棘轮棘爪式扳手进行紧固，扳手应尽可能匀速、低速运行。

通过上述因素的控制，即可将每种型号规格螺栓的扭矩系数都能控制在一个合理的范围，比如M30的螺栓可以控制在0.1~0.12，M36的螺栓可以控制在,0.095~0.105，即最大扭矩系数与最小扭矩系数的比值能够控制在1.25内。

本发明的优点在于：

1、本发明几乎考虑到了所有影响扭矩系数的因素，结合理论和实验能够将每种规格螺栓的扭矩系数控制在设计需要的范围；

2、本发明在严格控制上述影响因素的情况下，能够保证每批次螺栓都能采用同一个紧固力矩值， 降低了各种管理成本和维护费用，也大大降低了风机的使用风险，提高了寿命；

3、本发明是在前端控制各种影响因素，不改变原有的紧固方法，操作简单，且不增加任何使用成本；

4、 本发明对于其他行业涉及到的螺栓扭矩法紧固方式同样具有指导意义，可以全面推广。

Claims (7)

1.一种风力发电机组高强螺栓预紧力准确施加方法，其特征在于，根据高强螺栓拧紧时的润滑剂、涂抹方式、螺纹的精度等级、相配合面的表面粗糙度、表面处理方式、螺栓型号规格和温度对扭矩系数的影响因素，依据扭矩法的原理确定扭矩系数，并通过控制润滑剂、涂抹方式、螺纹的精度等级、相配合的表面的粗糙度、表面处理方式、螺栓型号规格和温度的控制将每批次每种规格螺栓采用扭矩法时的分散系数范围控制在1.25以内。

2.如权利要求1所述的风力发电机组高强螺栓预紧力准确施加方法，其特征在于，所述的润滑剂、涂抹方式、螺纹的精度等级、相配合的表面的粗糙度、表面处理方式、螺栓型号规格、温度与扭矩、预紧力及扭矩系数三者之间的关系依据下面原则判定：

1）在同一台风机的高强螺栓中采用同一种润滑剂；

2）润滑剂的涂抹方式采取既涂螺纹又涂螺母与垫圈结合面的方式；

3）螺纹的精度对螺栓扭矩系数也是有影响的，相配合的内外螺纹间隙越大扭矩系数就越小，反之则越大，因此，严格控制内外螺栓的公差在6g、6H的范围内；

4）相配合面的表面粗糙度也会影响到扭矩系数，表面越粗糙，扭矩系数越大，因此，在技术要求里要严格规定表面粗糙度的范围，各个部位应保持一致性要求；

5）不同的表面处理方式也是会影响到螺栓的扭矩系数的，在制定技术要求的时候必须区别对待，且需要求厂家严格控制每批次的工艺，尽量保持一致性；

6）螺栓规格对扭矩系数也是有影响的，在制定技术要求时针对不同的规格区别对待，螺栓规格越大，扭矩系数越小；

7）温度也会影响到螺栓扭矩系数，通常螺栓厂家的扭矩系数都是在室温+25°C完成的，而我们实际施工的温度可能是-30°C，温度差别比较大，因此实际扭矩系数应在实验数据的基础上进行修正，以每降低10摄氏度，扭矩系数K值增加1%；

通过上述因素的控制，即可将每种型号规格螺栓的扭矩系数都控制在一个比较合理的范围。

3.如权利要求2所述的风力发电机组高强螺栓预紧力准确施加方法，其特征在于，确定风力发电机组高强螺栓预紧力准确施加方法的步骤是：

第一步，在螺栓和螺母、垫圈的加工工艺中，通过加工设备和工艺将所有参与配合的表面的粗糙度控制在Ra1.6~ Ra3.2之间；

第二步，在螺栓和螺母的螺纹加工过程中，通过生产设备将螺栓、螺母的螺纹精度等级控制在6g、6H的范围内；

第三步，连接副统一采用锌铬涂层表面处理方式，该方式防腐能力强且表面比较光滑，表面处理设备须定期检查和维护，以保证工艺的稳定性；

第四步，按照下面扭矩法公式确定扭矩；

T=K·F·d 

式中： T－扭矩 N·m 

       K－扭矩系数

       F－预紧力（也称轴力 KN）

       d－螺纹的公称直径 mm

其中，扭矩系数由于根据前面步骤的处理，扭矩系数将相对比较稳定，因此可以按照最大扭矩系数与最小扭矩系数的比值不超过1.25并结合实验的方式选取；

第五步，根据现场环境温度对实验室的扭矩系数数据进行修正，以每降低10摄氏度，扭矩系数K值增加1%；

第六步，在施工过程中统一采用Molykote G-Rapid Plus Paste润滑剂，且涂抹方式为螺纹啮合段及螺母或螺栓头与垫圈贴合面两处；

第七步，采用有液压显示的棘轮棘爪式扳手进行紧固，扳手应尽可能匀速、低速运行。

4.如权利要求3所述的风力发电机组高强螺栓预紧力准确施加方法，其特征在于，扭矩系数为最大扭矩系数与最小扭矩系数的比值中间值。

5.如权利要求3所述的风力发电机组高强螺栓预紧力准确施加方法，其特征在于，预紧力是根据VDI2230标准并结合有限元计算的原则选取。

6.如权利要求5所述的风力发电机组高强螺栓预紧力准确施加方法，其特征在于，预紧力取最大预紧力和最小预紧力的平均值，由于不同部位的载荷不同，预紧力的取值也相应不同。

7.如权利要求3所述的风力发电机组高强螺栓预紧力准确施加方法，其特征在于，在实施步骤六中，在涂抹的过程中先用刷子在螺栓头与螺母的结合部位均匀涂抹润滑剂；涂抹长度为螺栓头的螺纹部分的1/2，厚度以能覆盖螺纹表面为标准；在涂抹的过程中先用刷子在螺栓头与螺母的结合部位均匀涂抹润滑剂，以能覆盖螺纹表面为标准；

不能露出螺纹，也不能流淌；然后在螺母与垫圈贴合面或螺栓头与垫圈贴合面，分别在螺母、螺栓头和垫圈贴合面上均匀涂抹润滑剂。

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