CN109202797A - 有限空间内螺栓快速拆装构件及风机叶片螺栓拆装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种有限空间内螺栓快速拆装构件及风机叶片螺栓拆装方法，包括延长杆，延长杆的一端设有电动扳手连接头，电动扳手连接头的端面上开设有多边形的连接盲孔，延长杆的另一端设有多边形的螺栓连接头，采用本发明的有益效果是通过延长杆延长了电动扳手的输出端的可操作空间，将延长杆穿过风机轮毂上的螺栓叶片螺栓观察孔后螺栓连接头插装在待拆卸螺栓端面的内六角拆卸盲孔内，即可利用电动扳手拆、装螺栓，此装置与传统的人工拆、装相比效率提升了5‑7倍。

Description

有限空间内螺栓快速拆装构件及风机叶片螺栓拆装方法

技术领域

本发明涉及风机螺栓拆卸领域，具体涉及有限空间内螺栓快速拆装构件及 风机叶片螺栓拆装方法。

背景技术

风能是当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生洁净能源。风能发 电为人与自然和谐发展提供了基础。我国的风力发电始于20世纪50年代后期， 自上世纪80年代中期引进55kW容量等级的风电机投入商业化运行开始，经过 二三十年的发展，我国的风电市场已经获得了长足的发展，到2017年底，我国 风电累计并网装机容量达到16400万kW，位居世界第一。2020年我国风电累 计并网容量将达到20500万千瓦，未来三年，我国还将新增4132万千瓦风电并 网容量，风电规模化发展使各项技术经济指标进一步增强。

风机主要由塔架、叶片、发电机、机械部件和电气部件组成，其中叶片是 通过螺栓固定在风机轮毂上的。更换叶片连接螺栓时，需要穿过轮毂上的叶片 螺栓观察孔取出待拆卸螺栓。由于连接螺栓和风机轮毂之间的间距过于狭窄， 无法使用电动扳手拆卸螺栓，只能采用分工方式手工拆卸。而风机叶片连接螺 栓众多，且通过变桨仅有一颗螺栓能正对轮毂上的叶片观察孔，若采用手工方 式逐颗拆、装螺栓，费时费力，工作效率极其低下。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种有限空间内螺栓快速拆装构件及风 机叶片螺栓拆装方法。

技术方案如下：一种有限空间内螺栓快速拆装构件，其关键在于：包括延 长杆，该延长杆的一端设有电动扳手连接头，所述电动扳手连接头的端面上开 设有多边形的连接盲孔，所述延长杆的另一端设有多边形的螺栓连接头。采用 上述技术方案，将本构件的电动扳手连接头与电动扳手的输出端连接在一起， 通过延长杆延长了电动扳手的输出端的可操作空间，将延长杆穿过风机轮毂上 的叶片螺栓观察孔后螺栓连接头插装在待拆、装螺栓端面的内六角拆卸盲孔内， 即可利用电动扳手拆、装螺栓，此装置与传统的人工拆、装相比效率提升了5-7 倍。

优选地，上述连接盲孔的孔壁上开设有扳手锁紧槽，该扳手锁紧槽的槽心 线与所述连接盲孔的孔心线垂直。采用此结构，对于输出端具有突出的锁紧钢 珠类的电动扳手，将电动扳手的输出端插入连接盲孔后，电动扳手的锁紧钢珠 卡入扳手锁紧槽内，从而使电动扳手的输出端与本构件之间连接更紧固，防止 使用过程中脱出。

上述电动扳手连接头上开设有插销孔，该插销孔内插设有锁紧插销，所述 锁紧插销的内端穿过所述连接盲孔后插设在所述锁紧槽内。采用此结构，对于 一些输出端通过插销固定的电动扳手，将电动扳手的输出端插入连接盲孔后， 将锁紧插销穿过电动扳手上的插孔后其内端插入扳手锁紧槽内，从而使电动扳 手的输出端与本构件之间连接更紧固，防止使用过程中脱出。

上述电动扳手连接头呈圆柱状，所述电动扳手连接头的柱面上开设有环形 的箍紧槽，该锁紧槽内套箍有锁紧圈，所述锁紧圈箍紧在所述锁紧插销的外端 上。采用此结构，通过锁紧圈将锁紧插销的端部箍紧，防止其因震动而脱出。

上述连接盲孔为正方形孔，该正方形孔的四角分别设有圆弧状的倒角。采 用此结构，方形孔能有效防止电动扳手的输出端旋转时从连接盲孔内跳出，而 方形孔四角的倒角一方面能有效消除开孔处的应力集中，同时也方便了电动扳 手与电动扳手连接头的连接。

上述电动扳手连接头的端面中部凹陷形成对接面，所述连接盲孔位于所述 对接面中部，所述对接面外侧的所述电动扳手连接头的端面形成环形的抵紧面。 采用此结构，方便电动扳手与电动扳手连接头的连接对准和抵紧。

上述螺栓连接头为六角形。采用此结构，更容易拆、装螺栓。

一种风机叶片螺栓拆装方法，其关键在于：

具体步骤如下：

(1)叶轮位置调整：将待更换螺栓的叶轮盘车至“Y”字型位置，拧紧叶 轮机械锁，人员进入轮毂后确定斜向上的两支叶片为待更换叶片，将变桨控制 柜打开调至“手动变桨”状态，并测试手动变桨，测试结束后通过手动变桨， 将待拆卸的叶片上的螺栓对准主机轮毂上的叶片螺栓观察孔；

(2)螺栓的取出：利用液压扳手卸掉待拆卸的叶片连接螺栓端部的螺母， 然后将电动扳手连接头通过所述连接盲孔插设在电动扳手的输出端上，从而将 电动扳手与有限空间内螺栓快速拆装构件组装在一起，接着将所述延长杆的内 端穿过叶片螺栓观察孔后对准待拆卸的叶片连接螺栓，将延长杆内端上的螺栓 连接头插入待拆卸的叶片连接螺栓端面上的拆卸盲孔内，启动电动扳手将螺栓 拆出；

(3)安装新螺栓：将新螺栓插入更换下来的螺栓处，并再次利用电动扳手 和有限空间内螺栓快速拆装构件将新螺栓拧紧，然后用液压扳手将新螺母拧紧 在新螺栓的端部上，拧紧新螺母时，先用液压扳手对该螺母打75％的目标扭矩， 然后再打100％目标扭矩，其中目标扭矩的计算方式如下：

叶片重力对叶根产生的弯矩：

ω＝m·g·A (1)

式中：ω为弯矩；m为叶片质量；A为叶片重心到叶根的水平距离。

取叶根分析：

式中：D为叶根直径；F₁、F₂分别为叶根上、下部分受力。

单根螺栓受力为：

式中：n为单只叶片上的叶片连接螺栓个数，式(3)得到的力矩F即为每 个螺母需要增加的目标扭矩的大小。

采用上述技术方案，(1)采用上述的有限空间内螺栓快速拆卸构件进行拆 装，减少施工人员数量，有效降低操作人员的劳动强度；

(2)单支叶片施工人员减少后，可在风电机组轮毂的狭小空间内同时进行 两支叶片更换，同时能将拆卸工期缩短时间超过2/3。

优选地，采用“十字交叉”法拆装整个叶片上的所有叶片连接螺栓。

有益效果：采用本发明的有益效果是通过延长杆延长了电动扳手的输出端 的可操作空间，将延长杆穿过风机轮毂上的螺栓叶片螺栓观察孔后螺栓连接头 插装在待拆卸螺栓端面的内六角孔内，即可利用电动扳手拆卸螺栓，此装置与 传统的人工拆卸相比效率提升了5-7倍。

由采用电动扳手后，减少单支风机叶片更换人员，可在风力机组轮毂狭小 的空间内同时进行两支叶片更换，大大提高风机叶片连接螺栓更换效率，减少 风机停运时间。单台风机(三支叶片)停机时间相比普遍采用的人工更换(仅 能更换单支叶片)减少一半。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的仰视图；

图3为图1的A-A’剖视图；

图4为拆除锁紧插销和锁紧圈后本发明的结构示意图；

图5为图4的B-B’剖视图；

图6为待拆卸螺栓的风机局部结构示意图；

图7叶片受力情况分析。

其中，1、延长杆；2、电动扳手连接头；3、螺栓连接头；4、连接盲孔；5、 扳手锁紧槽；6、插销孔；7、箍紧槽；8、抵紧面；9、锁紧圈；10、锁紧插销； 11、对接面；12、变桨大齿轮；13、叶片连接螺栓；14、叶片连接螺栓端面上 的内六角拆卸盲孔；15、轮毂；16、叶片螺栓观察孔；17、风机轮毂及变桨轴 承部分。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1，如图1-5所示，一种有限空间内螺栓快速拆卸构件，包括延长杆 1，该延长杆1的一端设有电动扳手连接头2，所述电动扳手连接头2的端面上 开设有多边形的连接盲孔4，所述延长杆1的另一端设有多边形的螺栓连接头3。

所述电动扳手连接头2的端面中部凹陷形成对接面11，所述连接盲孔4位 于所述对接面11中部，所述对接面11外侧的所述电动扳手连接头2的端面形 成环形的抵紧面8，所述连接盲孔4为正方形孔，该正方形孔的四角分别设有圆 弧状的倒角，所述螺栓连接头3为六角形，所述电动扳手连接头2、延长杆1和 螺栓连接头3一体成型，其材质为工具钢。

所述连接盲孔4的孔壁上开设有扳手锁紧槽5，该扳手锁紧槽5的槽心线与 所述连接盲孔4的孔心线垂直。

所述电动扳手连接头2呈圆柱状，所述电动扳手连接头2的柱面上开设有 环形的箍紧槽7，所述箍紧槽7的槽底开设有插销孔6，所述插销孔6内插设有 锁紧插销10，所述锁紧插销10的内端穿过所述连接盲孔4后插设在所述锁紧槽 5内，所述箍紧槽7内套箍有锁紧圈9，所述锁紧圈9箍紧在所述锁紧插销10 的外端上，所述锁紧圈9具有弹性，这样方便安装和拆卸锁紧圈9。

延长杆1的直径为φ20，长300mm，螺栓连接头3为公制M10内六角。

实施例2，如图6所示，风机轮毂及变桨轴承部分17，其中变桨大齿轮12 上具有非常多待拆卸的叶片连接螺栓13，这些叶片连接螺栓13长度较长，且风 机轮毂及变桨轴承部分17的轮毂15与变桨大齿轮12之间的间隙非常窄小无法 容纳下电动扳手，传统的拆卸方式之一是大型吊装设备将叶片从风电机组上拆 下后吊至地面，人工将叶片上的螺栓一点一点拧出后经轮毂15上预开设的叶片 螺栓观察孔16拆出、更换，然后再用吊装设备将叶片组装到风机上。这种处理 方式存在以下几个问题：

(1)消耗大量人力、物力和财力；

(2)受天气影响大(要求风速必须低于6米/秒，否则就要停工)；

(3)工程耗时长，影响机组可利用率；

(4)需要专业吊装团队，过程复杂且有更多安全隐患，吊装费用高达20 万元。

另一种垂直更换方法则是将需要更换叶片连接螺栓13的叶片盘车至垂直于 水平方向位置，更换完一只叶片后，再将需要更换螺栓的另一只叶片盘车至相 同位置。这种方法的缺点是人员劳动强度大，必须配置较多人员，而轮毂内空 间狭小，只能一组人员同时操作，盘车一次只能换一只叶片的螺栓，需要反复 进出轮毂，工程耗时较长。

由此本发明提供一种风机叶片螺栓拆装方法，具体拆装步骤如下：

(1)叶轮位置调整：将待更换螺栓的叶轮盘车至“Y”字型位置(即其中 两个叶片朝上，一个叶片垂直朝下)，拧紧叶轮机械锁，人员进入轮毂后确定 斜向上30°的两支叶片为待更换叶片，将变桨控制柜打开调至“手动变桨”状 态，并测试手动变桨，测试结束后通过手动变桨将待拆卸的叶片上的螺栓对准 主机轮毂上的叶片螺栓观察孔；

(2)组装拆装工具：对于国产牧田6905H类型的电动扳手具体组装步骤为：

拆下锁紧圈9，取出锁紧插销10，将电动扳手连接头2通过所述连接盲孔4 插设在电动扳手的输出端上，将锁紧插销10插入插销孔6内并穿过电动扳手输 出端上对应的插销过孔后，锁紧插销10的内端插设在扳手锁紧槽5内，从而将 电动扳手与有限空间内螺栓快速拆装构件紧密连接在一起，接着将锁紧圈9箍 紧在箍紧槽7内从而将锁紧插销10的外端箍住，组装完成；

(3)螺栓的取出：将待更换螺栓的叶片上的所有叶片连接螺栓进行编号， 以联合动力UP2000-115型2MW机组为例，一支叶片共有64颗叶片连接螺栓， 64颗叶片连接螺栓围绕叶片的根部呈环形分布，按照1-64编好序号后，先用液 压扳手将1-5序号的叶片连接螺栓上的旧螺母拆除，再利用组装好的拆装工具将 1-5序号的叶片连接螺栓13拆除，具体拆除过程为：

将组装好的拆装工具的延长杆1的内端穿过轮毂15上的叶片螺栓观察孔16 后对准待拆卸的叶片连接螺栓13，将延长杆1内端上的螺栓连接头3插入待拆 卸的叶片连接螺栓13端面上的内六角拆卸盲孔14内，启动电动扳手拧出叶片 连接螺栓13即可。

(4)安装新螺栓：将新螺栓插入更换下来的螺栓处，并再次利用电动扳手 和有限空间内螺栓快速拆装构件将新螺栓拧紧，然后用液压扳手将新螺母拧紧 在新螺栓的端部上，拧紧新螺母时分两次操作，第一次先打75％的目标扭矩， 第二次打100％的目标扭矩，其中目标扭矩计算方式如下：

如图7所示，当叶轮处于正“Y”字型时，斜向上的叶片与垂直的叶片受力 区别在于：斜向上的叶片叶根受叶片重力产生的弯矩，需在原来规定的力矩上 增加一部分力矩以抵消弯矩，就可以保证螺栓的预紧力达到要求。

叶片重力对叶根产生的弯矩：

ω＝m·g·A (1)

式中：ω为弯矩；m为叶片质量；A为叶片重心到叶根的水平距离。

取叶根分析：

式中：D为叶根直径；F₁、F₂分别为叶根上、下部分受力。

单根螺栓受力为：

式中：n为单只叶片上的叶片连接螺栓个数，式(3)得到的力矩F即为每 个螺母需要增加的目标扭矩的大小。需要注意的是，在考虑增加目标力矩时必 须验证增加的目标力矩不会使螺栓超过静强度设计值，否则在长期运行中会严 重损伤螺栓。

1-5序号的叶片连接螺栓更换后再用同样的方法将其对角的33-37号的叶片 连接螺栓拆除并更换新螺栓，根据“十字交叉”法原理，将17-21序号、49-53 序号的叶片连接螺栓对角拆除，安装螺栓方法同上，以此类推。

在批量性更换螺栓的过程中，绝大多数叶片连接螺栓是没有断裂的，如果 采用以往的人工方式取出，将会花费很长时间。使用管钳或扳手取出一根完好 的叶片连接螺栓需要10-20分钟(遇到螺杆O形圈断裂或密封胶较多时，时间 更长)，而使用本方法后，平均每根叶片连接螺栓只需要3分钟，在节省人员 体力的同时拆卸工期缩短时间超过2/3。

实施例3，一种风机叶片螺栓拆装方法，本实施例与实施例2的不同之处在 于，对于美国产Milwaukee类型的电动扳手步骤(2)中组装拆装工具的具体过 程如下：

首先，拆下锁紧圈9，取出锁紧插销10，将电动扳手连接头2通过所述连 接盲孔4插设在电动扳手的输出端上，电动扳手输出端上的锁紧钢珠卡紧在锁 紧槽5内，从而将电动扳手与有限空间内螺栓快速拆装构件紧密连接在一起。

吊车更换、垂直人工更换(单纯采用人工手动更换，一次只能更换一个叶 片)、垂直电动扳手更换(采用本发明提供的有限空间内螺栓快速拆装构件配 合电动扳手更换，一次只能更换一个叶片)和本发明提供的“Y”字型更换(采 用本发明提供的有限空间内螺栓快速拆装构件配合电动扳手更换，一次能更换 两个叶片)，四种方法的效益(2MW风电机组，日负荷率20％，0.61元/千瓦 时(含税))对比如表1所示。

表1四种方案效益对比

另外，采用本发明提供的“Y”字型更换，可实现三组人(共12人)，同 时开工3台风机即：其中2组8人一天更换1台风机的2支叶片、另1组4人 一天更换2台的各一只叶片，第二天再交换即可达到两天更换3台风机，通过 交叉工作面，实现1天更换4支叶片，且使用电动扳手，能够保持长时间连续 工作，利用大风天气休息即可，而使用人工更换，休息时间及频次必须大大增 加。

可见，与传统的两种方案相比，特别是与更换费用高达20万的吊车更换相 比，“Y”字型更换方案扩大了工作面、减少了工作人员数量，配合电动扳手的 使用降低了劳动强度、提高了工作效率，减少了停机时间，大幅度提高了机组 可利用率。在实施过程中甚至出现一组(8人)当天完成一台风机3支叶片的情况。 在大批量更换的过程中，本方案带来的效益是非常可观的。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通 技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以 做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种有限空间内螺栓快速拆装构件，其特征在于：包括延长杆(1)，该延长杆(1)的一端设有电动扳手连接头(2)，所述电动扳手连接头(2)的端面上开设有多边形的连接盲孔(4)，所述延长杆(1)的另一端设有多边形的螺栓连接头(3)。

2.根据权利要求1所述的有限空间内螺栓快速拆装构件，其特征在于：所述连接盲孔(4)的孔壁上开设有扳手锁紧槽(5)，该扳手锁紧槽(5)的槽心线与所述连接盲孔(4)的孔心线垂直。

3.根据权利要求2所述的有限空间内螺栓快速拆装构件，其特征在于：所述电动扳手连接头(2)上开设有插销孔(6)，该插销孔(6)内插设有锁紧插销(10)，所述锁紧插销(10)的内端穿过所述连接盲孔(4)后插设在所述扳手锁紧槽(5)内。

4.根据权利要求3所述的有限空间内螺栓快速拆装构件，其特征在于：所述电动扳手连接头(2)呈圆柱状，所述电动扳手连接头(2)的柱面上开设有环形的箍紧槽(7)，该箍紧槽(7)内套箍有锁紧圈(9)，所述锁紧圈(9)箍紧在所述锁紧插销(10)的外端上。

5.根据权利要求1-4任一项所述的有限空间内螺栓快速拆装构件，其特征在于：所述连接盲孔(4)为正方形孔，该正方形孔的四角分别设有圆弧状的倒角。

6.根据权利要求5所述的有限空间内螺栓快速拆装构件，其特征在于：所述电动扳手连接头(2)的端面中部凹陷形成对接面(11)，所述连接盲孔(4)位于所述对接面(11)中部，所述对接面(11)外侧的所述电动扳手连接头(2)的端面形成环形的抵紧面(8)。

7.根据权利要求1所述的有限空间内螺栓快速拆装构件，其特征在于：所述螺栓连接头(3)为六角形。

8.一种风机叶片螺栓拆装方法，其特征在于采用权利要求1-7任一项所述的有限空间内螺栓快速拆卸构件进行拆装，具体步骤如下：

(1)叶轮位置调整：将待更换螺栓的叶轮盘车至“Y”字型位置，拧紧叶轮机械锁，人员进入轮毂后确定斜向上的两支叶片为待更换叶片，将变桨控制柜打开调至“手动变桨”状态，并测试手动变桨，测试结束后通过手动变桨将待拆卸的叶片上的螺栓对准主机轮毂上的叶片螺栓观察孔；

(2)螺栓的取出：利用液压扳手卸掉待拆卸的叶片连接螺栓端部的螺母，然后将电动扳手连接头(2)通过所述连接盲孔(4)插设在电动扳手的输出端上，从而将电动扳手与有限空间内螺栓快速拆装构件组装在一起，接着将所述延长杆(1)的内端穿过叶片螺栓观察孔后对准待拆卸的叶片连接螺栓，将延长杆(1)内端上的螺栓连接头(3)插入待拆卸的叶片连接螺栓端面上的拆卸盲孔内，启动电动扳手将螺栓拆出；

(3)安装新螺栓：将新螺栓插入更换下来的螺栓处，并再次利用电动扳手和有限空间内螺栓快速拆装构件将新螺栓拧紧，然后用液压扳手将新螺母拧紧在新螺栓的端部上，拧紧新螺母时，先用液压扳手对该螺母打75％的目标扭矩，然后再打100％目标扭矩，其中目标扭矩的计算方式如下：

叶片重力对叶根产生的弯矩：

ω＝m·g·A (1)

式中：ω为弯矩；m为叶片质量；A为叶片重心到叶根的水平距离。

取叶根分析：

式中：D为叶根直径；F₁、F₂分别为叶根上、下部分受力。

单根螺栓受力为：

式中：n为单只叶片上的叶片连接螺栓个数，式(3)得到的力矩F即为每个螺母需要增加的目标扭矩的大小。

9.根据权利要求8所述的风机叶片螺栓拆装方法，其特征在于：采用“十字交叉”法拆装整个叶片上的所有叶片连接螺栓。