CN114251341A - 一种风电机组高强螺栓紧固方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电机组高强螺栓紧固方法，属于风电机组机械工程技术领域。该方法采用自反作用垫圈，自反作用垫圈放置在风电机组高强螺栓螺母下，使用自反作用力臂液压机具紧固风电机组高强度螺栓，具体为：液压机具的液压驱动套筒下端和自反作用垫圈的导向齿相啮合，将反作用力传递到自反作用垫圈的齿面，采用屈服极限控制法紧固方式进行紧固，当螺栓被紧固到产生塑形变形时，即紧固梯度△M/△θ开始减小，当△M/△θ下降到达弹性变形阶段最大的紧固梯度的50%时，判断此时达到螺栓的屈服极限点，停止紧固。采用本发明方法紧固螺栓不需要额外的反作用力臂支靠，可实现螺栓载荷和预紧力的精确控制，减少螺栓的松动和疲劳，易于推广应用。

Description

一种风电机组高强螺栓紧固方法

技术领域

本发明属于风电机组机械工程技术领域，具体涉及一种风电机组高强螺栓紧固方法。

背景技术

近年来，国内外风电发展势头迅猛。2018年底，我国风电累计装机达到1.84亿千瓦，我国继续保持全球第一风电装机、第一风电机组制造大国的地位。按照风电机组定检规范，每年需要对风电机组的所有高强螺栓进行一次力矩定检，经新能源公司云南分公司统计，每台风电机组螺栓定检费用约为3000元，每年用于所属风电场706台风电机组的螺栓力矩定检费用约为212万元。另据了解，国内有些风电场的风电机组从投产之日起高强螺栓断裂的事情时有发生，严重影响风电机组的安全运行。此外，塔筒高强螺栓如果发生松动或断裂，将导致塔筒振动增大，甚至造成倒塔事故。

从高强螺栓的断裂原因分析来看，螺栓存在质量问题的很少见，往往是存在设计缺陷、法兰盘工艺缺陷或在高强螺栓安装维护过程中由于螺栓紧固方式的局限造成预紧力不均匀、螺栓发生超拧、松动等情况导致螺栓疲劳断裂的情况居多。传统的液压扳手紧固方式由于反作用力臂的存在会产生偏载力，使螺栓受到反转力矩。反转力矩使螺栓螺母在相对转动过程中应力集中，大幅增大螺栓与螺母螺牙的摩擦力，而且摩擦力的增加是不可预估的，往往造成预紧力不均匀、螺栓发生超拧、松动等情况，最终导致螺栓疲劳断裂。

目前，各科研机构主要局限于螺栓断裂后的材质分析、断口的失效原因分析，对螺栓紧固方式的分析较少。对于风电高强螺栓的研究，吉林龙源风力发电有限公司朱哲等人的分析比较具有代表性，能够切合风电行业的特点。根据其研究，风电机组高强螺栓使用中的问题有：①由于高强度螺栓校验工具使用不规范，力矩扳手在使用前不校验或使用不合格的力矩扳手等，都会导致检修工艺和检修质量的不确定性；②高强度螺栓的校验过程中，检修人员的责任心、技术能力、更甚至是体力，都是校验质量的决定因素。在现场的实际检修工作中，曾经发生过检修人员擅自降低螺栓校验力矩，造成螺栓维护不到位的情况；③高强度螺栓校验时间跟随定期维护周期。高强度螺栓的过维护与欠维护状态都会是风电机组安全运行的隐患，高强度螺栓的过维护将会导致金属疲劳，影响螺栓的使用寿命，产生断裂、塑性变形、失效等后果；欠维护将会导致连接副摩擦力降低，产生预紧力减弱进而松动的后果。

从国内外研究情况看，各行业对螺栓紧固方式的研究普遍关注度较低，但从螺栓连接使用较多的石化行业首先得到了改变。英国UKOOA统计表明：每100起法兰泄漏事故，有81起是因为不正确的螺栓载荷，即预紧力不当造成的，传统的紧固方法成了法兰泄漏的罪魁祸首。中国设备管理协会无泄漏无松动螺栓施工技术中心在无反作用力臂紧固螺栓技术研究上已取得突破，将促进我国石化企业装备制造业的转型升级，彻底消除因法兰泄漏和螺栓松动引发的灾难性事故。

目前，在风电行业尚无风电机组高强螺栓使用自反作用、屈服法紧固方式的研究，也无实际应用研究数据证明对防止螺栓断裂和松动更加有效，与其他紧固方式对比的研究基本保持空白。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种风电机组高强螺栓紧固方法，采用本发明方法紧固螺栓不需要额外的反作用力臂支靠，可实现螺栓载荷和预紧力的精确控制，减少螺栓的松动和疲劳，易于推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种风电机组高强螺栓紧固方法，采用自反作用垫圈；

所述的自反作用垫圈中间设有圆孔，圆孔内设有定心螺牙环；自反作用垫圈的外圈均匀布设有多个导向齿；自反作用垫圈底部表面设有滚花条纹；顶部表面光滑；

自反作用垫圈放置在风电机组高强螺栓螺母下，使用自反作用力臂液压机具紧固风电机组高强度螺栓，具体为：液压机具的液压驱动套筒下端和自反作用垫圈的导向齿相啮合，将反作用力传递到自反作用垫圈的齿面，采用屈服极限控制法紧固方式进行紧固，当螺栓被紧固到弹性变形结束，开始产生塑性变形时，即紧固梯度△M/△θ开始减小，当△M/△θ下降到达弹性变形阶段最大的紧固梯度（直线段确定的最大值）的50%时，判断此时达到螺栓的屈服极限点，停止紧固；△M表示螺栓扭矩的差值，△θ表示螺栓扭转角度的差值。

进一步，优选的是，圆孔内设有带有三圈螺纹的定心螺牙环。

进一步，优选的是，使用凯特克智能泵进行屈服极限控制法紧固方式进行紧固。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明提供的风电机组高强螺栓预紧固控制方法，通过采用自反作用紧固方式，减少紧固过程中螺栓与螺母不同心产生的偏载、弯矩；在风机塔筒第一、二层法兰高强度螺栓上，使用智能泵采用“屈服极限控制法”紧固，螺栓紧固过程基本不受摩擦力的影响，比普通扭矩紧固的效果要好得多，还能获得比普通扭矩紧固更大的预紧力，并且整个系统在智能紧固的监控下，不会造成螺栓过载、螺栓拉断等情况。本发明方法可充分挖掘紧固件的潜能，优化紧固件的尺寸，提高螺栓连接的疲劳寿命，有助于提高紧固的效率和实现轻量化设计，实现更加科学有效防止风电机组高强螺栓发生松动和断裂。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例采用的自反作用力垫圈的主视结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为本发明实施例采用的自反作用力垫圈的后视结构示意图；

图4为图3的B-B剖视图；

图5为自反作用力垫圈工作原理图；其中，a为工作初始，b为操作时，c为工作结束；

图6为本发明风电机组高强螺栓紧固方法的原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术、连接关系或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术、连接关系、条件或者按照产品说明书进行。所用材料、仪器或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接””到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

请参看图1~图5，图1~图4为本发明实施例采用的自反作用垫圈的结构示意图；

在风电机组高强螺栓常规螺母下面用一个自反作用力垫圈，代替了常规的平垫圈；使用凯特克智能泵（型号：Eco2Touch）进行屈服极限控制法紧固方式的紧固；使用自反作用力臂液压机具（型号：AVANTI-10）紧固风电机组高强度螺栓，可实现尽可能地减少紧固过程中螺栓与螺母不同心产生的偏载、弯矩；当螺栓被紧固到产生细微的塑性变形时，紧固梯度（△M/△θ）会开始减小，通常该值下降到达直线段确定的最大值（弹性变形阶段最大的紧固梯度）的50%时认为达到屈服极限点，智能泵可自动停止紧固，螺栓在拉伸和扭矩复合作用下达到“屈服极限点”；为防止螺栓超出屈服极限点，同时设置最大扭矩限值，优选设置为安装手册规定扭矩值的1.2-1.3倍（设计使用的安全裕度）。

所述自反作用力垫圈外圈均匀布设有多个导向齿，该垫圈底部与法兰的接触面为了增加摩擦力，加工了幅向滚花条纹，该垫圈上部与螺母的接触面为了减少摩擦力，加工得很光滑。

使用该垫圈将液压机具紧固过程产生的反作用力均匀地分散在垫圈与设备结合的滚花面上，由于反作用力呈周向分布并且在整个圆周上自动互相平衡，因此不再需要额外的反作用力臂。专用的双层驱动器的外层壳体与垫圈的外缘导向齿相结合传递反作用力，内层六角套筒传递驱动力转动螺母，外层壳体与垫圈保持固定的同时内层套筒转动普通螺母，螺母就被轴向拉伸，不需要借助其它任何反作用力支点。在螺栓紧固过程中没有偏载，大大减小了螺栓所受到的弯矩，工作原理图如图5所示。

所述自反作用力臂液压机具紧固螺栓工作原理：液压驱动套筒下端和垫圈的导向齿相啮合，将反作用力传递到垫圈的齿面，螺栓在紧固时被垂直拉伸，没有偏载，可以将螺栓的预紧力精度控制在±5%～10%之间。

使用凯特克智能泵（型号：Eco2Touch）进行屈服极限控制法紧固方式的原理：

（1）螺栓通常是被应力周期性变化的振幅造成损坏，而不是被紧固到一个较高的预紧力（如95%的屈服极限）损坏。

（2）采用本发明方法紧固到屈服极限点，并不是纯拉伸试验下的屈服极限点，而是螺栓在承受扭转和螺母锁紧转动时产生拉伸的复合作用达到的“offset yield point”，它比实际的σ0.2（螺栓实际的屈服极限点）要稍低。紧固完成后由于扭转应力的消失，螺栓表现为实际预紧力对应的应力值相对屈服强度的百分比降低约10-20%。

（3）螺母紧固过程中，如图6，当螺栓处于弹性区域时，螺母锁紧转动的角度与获得扭矩的曲线与材料的应力-应变曲线类似，呈现线性的比例关系；智能泵通过实时获得转动的角度和输出扭矩的数值，并实时计算该紧固梯度（△M/△θ），在弹性区域时，该值理论上是一个不变的常数，但实际紧固中因摩擦力等影响下一直处于不断变化；当螺栓被紧固到产生细微的塑性变形时，该紧固梯度会开始减小，通常该值下降到达直线段确定的最大值（弹性变形阶段最大的紧固梯度）的50%时认为达到屈服极限点，智能泵自动停止紧固，螺栓在拉伸和扭矩复合作用下达到“屈服极限点”，距离螺栓实际的拉伸测试状态下屈服极限点还差一段距离。本发明方法紧固拧紧系数αA可以用1.0进行设计和计算。

螺栓通过转动螺母的形式紧固到“屈服极限点”以后，紧固结束后随着扭转应力的消失和构件的应力松弛，预计螺栓仍然在弹性区域工作。如果有更高的附加力作用在螺栓上，螺栓仍然是先在弹性区域加载，超过螺栓材料本身具有的屈服极限点后螺栓的部份结构会立即塑化，会将轴向屈服点进一步提高（金属材料的冷作硬化特性）从而使螺栓的性能得到进一步提高。

使用智能泵进行屈服极限控制法紧固可对整个连接系统进行监控，将一组紧固件拧紧到屈服点并不意味着将每个紧固件都拧紧到完全相同的预紧力，不同的螺栓个体在几何尺寸和材料上的不同会引起一些载荷分散，因此达到屈服极限时转动的角度会不一样；采用本发明方法紧固基本不会受摩擦力的影响，比普通扭矩紧固的效果要好得多，还能获得比普通扭矩紧固更大的预紧力，并且整个系统在智能紧固的监控下，不会造成螺栓过载、螺栓拉断等情况。

紧固工艺上采用过程可靠的紧固方法，可以实现：采用更小规格的螺栓；螺栓的数量和直径可以减少；使用标准的高强度螺栓连接；不再需要定制非标螺栓；标准高强度螺栓可以重复使用；可以使用来自不同制造商的标准高强度螺栓；可以增加连接的抗疲劳强度；可以根据认证机构和审计机构的要求进行紧固；紧固可以按照指令（ISO；VDI-2862-2螺栓联接的分级与最低要求）进行；紧固过程的记录实现绝对的质量控制；可以与现有的标准液压扳手配套使用。

本发明实施例还提供了一种风电机组高强螺栓预紧力的测算方法，主要基于超声波测长仪与千分尺测量的风电机组高强螺栓预紧力测算方法。

所述超声波测长仪具有纵波超声测量功能，可通过测量超声纵波在紧固件中自由状态和紧固状态下的飞行声时差计算伸长量，从而得出紧固件预紧力；设备硬件超声部分高灵敏度微弱信号收发技术、数字控制50-400V激励可调，0-80dB增益可调，脉冲宽度可调，200M高速采样和数字信号处理技术，借助高性能滤波，回波智能捕获、识别、跟踪等技术、可自动化完成预紧力及温度的实时测量和解算。

所述数显千分尺作为第二种测量螺栓预紧力的仪器设备，其量程为300mm-400mm，测量精度为0.001mm，与所述风电机组高强螺栓长度相适应。

（1）超声波测长仪用于测试螺栓预紧力的工作原理为：超声波测长仪发射和接收超声波脉冲电信号、测量并计算发射和回波电信号之间时间差。螺栓在自由状态下，发射和接收电信号之间的时间差为T0，螺栓在紧固状态下，螺栓发射和接收电信号之间的时间差为T1，由此依据电信号收发时间差与螺栓的变形量的关系，得到螺栓的变形量：

，

式中，v为机械纵波在螺栓内的传播速度，最终由超声波测长仪主机依据ΔL并结合螺栓标定数据库（同一规格批次螺栓在扭拉作用下，螺栓预紧力F与螺栓变形量ΔL的对应关系数据库）可得到当前状态下的螺栓的预紧力。

（2）数显千分尺测试螺栓预紧力的工作原理为：使用数显千分尺分别测量螺栓在自由状态、紧固状态下的螺栓有效长度，计算出螺栓的变形量，再根据胡克定律反向计算预紧力：

，

式中，F为螺栓的预紧力；E为螺栓材质的弹性模量；S为螺栓截面积；ΔL为螺栓的变形量；L为螺栓副的装夹长度。

综上所述，本发明提供的风电机组高强螺栓紧固方法，通过采用自反作用紧固方式，减少紧固过程中螺栓与螺母不同心产生的偏载、弯矩；在风机塔筒第一、二层法兰高强度螺栓上，使用智能泵采用“屈服极限控制法”紧固，螺栓紧固过程基本不受摩擦力的影响，比普通扭矩紧固的效果要好得多，还能获得比普通扭矩紧固更大的预紧力，并且整个系统在智能紧固的监控下，不会造成螺栓过载、螺栓拉断等情况。采用本地买紧固方法可充分挖掘紧固件的潜能，优化紧固件的尺寸，提高螺栓连接的疲劳寿命，有助于提高紧固的效率和实现轻量化设计，更加科学有效防止风电机组高强螺栓发生松动和断裂。

本发明提供的风电机组高强螺栓预紧力测算方法，通过采用两种不同的螺栓预紧力测算方法，对高强螺栓预紧力进行独立测算，不同预紧力测算方法得到的数值再对比相互佐证。可以实现更加科学有效地对风电机组高强螺栓的预紧力的测算和控制，特别适用于风电机组高强度螺栓不同紧固方式下预紧力离散度对比分析研究。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种风电机组高强螺栓紧固方法，其特征在于，采用自反作用垫圈；

所述的自反作用垫圈中间设有圆孔，圆孔内设有定心螺牙环；自反作用垫圈的外圈均匀布设有多个导向齿；自反作用垫圈底部表面设有滚花条纹；顶部表面光滑；

自反作用垫圈放置在风电机组高强螺栓螺母下，使用自反作用力臂液压机具紧固风电机组高强度螺栓，具体为：液压机具的液压驱动套筒下端和自反作用垫圈的导向齿相啮合，将反作用力传递到自反作用垫圈的齿面，采用屈服极限控制法紧固方式进行紧固，当螺栓被紧固到弹性变形结束，开始产生塑性变形时，即紧固梯度△M/△θ开始减小，当△M/△θ下降到达弹性变形阶段最大的紧固梯度的50%时，判断此时达到螺栓的屈服极限点，停止紧固；△M表示螺栓扭矩的差值，△θ表示螺栓扭转角度的差值。

2.根据权利要求1所述的风电机组高强螺栓紧固方法，其特征在于，圆孔内设有带有三圈螺纹的定心螺牙环。

3.根据权利要求1所述的风电机组高强螺栓紧固方法，其特征在于，使用凯特克智能泵进行屈服极限控制法紧固方式进行紧固。

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