武飛　常寶軍　顧富斌　彭沖

摘　要：本文采用壓力傳感器、NI采集模塊組成的載荷測試系統對螺栓所受到的載荷進行分析，結合螺栓連接的預緊力、應力幅等因素對螺栓連接中螺栓的斷裂原因進行了初步探討，初步判斷出螺栓斷裂原因，并給出改進意見。

關鍵詞：風力發電機組；變槳軸承；輪轂；螺栓；斷裂

1　背景

某項目現場的7#, 31#, 27#機組變槳軸承與輪毅聯接雙頭螺栓出現斷裂情況，其中2013年6月13日發現7#機組螺栓斷裂2顆，2013年8月16日發現31#機組螺栓斷裂1顆，2013年9月22日、10月及2014年1月14日發現27#機組螺栓斷裂各1顆。

變槳軸承與輪毅聯接處厚度均為169mm，雙頭螺柱露出變槳軸承長度為70±1m，輪毅內M30螺紋。孔光孔深度為12m。即雙頭螺柱與輪毅旋合扣的距離L=169+70+12+3.5（一個螺距）=254.5mm.現場檢查該機組的相鄰螺栓及另外兩支葉片上的聯接螺栓，未發現螺栓松動，機組未見其他異常。該批斷裂螺栓強度等級為10.9級，由圖1可以看出，兩顆螺栓斷裂位置均為螺栓與螺紋孔旋合Z后一扣位置。

圖1：變槳軸承連接輪毅螺栓斷裂位置

現場找到一顆完整斷裂螺栓，斷面清晰，見圖2、圖3。由圖中可以看出，該螺栓斷口為典型的疲勞斷口，有明顯的貝紋狀疲勞線。由線條很細膩可以看出，造成螺栓疲勞撕裂的應力幅值較小，Z后斷裂位置區域很小，也能說明這一點（該顆螺栓是在更換過程中，拆卸時擰斷）。

為方便描述斷裂螺栓所在位置，特按以下規則對螺栓位置進行編號：葉片順槳，斷螺栓的軸承對應的葉片鎖定在左側斜向上方向，站在葉根，面向變槳軸承，以右手邊固定變槳柜支架螺栓左側顆螺栓編號為1#，逆時針方向依次為2#、3#--59#、60#，如圖1所示。以上機組螺栓斷裂位置見表1。

圖4：螺栓位置編號

表1：螺栓斷裂位置統計

2　測試方案

由于設備局限，本次共使用8個壓力傳感器，因此傳感器布置位置有限。由表1可知，螺栓斷裂主要集中在1#到7#螺栓位，故此處作為布放傳感器的重點位置，為與該部位做對比，重點部位對稱方向及垂直方向各布置1顆傳感器，各螺栓位置與傳感器對應的編號為：1#螺栓一1#傳感器、3#螺栓一2#傳感器、4#螺栓一3#傳感器、6#螺栓一4#傳感器、52#螺栓一5#傳感器、7#螺栓一6#傳感器、22#螺栓一7#傳感器、37#螺栓一8#傳感器，機組在正常工作時（葉片在0度位置），葉片翼緣與傳感器布置位置見圖5。

由于需要測得機組滿發功率以上大風數據，因此本采集系統通過無線網絡，實現了遠程控制，能夠在遠程實現對不同風速和轉速的數據采集。

圖5：機組上實際安裝傳感器情況

測試系統由NI的Compact RIO模塊組成，能夠實時采集并存儲載荷數據。采樣率設定在lOHz（Z高可設定在lOkHz）。壓力傳感器在使用前先進行標定，以確保數據的準確性。同時，測試系統通過無線網絡連接，能夠實現遠程的操作，方便在選定風速段下進行數據采集并存儲。

3　測試數據

本次測試一共對3臺機組五只葉片的不同風速風況進行了測試，得到了5只葉片在小風以及滿發條件下的螺栓受力數據。由于測試周期有限，沒有得到風速大于14米/秒以上的數據。本次現場測試時，所使用的扭矩倍增器和力矩扳手均校驗過，并且每次都用的新螺栓。圖6為3#葉片機組在滿發情況下，各個傳感器螺栓受力情況。

圖6：31#機組3#葉片實際受力圖

圖7：空轉到靜止狀態圖

圖8：靜止到運行并網

圖9：信號比對

圖7和圖8是葉輪空轉到靜止以及靜止到運行并網的螺栓受力圖。將4#, 7#, 8#和5#傳感器的想栓載荷（預緊力）時域圖以同樣的直流信號進行對比（如圖9)，可以看出螺栓受力規律，且載翁周期同葉輪轉頻一致，不存在跳變。

圖10：變槳螺栓360度應力幅值變化趨勢

表2：3#葉片在不同工況下螺栓受力及應力幅值

由表2可以看出，在1#-10#螺栓所處位置受到的工作載荷引起的應力幅值較大。其中，4#和6#螺栓的應力幅值達到了20Mpa左右，是引起疲勞斷裂的主要原因。

表3：螺栓預緊力統計

表3為在現場用扭矩倍增器緊固螺栓后的預緊力統計。

4　測試結論及建議

4.1結論

通過上述測試和數據分析可以得出以下結論：

1)變槳軸承與輪毅連接螺栓的受力主要受到葉片自重和風載荷的影響，當站在上風向面向風機，葉片處于三點鐘位置時,葉根處受力Z大。對于螺栓所受工作載荷來說，應力幅值Z大區域位于1＃-10#螺栓位置，且應力幅值超過20Mpa。

2)通過對5只葉片批次測量到的安裝預緊力Z終值，說明扭矩倍增器離散性很大，標準偏差和平均值的比值在8%-12%。在按照標準力矩值施工時，Z大預緊力甚至達到了570KN,Z小力矩值只有360KN。

造成現場使用扭矩倍增器緊固螺栓造成結果離散性很大的一個原因是操作原因。由于葉根部位空間狹窄，且葉輪鎖定角度一般為Y字型，扭矩倍增器安放時始終處于傾斜狀態，現場更換螺栓的工程師操作的動作的差別，都會導致結果的不一致。這一點，在現場測試時也得到驗證。

圖 11

4.2建議

根據以上數據和結論，給出以下建議：

1)現場更換螺栓時，嚴格按照螺栓更換工藝，盡量使用精度高的力矩工具，并且將葉輪鎖定在倒Y字型，需要更換螺栓的葉片處于垂直向上位置；

2)針對運行數據中應力幅較高的區域，建議增加螺栓墊片厚度，如圖11所示。使用增長的螺栓和加厚的墊片，可以有效的降低其疲勞載荷。

（來源：全國風電后市場專題研討會）