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風(fēng)機(jī)螺栓的安全設(shè)計(jì)探討

文檔作者：鄭大周王兵莫爾兵文檔來源：東方汽輪機(jī)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)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(jī)有限公司，四川德陽，618000)
摘 要：螺栓聯(lián)結(jié)是風(fēng)電機(jī)組中最主要的聯(lián)結(jié)方式之一，機(jī)組的主要部件幾乎全部采用螺栓聯(lián)結(jié)，因此螺栓的安全設(shè)計(jì)
及校核是風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)校核中非常關(guān)鍵的工作。由于影響螺栓聯(lián)結(jié)的因素很多，而每顆螺栓的材料特性、聯(lián)結(jié)環(huán)境及工作狀
態(tài)各不相同，因此準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)電機(jī)組每顆螺栓的安全及壽命十分困難。該文從螺栓聯(lián)結(jié)的基本原理出發(fā)，結(jié)合VDI
2230方法，系統(tǒng)闡述了風(fēng)機(jī)螺栓分析的理論依據(jù)，給出了螺栓安全設(shè)計(jì)中關(guān)鍵參數(shù)的確定方法，對風(fēng)電機(jī)組螺栓安全校
核具有重要的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；螺栓聯(lián)結(jié)；計(jì)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(jié)是風(fēng)機(jī)裝配中的一種重要方式，幾
乎涉及到風(fēng)機(jī)的所有部件。以雙饋機(jī)組為例，風(fēng)
機(jī)各段塔筒之間、塔筒與機(jī)架之問，機(jī)架與機(jī)頭
之問，機(jī)頭與葉片之間等重要的聯(lián)結(jié)都是通過螺
栓來實(shí)現(xiàn)的。因此，螺栓的選用和強(qiáng)度校核是風(fēng)
機(jī)可靠性的重要保證。
隨著我國風(fēng)電事業(yè)的跨越式發(fā)展，伴隨著風(fēng)
力發(fā)電成本不斷下降，風(fēng)電機(jī)組的價(jià)格也越來越
低，各大風(fēng)電制造企業(yè)的價(jià)格戰(zhàn)已經(jīng)進(jìn)入白熱化
階段。如何在降低成本的情況下，保證風(fēng)電機(jī)組
的質(zhì)量，成為各大風(fēng)電企業(yè)面臨的重要問題。螺
栓作為風(fēng)電設(shè)備的重要組成部分， 由于其各方面
特性的不確定性，成為風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中降低成本
的主要難點(diǎn)之一。
作者簡介：鄭大周(1981)，男，工程師，2009年畢業(yè)于燕山人學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與理論專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)從事新型風(fēng)機(jī)開發(fā)、風(fēng)機(jī)
結(jié)構(gòu)校核及風(fēng)電并網(wǎng)研究工作。
現(xiàn)階段，我國風(fēng)電機(jī)組的螺栓失效問題已經(jīng)
在聯(lián)結(jié)塔筒法蘭的高強(qiáng)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(shè)備運(yùn)行過程中發(fā)生螺栓
斷裂，造成風(fēng)機(jī)安全系數(shù)降低，嚴(yán)重者甚至造成
倒塌事故。
塔筒高強(qiáng)度螺栓出現(xiàn)這些問題的原因，除了
螺栓本身的產(chǎn)品質(zhì)量不合格外，設(shè)計(jì)過程中的理
論與經(jīng)驗(yàn)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(xué)計(jì)算兩種途徑來對螺栓的可靠性進(jìn)行設(shè)計(jì)
和校核。
在運(yùn)用有限元軟件進(jìn)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(yīng)變法
和等效溫度法來實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的加載。但是這些加
載方法，或者不能傳遞剪應(yīng)力，或者不能模擬現(xiàn)
實(shí)中螺栓與被聯(lián)結(jié)件的摩擦行為，且無法考慮螺
母松動(dòng)情況導(dǎo)致的預(yù)緊力損失，導(dǎo)致在實(shí)際的有
限元模擬過程中，產(chǎn)生的螺栓應(yīng)力偏大，因此一
般不作為風(fēng)機(jī)螺栓結(jié)構(gòu)校核的手段。
在進(jìn)行科學(xué)計(jì)算時(shí)，人們或者采用材料力學(xué)
理論進(jìn)行常規(guī)計(jì)算，或者采用高強(qiáng)度螺栓計(jì)算標(biāo)
準(zhǔn)(VD12230)來進(jìn)行計(jì)算。
3．1常規(guī)計(jì)算方法
塔筒法蘭的螺栓采用緊聯(lián)結(jié)，在工作載荷作
用之前，螺栓己受到預(yù)緊力F 的作用。此時(shí)螺栓
的受力狀態(tài)為復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)：包含螺紋力矩 產(chǎn)
生的切應(yīng)力 和預(yù)緊力F 產(chǎn)生的拉應(yīng)力 。根據(jù)
第四強(qiáng)度理論，此時(shí)產(chǎn)生的當(dāng)量拉應(yīng)力為：
廄 1
當(dāng)螺栓受到工作載荷以后，螺栓受到的總拉
力 并不等于預(yù)緊力F 和工作載荷 和。由于
工作載荷會(huì)造成螺栓和被聯(lián)結(jié)件變形，通過靜力
平衡和變形協(xié)調(diào)條件可求得螺栓的總拉力為工作
載荷F與殘余預(yù)緊力F”之和。
F F 七F
索言汔粉撥』
DONGFANG TURBINE I 1
假設(shè)C．和c，分別表示螺栓和被聯(lián)結(jié)件的剛度，
通過變形協(xié)調(diào)關(guān)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(yù)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(jié)件的材
料、結(jié)構(gòu)、尺寸及工作載荷的位置等。
如果螺栓的載荷過大，就會(huì)造成聯(lián)結(jié)出現(xiàn)裂
縫。為避免這種情況，必須保證殘余預(yù)緊力 ”大
于零。
確定殘余預(yù)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(bǔ)擰螺栓，螺栓可按式(3)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
<[o】 (3)
綜上所述，采用常規(guī)計(jì)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(yù)緊力。
(3)計(jì)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(jìn)行校核，如果
合適就進(jìn)行下一步驟，否則重新選擇螺栓。
(6)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。
(7)校核表面壓力。
3．2 VDI 2230準(zhǔn)則
與常規(guī)計(jì)算法相比，VDI 2230準(zhǔn)則考慮了預(yù)
緊時(shí)螺栓的松弛，高強(qiáng)度螺栓在擰緊后不久，預(yù)
緊力會(huì)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(yàn)得到的結(jié)果表
明：最后下沉量在2um以內(nèi)時(shí)的支撐壓力可作為
材料的“限界支承壓力” ，此時(shí)對預(yù)緊力的變化
影響很小。同時(shí)VDI 2230準(zhǔn)則還考慮了載荷引入
系數(shù)等參數(shù)，力爭通過科學(xué)計(jì)算求得各項(xiàng)參數(shù)，
更大限度地把經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行理論化。
采用VDI 2230準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)的步驟 如下：
(1)確定工作載荷。
(2)估計(jì)并定義螺栓尺寸。
(3)確定擰緊系數(shù)。
(4)確定殘余預(yù)緊力。
8 l詈 uRB NE
(5)確定比例系數(shù)和載荷引入系數(shù)。
(6)計(jì)算嵌入造成的預(yù)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(fù)前面步驟。
(8)校核螺栓強(qiáng)度。
(9)校核螺栓疲勞強(qiáng)度。
(10)校核表面壓力。
各步計(jì)算過程在VDI 2230準(zhǔn)則中都有詳細(xì)的
說明，在此不再進(jìn)行描述。
4．1載荷引入系數(shù)的確定
VDI 2230準(zhǔn)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(guān)，
螺栓在預(yù)緊力的作用下形成壓力錐，法蘭寬度、
厚度和螺距都會(huì)影響壓力錐的形成。當(dāng)螺栓受到
重載時(shí)，法蘭和螺栓在載荷作用下產(chǎn)生細(xì)微的變
形。法蘭平面開始傾斜，作用點(diǎn)位于壓力錐內(nèi)，
當(dāng)法蘭出現(xiàn)離縫時(shí)，作用點(diǎn)便會(huì)移出壓力錐。壓
力錐的變化，也將導(dǎo)致力導(dǎo)入位置的變化，力導(dǎo)
入位置越靠近接縫，螺栓所承受的附加力越小。
力導(dǎo)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(jì)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(fēng)機(jī)螺栓
計(jì)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(jì)算求得。
4．2高強(qiáng)度螺栓殘余預(yù)緊力的確定
依照國內(nèi)的計(jì)算方法，殘余預(yù)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(guān)：當(dāng)工作載荷沒有變化時(shí)，F(xiàn)”：
(0．2～0．6)F；當(dāng)工作載荷有變化時(shí)，F(xiàn)”：(0．6～1)F；
當(dāng)螺栓用于密封壓力容器時(shí)，F(xiàn)”=(1．5～1．8)F。
而根據(jù)VDI 2230準(zhǔn)則，螺栓的設(shè)計(jì)殘余預(yù)緊
力則需要通過屈服強(qiáng)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(jié)件之間的摩擦系數(shù)。
4．3高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)的確定
計(jì)算螺栓聯(lián)結(jié)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(dāng)量摩擦角， 為當(dāng)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(yù)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(shí)，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(jìn)行控制，是精確控制
預(yù)緊力的關(guān)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(yàn)值，也可以是計(jì)算值。美國鐵
路工程師學(xué)會(huì)規(guī)定 =O．2。西德1974年規(guī)定： 螺
栓涂二硫化鉬時(shí)，K=0．15～0．16：涂少量油時(shí)，
=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(jìn)行精確控制。螺距和牙
型角為螺栓的基本參數(shù)，只會(huì)在一定的公差范圍
內(nèi)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(diǎn)。
4．4高強(qiáng)度螺栓摩擦系數(shù)的確定
摩擦系數(shù)選擇過大時(shí)，在產(chǎn)生一定的預(yù)緊力
情況下，需要的預(yù)緊力矩將會(huì)很大，過大的預(yù)緊
力矩將會(huì)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(yù)緊力的
情況下，伴隨所需預(yù)緊力矩的減小，則相應(yīng)的用
于防松的摩擦力矩也會(huì)變小。
在一般情況下，風(fēng)機(jī)螺栓的摩擦系數(shù)應(yīng)控制
在一定的范圍內(nèi)，此范圍為經(jīng)驗(yàn)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(gè)范圍
內(nèi)，摩擦系數(shù)應(yīng)適當(dāng)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(nèi)的很多學(xué)者
對摩擦系數(shù)的計(jì)算進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，推導(dǎo)
了摩擦系數(shù)的計(jì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)測
定，通過實(shí)驗(yàn)的方法來確定摩擦系數(shù)。
4．5高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力的確定
對螺栓施加預(yù)緊力矩時(shí)，不同的扭緊方法，
也將影響預(yù)緊力的大小，為反映預(yù)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(biāo)準(zhǔn)離差，根據(jù)3 準(zhǔn)則，數(shù)據(jù)取值幾
乎全部集中在 一30，#+3a]qa，達(dá)到99．74％，但
一2a， +2 范圍內(nèi)亦達(dá)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(biāo)準(zhǔn)離差的值，進(jìn)
而影響分散系數(shù)，不同擰緊方法所對應(yīng)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(yù)緊力是一個(gè)隨機(jī)變量，
如何界定預(yù)緊力的范圍和采用何種方法進(jìn)行擰
緊，是工程人員通過經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到的。
在預(yù)緊力選擇過程中，預(yù)緊力越大，螺栓松
索言汔粉揍『
DONGFANG TURBINE I 9
動(dòng)的機(jī)率越小，但預(yù)緊力過大，將會(huì)造成螺栓過
載，而預(yù)緊力過小，將會(huì)增大螺栓的應(yīng)力幅，降
低螺栓的疲勞壽命。由于在風(fēng)機(jī)螺栓聯(lián)結(jié)中，螺
栓在傳遞軸向載荷的同時(shí)，還必須通過聯(lián)結(jié)件之
間的摩擦來傳遞橫向載荷，因此高強(qiáng)度螺栓必須
保證較大的裝配預(yù)緊力，以保證螺栓在承受交變
載荷時(shí)，仍保留足夠的殘余預(yù)緊力來傳遞橫向載
荷。與一般螺栓要求扭緊預(yù)緊力不得超過其材料
屈服極限的70％不同，高強(qiáng)度螺栓裝配時(shí)，預(yù)緊力
可以達(dá)到屈服極限的90％ 。
4．6高強(qiáng)度螺栓的失效形式
高強(qiáng)度螺栓的失效形式有：滑絲、松動(dòng)、疲
勞、斷裂、腐蝕等。有人提出螺栓跟轉(zhuǎn)也是失
效，但是筆者卻有不同的看法：因?yàn)槁菟ǜD(zhuǎn)的
原因是支撐面的摩擦力不能承受預(yù)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(zhǔn)確判定螺紋副之間的摩擦力(過小)， 同時(shí)也
無法確定預(yù)緊力(不達(dá)標(biāo))。因此在螺栓跟轉(zhuǎn)的
情況下，也可能達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)緊力， 同時(shí)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(dòng)，此時(shí)，我們可以認(rèn)為螺栓聯(lián)結(jié)是
有效的，但是由于跟轉(zhuǎn)時(shí)存在很多不確定性，因
此工程上應(yīng)盡量避免跟轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。
本文對風(fēng)機(jī)螺栓聯(lián)結(jié)的基本原理進(jìn)行了介
紹，對比了國內(nèi)的螺栓計(jì)算方法和德國螺栓VDI
2230計(jì)算方法，并對計(jì)算過程中的主要參數(shù)選擇
進(jìn)行了說明，對風(fēng)電機(jī)組螺栓設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)
意義。
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