白淑偉 卞余兵 吳秋敏

（1．江蘇龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司，南通 226000；2.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，濟(jì)南 250031）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承螺栓連接長(zhǎng)期承受動(dòng)態(tài)載荷，容易出現(xiàn)疲勞損壞。為提高整機(jī)安全性，對(duì)變槳軸承螺栓連接進(jìn)行疲勞分析具有重要意義[1]。國(guó)內(nèi)已針對(duì)該問(wèn)題展開(kāi)了廣泛研究，其中王明軍指出螺栓的徑向交變載荷是變槳連接螺栓疲勞斷裂的主要原因[2]，提出使用均載螺母減小應(yīng)力集中，降低連接螺栓的剛度，增加變槳軸承與輪轂鑄件之間、變槳軸承與葉片之間的連接剛度，嚴(yán)格控制連接螺栓的預(yù)緊力等措施，均能有效降低應(yīng)力幅，增加葉片及變槳軸承連接螺栓的疲勞壽命。高培昱為尋找導(dǎo)致連接螺栓斷裂的根本原因，提出一種基于Schmidtand-Neuper模型的連接螺栓斷裂故障診斷方法，并驗(yàn)證了該方法的合理性和可行性[3]。江純偉發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)高強(qiáng)度螺栓斷裂是氫及應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的氫脆斷裂，并建議嚴(yán)格按照除氫工藝中規(guī)定的時(shí)間及溫度進(jìn)行控制[4]。

1 螺栓斷裂問(wèn)題描述

斷裂螺栓位于變槳軸承內(nèi)圈和輪轂連接處，多發(fā)生在0°位置或距其不遠(yuǎn)處，斷裂根數(shù)一根至多根不等，且變槳軸承與輪轂連接螺栓斷面位置多數(shù)出現(xiàn)在螺紋嚙合第一扣和螺紋加工收尾處，具體見(jiàn)圖1。

圖2螺栓斷口形貌疲勞輝紋明顯，裂源起始位置磨損嚴(yán)重；擴(kuò)展區(qū)有輕微起伏現(xiàn)象，面積較大，約占整個(gè)斷面積的90%；斷裂區(qū)面積較小，根據(jù)斷口判斷為平斷口；斷裂面垂直于螺栓的軸向，屬于典型的疲勞斷口。該斷口可分為疲勞源區(qū)（Ⅰ區(qū)）、疲勞裂紋擴(kuò)展（Ⅱ區(qū)）和斷裂區(qū)（Ⅲ區(qū)）。裂紋在Ⅰ區(qū)產(chǎn)生后，在交變應(yīng)力作用下向Ⅱ區(qū)擴(kuò)展。因?yàn)榱鸭y忽張忽合，所以斷口有效截面積減小。當(dāng)截面上的應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，出現(xiàn)Ⅲ區(qū)。

圖1 變槳軸承螺栓斷裂位置

2 斷裂原因分析

根據(jù)螺栓實(shí)際工況，分析螺栓斷裂的可能原因。

2.1 預(yù)緊力不足

預(yù)緊可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強(qiáng)度，增強(qiáng)連接的緊密性和剛性。事實(shí)上，大量的試驗(yàn)和使用經(jīng)驗(yàn)證明：較高的預(yù)緊力對(duì)連接的可靠性和被連接的壽命都是有益的，特別對(duì)有密封要求的連接更為必要。但是，若預(yù)緊力控制不當(dāng)或者偶然過(guò)載，也常會(huì)導(dǎo)致連接失效。過(guò)低的預(yù)緊力容易導(dǎo)致螺栓松動(dòng)，造成連接法蘭面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而出現(xiàn)螺栓孔錯(cuò)位問(wèn)題。錯(cuò)位后螺栓孔會(huì)造成螺栓承受剪切載荷而導(dǎo)致螺栓剪切斷裂。

圖2 變槳軸承斷裂螺栓斷面形貌

2.2 潤(rùn)滑問(wèn)題

潤(rùn)滑問(wèn)題影響扭矩系數(shù)，導(dǎo)致扭矩系數(shù)離散增大，預(yù)緊力離散增大，螺栓組聯(lián)接中各螺栓承載不均，在機(jī)組運(yùn)行后導(dǎo)致螺栓斷裂。施加力矩與實(shí)際力矩存在偏差，若潤(rùn)滑方式不標(biāo)準(zhǔn)，可能會(huì)導(dǎo)致螺紋之間的摩擦力增大。這樣施加的力矩會(huì)減小，導(dǎo)致預(yù)緊力不足，從而使抵抗扭矩的摩擦力不足。正常情況下，螺母支撐面的摩擦力分擔(dān)約為緊固力矩的50%，其中螺紋之間的摩擦力約分擔(dān)總緊固力矩的40%，螺栓約分擔(dān)10%。若潤(rùn)滑不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致各分擔(dān)力矩發(fā)生變化，特別是潤(rùn)滑不足會(huì)導(dǎo)致實(shí)際施加預(yù)緊力減小時(shí)發(fā)生軸承和輪轂的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，出現(xiàn)螺栓承受剪切力被切斷的問(wèn)題。

2.3 裝配問(wèn)題

在螺栓安裝過(guò)程中，變槳軸承與輪轂的連接螺栓孔同心度無(wú)法保證，導(dǎo)致部分螺栓光桿在軸承和輪轂連接面處承受剪切力。當(dāng)風(fēng)機(jī)槳葉在變槳時(shí)會(huì)對(duì)軸承產(chǎn)生極大的剪切力，剪切力超過(guò)螺栓抗剪切強(qiáng)度時(shí)，螺栓會(huì)發(fā)生斷裂。

2.4 加工工藝問(wèn)題

螺栓進(jìn)行滾絲螺紋加工時(shí)，在最后一扣螺紋處存在應(yīng)力集中。應(yīng)力集中會(huì)使物體產(chǎn)生疲勞裂紋，也會(huì)使脆性材料制成的零件發(fā)生靜載斷裂。

2.5 疲勞斷裂

疲勞斷裂是指由于在局部應(yīng)力集中或強(qiáng)度較低部位先產(chǎn)生裂紋而后裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的斷裂。圖3為載荷應(yīng)力幅S與導(dǎo)致斷裂的載荷循環(huán)次數(shù)N之間關(guān)系的圖形。應(yīng)力幅S越小，疲勞壽命N越長(zhǎng)；反之，施加的應(yīng)力幅越大，疲勞壽命越短。

圖3 螺栓S-N曲線

鋼制件存在一個(gè)門檻值，只要設(shè)定循環(huán)應(yīng)力低于一定的振幅，無(wú)論循環(huán)次數(shù)是多少，都不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，而處于這個(gè)門檻的應(yīng)力幅值稱之為疲勞極限。螺栓易發(fā)生斷裂區(qū)域主要包括與內(nèi)螺紋嚙合的尾部（第一扣前的牙底）、螺紋不完整處和頭下圓角位置（若無(wú)圓角則不予考慮）[5]。螺栓的疲勞失效區(qū)域和應(yīng)力集中系數(shù)αk的關(guān)系，如圖4所示。

2.6 延遲斷裂

如果螺栓緊固好后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的放置螺栓突然發(fā)生斷裂，稱這種現(xiàn)象叫做延遲斷裂。這種斷裂既不是過(guò)度擰緊或過(guò)載導(dǎo)致的靜態(tài)失效，也不是交變載荷引起的疲勞斷裂。此種斷裂原因還沒(méi)有清晰的分析研究，主要支撐論據(jù)是氫脆斷裂理論[6]，即氫進(jìn)入螺栓導(dǎo)致螺栓失效，普遍認(rèn)為是由材料強(qiáng)度、應(yīng)力集中、變形比和環(huán)境導(dǎo)致的。

圖4 螺栓的疲勞失效區(qū)域和應(yīng)力集中系數(shù)αk

2.7 金相組織

金屬熱處理工藝存在問(wèn)題，使螺栓零件組織狀態(tài)不正常，螺栓的強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的等級(jí)要求，導(dǎo)致螺栓發(fā)生斷裂。

2.8 非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)

螺栓和螺母未在松動(dòng)的方向上發(fā)生旋轉(zhuǎn)，軸向預(yù)緊力也會(huì)降低。彈性變形存在著使其恢復(fù)原形的力，軸向預(yù)緊力的產(chǎn)生是螺栓發(fā)生彈性伸長(zhǎng)和被連接件發(fā)生彈性壓縮的結(jié)果。螺栓的彈性伸長(zhǎng)減小了或被連接件的彈性壓縮減小了，螺栓的軸向預(yù)緊力也將減小，導(dǎo)致松動(dòng)。

3 解決方案

3.1 解決思路

通過(guò)對(duì)螺栓斷裂的系統(tǒng)性分析結(jié)果，主要從以下幾個(gè)方面分析解決。首先，螺栓孔徑向錯(cuò)位導(dǎo)正，優(yōu)化螺栓結(jié)構(gòu)（存在徑向接觸也避免軸承螺栓孔對(duì)螺栓的沖擊），測(cè)試驗(yàn)證更換工藝確保螺栓預(yù)緊質(zhì)量。其次，在進(jìn)行安裝或批量更換前需要保證螺栓的金屬熱處理工藝符合相關(guān)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，即要進(jìn)行金相組織化驗(yàn)和力學(xué)性能測(cè)試。再次，建立螺栓更換質(zhì)量控制規(guī)范，保證施工人員正確操作。進(jìn)行裝配時(shí)，嚴(yán)格按照工藝規(guī)范進(jìn)行安裝，包含固體潤(rùn)滑劑（如二硫化鉬）的涂抹標(biāo)準(zhǔn)、液壓站的數(shù)值校核、變槳軸承和輪轂裝配孔的同心度以及施工力矩等。最后，通過(guò)斷口分析方法進(jìn)行研究。斷口分析包括肉眼觀察或使用光學(xué)或電子顯微鏡觀察，然后將觀察結(jié)果與已知斷裂表面類型的照片進(jìn)行比較，找到相似之處，從而找到斷裂原因。

3.2 螺栓結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了解決螺栓斷裂問(wèn)題，對(duì)螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使用細(xì)徑的螺栓對(duì)變槳軸承螺栓進(jìn)行更換，主要有如下優(yōu)點(diǎn)：可有效避開(kāi)由于個(gè)別機(jī)組存在裝配誤差引起的變槳軸承螺栓孔對(duì)螺栓桿部徑向方向的接觸，提高螺栓安裝容錯(cuò)能力；細(xì)徑可降低螺栓載荷因子，降低螺栓安裝難度；螺栓細(xì)徑部分與螺紋部分為等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，與原設(shè)計(jì)的螺栓具有力矩的一致性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)變槳軸承螺栓孔徑略小，當(dāng)安裝不標(biāo)準(zhǔn)時(shí)易發(fā)生剪切螺栓現(xiàn)象?？梢钥紤]減小螺栓光桿直徑，減細(xì)螺栓桿部，使螺桿桿部直徑小于螺紋小徑，使得螺栓更易伸長(zhǎng)和彎曲，也使系統(tǒng)變得不易松動(dòng)，內(nèi)力系數(shù)比較小。變槳軸承螺栓斷裂機(jī)理是非常復(fù)雜的問(wèn)題，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和相關(guān)理論不斷進(jìn)行探索研究。