預(yù)緊力對風(fēng)力發(fā)電機組偏航軸承螺栓的影響

張洪達，李懷剛，郭家沛

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

風(fēng)能作為一種能夠替代傳統(tǒng)能源的可再生清潔能源，開發(fā)風(fēng)電的必要性已取得世界各國的共識。風(fēng)力發(fā)電機組整體結(jié)構(gòu)高聳，受風(fēng)傾力矩影響明顯，機艙還會受到葉片轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的氣動載荷［1］。螺栓連接是風(fēng)力發(fā)電機組中最重要、使用最廣泛的連接方式，塔筒、主機架、輪轂與主軸等風(fēng)機重要部件都是通過高強度螺栓連接起來，所以確保連接風(fēng)機部件的螺栓具有足夠的自身強度和預(yù)緊力直接決定了風(fēng)力發(fā)電機組的整體結(jié)構(gòu)安全性和風(fēng)機載荷的順利傳遞［2］。塔筒與機艙是通過偏航軸承連接起來，偏航軸承起到旋轉(zhuǎn)主機架乃至整個機艙的作用。按驅(qū)動裝置劃分，偏航系統(tǒng)分為內(nèi)置式和外置式。在內(nèi)置式驅(qū)動偏航系統(tǒng)中，主機架與偏航軸承內(nèi)圈、塔筒與偏航軸承外圈通過高強度螺栓連接。偏航軸承連接螺栓既要承受外部風(fēng)載荷的傾覆力矩，又要將機艙和塔筒緊密連接在一起，屬于對整機結(jié)構(gòu)安全非常重要的區(qū)域［3］。

螺栓是通過施加沿螺栓軸向載荷將若干個連接件緊固到一起，這個過程施加的軸向載荷一般稱為安裝預(yù)緊力。預(yù)緊力主要是為了增加連接件之間的緊密性和穩(wěn)定性，避免在機組整個生命周期內(nèi)被連接件出現(xiàn)相對滑移或者縫隙［4］。雖然螺栓和風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計使用壽命都是20～25 年，但根據(jù)實際風(fēng)場反饋信息，部分螺栓還沒有達到設(shè)計使用壽命期限前就已經(jīng)斷裂，這其中一個重要原因就是螺栓預(yù)緊力的大小。

近幾年各風(fēng)力發(fā)電機組廠家在降本增效和建設(shè)工期的市場壓力下，部分項目可能存在實際安裝質(zhì)量不符合安裝工藝要求、螺栓預(yù)緊施工不當(dāng)、螺栓強度不達標(biāo)的現(xiàn)象，各類風(fēng)機倒塌的安全事故層出不窮［5］。2020年河北某風(fēng)電場11號風(fēng)機發(fā)生倒塔事故，造成本次事故的直接原因就是該風(fēng)機底部第一節(jié)與第二節(jié)塔筒連接螺栓斷裂；2014 年甘肅某項目風(fēng)機投產(chǎn)不到一年就出現(xiàn)風(fēng)機倒塌事故；2010 年山西某風(fēng)電項目剛通過240 h 驗收不到兩個月就發(fā)生嚴重的風(fēng)機倒塌事故，其中一個重要原因就是運行期間沒有按照規(guī)定對塔筒螺栓進行力矩檢查和復(fù)緊，甚至有些螺栓徒手就能擰動［6-9］。如果由于螺栓強度不達標(biāo)或者安裝施工不當(dāng)?shù)仍?，造成螺栓無法提供足夠的預(yù)緊力，很容易出現(xiàn)連接件松動現(xiàn)象，嚴重時會引起風(fēng)機倒塌的重大安全事故［10-11］，所以有必要研究清楚不同大小螺栓預(yù)緊力對連接構(gòu)件的預(yù)緊效果。

1 預(yù)緊力

與螺栓極限強度安全直接相關(guān)的螺栓最大預(yù)緊力P0的計算公式為［12］

式中：P′為安裝螺栓時施加的安裝預(yù)緊力；Kc為外載荷系數(shù)，Kc=C1/（C1+C2），C1和C2分別為螺栓和被連接件的剛度；P為螺栓受到的外部載荷。

獲取螺栓最大預(yù)緊力后計算螺栓極限強度的流程如下。提取螺栓的3 個應(yīng)力分量，即沿螺栓軸向拉應(yīng)力σax、螺栓彎曲應(yīng)力σbend，y、螺栓扭轉(zhuǎn)應(yīng)力σbend，z，然后計算螺栓結(jié)構(gòu)應(yīng)力其中，螺栓彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力σbend=M/W，M為彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩，W為螺栓抗彎橫截面模量；螺栓軸向應(yīng)力σax=Fx/A，F(xiàn)x為軸向拉力，A為螺栓橫截面積。

螺栓的極限安全系數(shù)SSRF計算公式為［13］

式中：RP，0.2為螺栓屈服強度；γm為材料安全系數(shù)，這里取1.1。

螺栓除了提供工作載荷以外，還會存在殘余預(yù)緊力FKR，主要用于壓緊接觸面，使其產(chǎn)生摩擦力以抵消切向載荷和接觸面相互滑動，從而保證螺栓安全。如圖1 所示，當(dāng)被連接件受到一個偏心外載荷時，被連接件的接觸面積會減小，受到的外載荷越大則接觸面積越小。

圖1 被連接件接觸面變化

Kc值與螺栓和被連接件的接觸剛度密切相關(guān)，被連接件剛度與接觸面積A大小成正比。假定外載荷P不變，接觸面積A的大小與預(yù)緊力P′相關(guān)。被連接件的接觸剛度C2、預(yù)緊力P′、外載荷P三者的關(guān)系如圖2 所示，被連接件剛度C2開始出現(xiàn)下降時的極限外載荷P會隨著預(yù)緊力P′增大而升高，即在相同外載荷P作用下，預(yù)緊力P′越大則被連接件剛度C2升高，Kc值越小，被連接件貼合越緊密而不易發(fā)生相對滑動。

圖2 剛度系數(shù)C2、預(yù)緊力P′、外載荷P三者的關(guān)系

現(xiàn)有的校核螺栓強度的理論方法主要包括Schmidt?Neuper 計算方法、VDI2230 規(guī)范計算、有限元分析方法［14］。Schmidt?Neuper法主要用于校核塔筒法蘭間的連接螺栓強度，適用范圍具有一定局限性；VDI2230 規(guī)范是德國工程師協(xié)會對大量實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計總結(jié)后提出的一套高強度螺栓連接設(shè)計標(biāo)準，使用簡單、業(yè)內(nèi)權(quán)威，但規(guī)范中很多參數(shù)需要依靠設(shè)計人員的主觀和經(jīng)驗確定，這時設(shè)計人員容易設(shè)定一個偏于安全的數(shù)值進而導(dǎo)致設(shè)計余量過大；有限元方法可以自行設(shè)定外部環(huán)境和載荷情況，通過計算和統(tǒng)計得出特定情況下螺栓和被連接件的應(yīng)力分布規(guī)律和特性。所以，本文采用有限元分析方法來探索風(fēng)力發(fā)電機組偏航軸承螺栓的預(yù)緊力對整體結(jié)構(gòu)的影響。

2 有限元模型

本研究借助有限元軟件ANSYS，建立某2.5 MW風(fēng)力發(fā)電機組的偏航軸承螺栓仿真分析模型，在外載荷保持不變的前提下，給偏航軸承內(nèi)外圈螺栓分別施加6 種占螺栓最大許用軸向載荷不同比例的預(yù)緊力，總結(jié)偏航軸承螺栓的應(yīng)力分布規(guī)律。表1 為本次選取的2.5 MW風(fēng)力發(fā)電機組的整機參數(shù)。

表1 風(fēng)力發(fā)電機組整機參數(shù)

2.1 幾何模型

由于風(fēng)機偏航軸承螺栓有限元模型較為復(fù)雜，所以需要先在Workbench 模塊中建立如圖3 所示的幾何模型，幾何模型包括主機架、軸承座、主軸、彈性支撐，然后去掉倒角、沉孔等容易造成網(wǎng)格畸形的幾何，對處理完畢的幾何模型劃分網(wǎng)格作為初步有限元模型。

圖3 幾何模型

2.2 有限元模型

將Workbench 模塊生成的初步有限元模型導(dǎo)入Mechanical 模塊進行二次處理，借助APDL 命令實現(xiàn)風(fēng)機有限元模型的參數(shù)化自動建模。在初步有限元模型的基礎(chǔ)上繼續(xù)添加制動盤、夾鉗、偏航軸承和部分塔筒筒體的網(wǎng)格模型，最終建立如圖4 所示的風(fēng)機偏航軸承螺栓完整有限元模型。

圖4 完整有限元模型

齒輪箱和發(fā)電機底架采用Mass21 結(jié)構(gòu)質(zhì)量點單元模擬，齒輪箱質(zhì)量點單元通過Beam188 梁單元關(guān)聯(lián)到主軸后端面和彈性支撐中心處，發(fā)電機底架質(zhì)量點單元通過Beam188 梁單元關(guān)聯(lián)到主機架后端面上；支撐齒輪箱的彈性支撐使用僅受壓的Link180單元將彈性支承中心處受到的載荷傳遞給彈性支撐，從而將載荷傳遞給主機架；主機架、主軸、塔筒筒體等大部件采用Solid185實體單元。主機架與彈性支撐、主機架與軸承座、軸承座與主軸之間建立綁定接觸。在邊界條件方面，約束塔筒底部的所有自由度。

葉片是風(fēng)機承受外部風(fēng)載荷的重要部件，風(fēng)機將風(fēng)載荷傳遞到塔底基礎(chǔ)的路徑依次為：葉片—輪轂—主軸—主機架—偏航軸承—塔筒。其中，主軸是將作用在風(fēng)輪葉片上的力及力矩直接傳遞到主機架和塔筒的重要部件，所以將輪轂中心點通過Beam188 梁單元關(guān)聯(lián)到主軸前端面，在輪轂中心施加風(fēng)載荷即可模擬風(fēng)載荷的加載和傳遞效果。

圖5 為偏航軸承及其連接螺栓局部網(wǎng)格模型。螺栓采用Beam188 梁單元，在螺栓中間創(chuàng)建Pres179單元施加軸向預(yù)緊拉力。偏航軸承滾子采用Link180單元模擬，載荷屬性為僅受壓，單元截面尺寸要根據(jù)滾球的數(shù)量和實際直徑而定。主機架與塔筒之間通過偏航軸承進行連接，主機架與偏航軸承之間由106顆M42 的10.9 螺栓連接，需要說明的是主機架與偏航軸承之間均布有108 個螺栓安裝孔，但在沿塔頂坐標(biāo)系Y軸方向的兩處位置不安裝螺栓，塔筒與偏航軸承之間由96 顆M36 的10.9 級螺栓連接。主機架與偏航軸承、塔筒與偏航軸承的裝配面之間建立摩擦接觸。

圖5 連接螺栓局部模型

為了便于闡述偏航軸承螺栓的極限應(yīng)力分布規(guī)律，對偏航軸承內(nèi)外圈螺栓進行編號，如圖6 所示。在從塔筒看向主機架的視角中，發(fā)電機底架在視角上方，輪轂在視角下方，視角上方正中間的螺栓為1號螺栓，順時針遞增螺栓編號。

圖6 偏航軸承內(nèi)外圈螺栓編號

2.3 載荷和工況

在風(fēng)機載荷里有3 個重要坐標(biāo)系，分別是輪轂靜態(tài)坐標(biāo)系、葉根坐標(biāo)系和塔筒坐標(biāo)系。對變槳軸承連接螺栓等葉片附屬結(jié)構(gòu)進行強度分析采用葉根坐標(biāo)系，對塔筒進行強度分析則采用塔筒坐標(biāo)系，而對塔筒、葉片以外的輪轂、軸承座、主機架、主軸等重要部件及其連接螺栓進行強度分析時一般采用輪轂靜態(tài)坐標(biāo)系。

按照IEC61400-1 設(shè)計標(biāo)準［15］規(guī)定，對風(fēng)力發(fā)電機組偏航軸承螺栓進行強度分析時采用輪轂靜態(tài)坐標(biāo)系，如圖7 所示。輪轂靜態(tài)坐標(biāo)系原點位于輪轂中心處，Xn軸沿風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸軸線，Zn軸垂直于Xn軸豎直向上，Yn軸沿水平方向且與Xn軸和Zn軸形成右手坐標(biāo)系。

圖7 輪轂靜態(tài)坐標(biāo)系

根據(jù)GL 規(guī)范［16］4.3.5.2 節(jié)的要求，在對偏航軸承連接螺栓靜強度分析過程中，工況分為預(yù)緊力工況和16 個極限工況，共17 個工況。極限工況主要分成兩類：抗彎曲和抗拉伸/壓縮工況。比如，極限工況Mymax 表示繞Yn軸正方向的最大彎矩，Mymin 工況表示繞Yn軸負方向的最大彎矩，主要用于評估風(fēng)機結(jié)構(gòu)的抗彎曲能力；極限工況Fzmax 表示沿Zn軸正方向的最大拉力，F(xiàn)zmin工況表示沿Zn軸負方向的最大壓力，主要用于評估風(fēng)機結(jié)構(gòu)的抗拉伸/壓縮能力。具體的加載方法是，將每個極限工況下的6 個自由度風(fēng)載荷（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Mx，My，Mz）施加在輪轂中心點處，然后通過Beam188 梁單元傳遞到主軸前端面，最終通過主機架傳遞到偏航軸承和塔筒。

2.4 不同預(yù)緊力方案

在確定螺栓預(yù)緊力時，需要先求得最小預(yù)緊力FMmin，如式（3）所示。

式中：FKerf為殘余預(yù)緊力，用于保證被連接件不滑移和接觸面不分離；FAmax為螺栓承受工作載荷后產(chǎn)生的最大附加荷載；FT為由于螺栓預(yù)緊時由嵌入和溫度變化引起的預(yù)緊力損失量。被連接件不滑移的條件是，切向滑移載荷小于由于殘余預(yù)緊力壓緊接觸面而產(chǎn)生的摩擦力。接觸面不分離的條件是，殘余預(yù)緊力大于軸向力FKP和偏心載荷FKA的合力。

螺栓在預(yù)緊緊固過程中會出現(xiàn)預(yù)緊力分散現(xiàn)象，由于預(yù)緊方式和工具的不同，初始預(yù)緊力FM分散在最小預(yù)緊力FMmin和最大預(yù)緊力FMmax之間，最大預(yù)緊力和最小預(yù)緊力的比例關(guān)系為擰緊系數(shù)aA=FMmax/FMmin，規(guī)范VDI2230 會根據(jù)預(yù)緊方式給出相應(yīng)的擰緊系數(shù)推薦值。獲得最小預(yù)緊力FMmin后，就可以參照VDI2230 規(guī)范得出最大預(yù)緊力FMmax。確定最大預(yù)緊力FMmax后，就可以給螺栓中間Pres179單元施加軸向預(yù)緊拉力，最終得到螺栓應(yīng)力結(jié)果。

當(dāng)采用扭矩法對螺栓進行緊固時，通過ANSYS計算得到的螺栓應(yīng)力值忽略了螺栓在擰緊過程中由于扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，評估螺栓的強度時還需要將剪切應(yīng)力考慮進去。

螺栓剪切應(yīng)力的計算公式為：

式中：MG為最大扭矩；FMzul為單個螺栓的預(yù)緊力；μGmin為螺栓與被連接件間的摩擦系數(shù)；d2為螺紋中徑；d0為等效應(yīng)力面積對應(yīng)的等效直徑；WP為螺桿剪切模量；τmax為最大剪切應(yīng)力。

預(yù)緊扭矩導(dǎo)致的螺栓應(yīng)力公式為

式中：kτ為0.5；σz，max為施加最大預(yù)緊力時螺栓的拉應(yīng)力。

螺栓的實際應(yīng)力計算式為

式中：σansys為ANSYS 計算得到的當(dāng)前工況下螺栓最大應(yīng)力；σpre為ANSYS 計算得到的預(yù)緊力工況下螺栓最大拉應(yīng)力。

螺栓靜強度標(biāo)準要求安全裕度大于0，安全裕度的定義式為

式中：σm為計算得到的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力；σs為材料的許用應(yīng)力，風(fēng)機經(jīng)常使用的10.9 級高強度螺栓許用應(yīng)力為940 MPa。

如表2 所示，本次研究將偏航軸承與塔筒、偏航軸承與主機架之間連接螺栓預(yù)緊產(chǎn)生的軸向力分別設(shè)定為如表所示的6 種占各螺栓最大許用軸向載荷不同比例的軸向載荷，然后對比總結(jié)各測試方案的螺栓應(yīng)力分布規(guī)律和特性。

表2 不同預(yù)緊力測試方案參數(shù)

3 計算結(jié)果

對測試方案中每顆螺栓的應(yīng)力結(jié)果進行統(tǒng)計后，得到不同測試方案下主機架、塔筒與偏航軸承連接螺栓所有工況應(yīng)力最大值，匯總成表3 和表4。由于本機型為內(nèi)驅(qū)式偏航軸承，所以主機架與偏航軸承連接螺栓為內(nèi)圈螺栓，塔筒與偏航軸承連接螺栓為外圈螺栓。

表3 主機架與偏航軸承連接螺栓極限應(yīng)力結(jié)果 單位：MPa

表4 塔筒與偏航軸承連接螺栓極限應(yīng)力結(jié)果 單位：MPa

從表3和表4可以看出，偏航軸承內(nèi)外圈螺栓應(yīng)力最大值都出現(xiàn)在MyzMax 工況，這時風(fēng)機處于俯仰狀態(tài)，即風(fēng)輪葉片向下壓、發(fā)電機底架向上升。表3和表4 對比分析表明，主機架與偏航軸承連接螺栓應(yīng)力最大值高于塔筒與偏航軸承連接螺栓，所以工程上應(yīng)該更加重視主機架與偏航軸承連接螺栓。

6 種測試方案內(nèi)外圈螺栓極限應(yīng)力如圖8 所示。從圖8 可以看出，隨著預(yù)緊力的增加，偏航軸承內(nèi)外圈螺栓應(yīng)力最大值也隨之升高，兩者基本呈線性關(guān)系。這是由于MyzMax 工況中風(fēng)機處于俯仰狀態(tài)，繞垂直軸的扭轉(zhuǎn)力矩較小，偏航軸承與主機架、塔筒接觸面之間幾乎不存在切向移動，所以這時偏航軸承內(nèi)外圈螺栓不需要抵消橫向剪切力和摩擦力，只需要提供軸向拉力。同時，這也是偏航軸承與主機架、塔筒接觸面之間的摩擦系數(shù)對偏航軸承內(nèi)外圈螺栓應(yīng)力結(jié)果影響不明顯的重要原因。

圖8 各測試方案內(nèi)外圈螺栓極限應(yīng)力

圖9 為MyzMax 工況下主機架與偏航軸承所有連接螺栓整體應(yīng)力分布。從主機架與偏航軸承連接螺栓的應(yīng)力分布區(qū)域來看，靠近風(fēng)輪葉片的前半部分螺栓應(yīng)力低于靠近發(fā)電機底架的后半部分螺栓應(yīng)力，這是由于MyzMax 工況下風(fēng)機處于俯仰狀態(tài)，偏航軸承后半部分只有螺栓能夠提供拉力以避免接觸面被拉開，而前半部分的法蘭和螺栓都可以提供抗壓力。無論螺栓預(yù)緊力多大，主機架與偏航軸承連接螺栓的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在偏航軸承后半部分45°對角線上。沿塔頂坐標(biāo)系Y軸方向的主機架左右端螺栓應(yīng)力比附近螺栓陡然升高，這是由于左右端缺少一顆螺栓，缺口兩側(cè)的主機架螺栓需要提供更大的軸向拉力。當(dāng)法蘭直徑固定時，螺栓數(shù)量和螺栓尺寸成反比。在實際工程中，為了保證極限應(yīng)力最大的45°對角線主機架螺栓能夠滿足靜強度要求，當(dāng)外載荷較小時采用更小尺寸主機架螺栓，外載荷更大時采用更大尺寸主機架螺栓。

圖9 主機架螺栓應(yīng)力分布

圖10 為MyzMax 工況下塔筒與偏航軸承所有連接螺栓整體應(yīng)力分布。當(dāng)螺栓預(yù)緊力低于螺栓屈服強度的70%時，后半部分塔筒螺栓比前半部分螺栓的應(yīng)力結(jié)果更高，這點和主機架與偏航軸承連接螺栓相似；但隨著螺栓預(yù)緊力提高時，塔筒螺栓整體應(yīng)力逐漸趨于均勻分布。

圖10 塔筒螺栓應(yīng)力分布

4 結(jié)語

以某2.5 MW 風(fēng)力發(fā)電機組偏航軸承螺栓為研究對象，建立偏航軸承內(nèi)外圈螺栓有限元分析模型，為螺栓施加6 種占螺栓最大許用軸向載荷不同比例的軸向預(yù)緊力，然后對各測試方案中螺栓的極限應(yīng)力分布規(guī)律進行統(tǒng)計。

偏航軸承內(nèi)外圈螺栓應(yīng)力最大值都出現(xiàn)在Myz?Max 工況。主機架與偏航軸承連接螺栓的應(yīng)力最大值高于塔筒與偏航軸承連接螺栓，所以工程上應(yīng)該更加重視主機架與偏航軸承連接螺栓。

偏航軸承內(nèi)外圈螺栓應(yīng)力最大值與預(yù)緊力基本呈線性關(guān)系，且偏航軸承與主機架、塔筒接觸面之間的摩擦系數(shù)對偏航軸承螺栓應(yīng)力結(jié)果影響不明顯。

主機架與偏航軸承連接螺栓的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在偏航軸承后半部分45°的對角線上，靠近發(fā)電機底架的后半部分螺栓應(yīng)力高于靠近風(fēng)輪葉片的前半部分螺栓應(yīng)力。主機架螺栓尺寸與外載荷呈一定正比關(guān)系，即當(dāng)外載荷較小時采用小尺寸螺栓，外載荷較大時采用大尺寸螺栓，以確保后半部分45°對角線上極限應(yīng)力最大的螺栓能滿足靜強度要求。