螺栓防松方法在风电领域中的应用

周 震新疆金风科技股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830000

螺栓防松方法在风电领域中的应用

周 震新疆金风科技股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830000

近年来由于风电行业迅猛发展，高强螺栓被大量应用于风电塔筒联接，设备法兰联接，各种结构件之间的联接

以及复合材料与金属材料之间的联接。本文根据螺纹副的受力分析，以及螺栓松动机理，介绍高强螺栓防松方法在风电领域中的应用。指出在风电领域中，小规格高强螺栓应使用厌氧型胶粘结剂、自锁螺母的防松方式、大规格高强螺栓采用加大预紧力并定期检测的防松方法，防止螺栓在机组运行过程中松动。

普通螺栓；防松；螺母；垫片

1 螺纹副的受力分析

普通螺栓上的螺纹通常是指一般用途米制联接螺纹，其螺纹副的当量摩擦角ρ大于螺纹升角ψ，螺纹具有自锁特性，为了防止螺母在轴向力作用下自动松开，用于联接的紧固螺纹必须满足自锁条件。

1.1 螺旋副中力的关系

1.1.1 螺纹副力矩

上式表明，以扭矩T拧紧的螺栓连接，当作用在螺母上的松动扭矩大于0.95T时，螺母将发生松动回转（有些文献资料为T'=0.8T）。

2 螺栓松动机理

2.1 螺纹副旋合螺纹发生蠕变

根据国外联结副松弛蠕变试验，螺母紧固后24小时螺栓预紧力减少近10%，其后损失速度变缓，螺母容易发生松动。

2.2 支承面压陷引起的松动

由于螺栓头或螺母支承面的接触应力大，被连接件的表面将有塑性的环状压陷。在使用中，若塑性变形继续发生（称支承面压陷），则螺栓的伸长量减小，螺栓中的预紧力降低， 减小，螺母容易松动回转。

2.3 径向力是螺栓连接松动的主要原因

国外一些学者特别是原西德的G.Junker对螺栓连接分别施加径向激振力和轴向激振力做了大量的试验，结果是受轴向力作用的螺栓连接可能松动也可能不松动，但是受径向力作用的螺栓连接当径向激振力达到一定程度时肯定会松动。螺栓连接预紧后，螺母将在预紧力所产生的螺母径向扩张力的作用下处于径向扩张状态，当外界径向力传入并达到一定程度时，将破坏螺母径向扩张力的自行平衡，促使螺母径向窜动，进而使螺纹旋合处沿螺旋线切线方向的静摩擦系数减小或变为零，当量摩擦角减小或为零，松动扭矩接近于零或为负值，螺母将松动回转。

3 各种防松的方法及其在风电领域中的应用

防松就是为了使螺栓副能更有效的长期工作。常用的防松方法有五种：自由旋转型、有效力矩型、机械锁固型、冲点铆接型、粘接型。

3.1 自由旋转型

防松能力随着螺纹联接副预紧力的增加而提高。

3.1.1 弹簧垫圈

依靠弹簧垫圈在压平后产生的弹力及切口尖角嵌入被连接件及紧固件支撑面起防松作用。结构简单、成本低、使用简便。但其支承面小，弹力不均，不十分可靠，多用于不甚重要的联接。

3.1.2 对顶螺母防松

利用螺母对顶作用使螺栓式中受到附加的拉力和附加的摩擦力。两个螺母对顶拧紧后，它们之间产生一个附加的对顶力，对顶力与预紧力共同产生较大的螺母径向扩张力，且远离外界径向力，故上螺母不易回转，但须注意的是必须在两螺母之间产生这个附加的顶力才能发挥出它的防松效果。

可以参考如下的使用方法：先用规定的拧紧力矩的80%拧紧紧固螺母（工作支承面上的螺母称为紧固螺母），再用100%的拧紧力矩拧紧锁紧螺母（非支承面上的螺母称为锁紧螺母）。使用时先将紧固螺母预紧，然后再将锁紧螺母预紧。

对顶螺母防松方法在风电领域中多用于个别低速重载、载荷均匀部分的联接。

3.1.3 扣紧螺母

先用六角头螺母紧固件，然后旋上GB/T805扣紧螺母并用手拧紧，再用扳手拧紧（约60°～90°）。该结构防松效果良好，但不宜用于频繁装卸的场合，国内外在电力铁塔上使用效果良好，可达几十年不松动。

3.1.4 凸边螺母、凸边螺栓、蝶形垫圈

螺母、螺栓、垫圈支撑面上的倒齿产生的力矩抵抗T'的减少，有较好的防松作用，多余用小规格的螺栓副上。

3.1.5 二次拧紧

螺栓连续工作一段时间后重新紧固，可减小初始松动，有一定的防松性。此种方法在风电机组螺栓联接副中有大量的应用，风电机组的大规格高强螺栓首次施工完毕后，在一段时期内会重新进行一次紧固，消除蠕变导致的松动。

3.1.6 悬置螺母

采用悬置（受拉）螺母，则螺母锥形悬置段与螺栓杆均为拉伸变形，有助于减少螺母与栓杆的螺距变化差，从而使载荷分布比较均匀，也有很好的防松作用。但是由于悬置螺母加工成本较高，使用不方便，所以在风电领域中很少使用。

3.1.7 逆旋向双螺母

在联接时，使用两只不同旋向的螺母，工作支承面上的螺母称为紧固螺母，非支承面上的螺母称为锁紧螺母。使用时先将紧固螺母预紧，然后再将锁紧螺母预紧。

在振动、冲击的情况下，紧固螺母会发生松动的趋势，但是，由于紧固螺母的松退方向是锁紧螺母的拧紧方向，锁紧螺母的拧紧恰恰阻止了紧固螺母的松退，导致紧固螺母无法松动，防松效果很好。

3.2 有效力矩型

依靠螺栓或螺母结构上的“有效力矩部分”的摩擦阻抗和联结副预紧力方面产生的摩擦阻抗防止松动。

3.2.1 自锁螺母

预紧力产生的螺母径向扩张力与收口涨紧力合成较大的螺母径向扩张力，且远离径向力，它的防松性能很好。该类螺母由于尼龙熔点的限制，一般应用于100℃以下的场合。理论与时间证明，该种螺母经拧入、拧出400次以上，其性能基本稳定。因此在风电领域中主要应用于小规格的部件上。但是由于自锁螺母上的尼龙容易破坏螺杆上的防腐涂层，所以，要根据不同的运行环境来选择自锁螺母。

3.2.2 纵向开槽的螺母

螺母一端非圆形收口或开缝后径向收口，拧紧后张开，利用旋合螺纹间的弹性。简单、可靠且可多次拆卸，可用于较重要的联结。但由于成本较高、尺寸所限，在风电领域中应用不多。

3.3 机械锁固型

藉助紧固件的附件固定紧固件与紧固件之间或紧固件与被连接件之间的相互位置（紧固件的附件如开口销、止动垫圈、金属丝）。

3.3.1 槽形螺母和开口销防松

槽形螺母拧紧后，用开口销穿过螺栓尾部小孔和螺母的槽，也可以用普通螺母拧紧后进行配钻销孔。

3.3.2 圆螺母和止动动垫片

使垫圈内舌嵌入螺栓（轴）的槽内，拧紧螺母后将垫圈外舌之一褶嵌于螺母的一个槽内。

3.3.3 止动垫片

螺母拧紧后，将单耳或双耳止动垫圈分别向螺母和被联接件的侧面折弯贴紧，实现防松。如果两个螺栓需要双联锁紧时，可采用双联止动垫片。

3.3.4 串联钢丝防松

用低碳钢钢丝穿入各螺钉头部的孔内，将各螺钉串联起来，使其相互制动。这种结构需要注意钢丝穿入的方向。

3.4 冲点铆接型

螺母拧紧后在螺纹末端冲点破坏螺纹，仅适用于低强度紧固件。

3.5 粘合防松

通常采用厌氧胶粘结剂涂于螺纹旋合表面，拧紧螺母后粘结剂能够自行固化，防松效果良好。广泛应用于风电机组小规格螺栓副的联接。

4 结论

综上所述，防松元件的使用可能使预紧力出现较大损失，而预紧力的损失有增加了松动的可能。所以，根据风电机组运行中主要面临交变重型载荷及高温、寒冷、盐雾的复杂环境特点，应优先对小规格高强螺栓应使用厌氧型胶粘结剂，必要时选用自锁螺母的防松方式；对大规格螺栓采用大预紧力并定期检测，必要时使用双螺母对顶的防松方式。

[1]李维荣.常用紧固件产品手册[M].中国标准出版社，2001.

[2]成大先.机械设计手册联接与紧固[M].化学工业出版社，2004.

TM6

A

1674-6708（2011）50-0132-02