用于风电机组的新型螺栓连接形式探究*

关雪松，万保库，张芹

（华锐风电科技（集团）股份有限公司，北京 100872）

用于风电机组的新型螺栓连接形式探究*

关雪松，万保库，张芹

（华锐风电科技（集团）股份有限公司，北京 100872）

为了提高风电机组中螺栓连接的可靠性，提高螺栓连接的承载能力，并减小相应零部件的连接尺寸，本文提出了两种新型的风电机组螺栓连接形式：一种是采用摩擦片增加接触面摩擦系数；一种是采用销套螺栓的形式提高螺栓连接的抗剪切能力。这两种方法都可以有效地提高螺栓连接的承载能力，为风电机组提供安全可靠的连接方式。

风电机组；螺栓连接；摩擦片；销套

0 引言

随着风力发电技术的不断发展，风电机组的容量不断增大，其所承受的风载荷以及各零部件的结构尺寸和重量也随之不断增大[1-2]。螺栓连接是风电机组中不同零部件之间最主要的连接方式，螺栓连接的安全性会直接影响到整个风电机组运行的安全性和可靠性。本文提出了两种新的风电机组螺栓连接形式：一种是采用摩擦片增加接触面摩擦系数；一种是采用销套螺栓的形式提高连接的抗剪切能力。采用这两种方法可以有效提高螺栓连接的承载能力，控制连接部位尺寸，降低成本。

1 采用摩擦片的螺栓连接形式

风电机组中所用到的高强螺栓基本都是摩擦型高强螺栓，即螺栓靠预紧力在零部件之间的接触面处产生的摩擦力来抵抗横向载荷。根据VDI2230[3]，螺栓所需要的最小夹紧力为：

其中：FKQ为所需要的最小夹紧力，FQmax为最大的横向载荷，MYmax为最大的扭矩，qF为传递横向载荷的接触面个数，qM为传递扭矩的接触面个数，ra为摩擦半径，μTmin为摩擦系数。两个机加工后的零部件接触面之间的摩擦系数一般为0.1－0.3之间，由上面的公式可知，抵抗剪切力时，螺栓需要使用数倍于剪切力的轴向拉力（夹紧力）才能满足连接要求。如果螺栓需要承受很大的切向力，那么螺栓需要的预紧力可能会超过螺栓的许用值，为了满足连接要求就需要增加螺栓个数或增大螺栓规格，这时零部件连接处的尺寸可能不能满足螺栓连接的尺寸要求，这时就需要修改零件连接处的尺寸甚至是修改整个结构。根据公式（1），我们可以通过改变连接零部件接触面之间的摩擦系数来减少所需最小夹紧力FKQ，从而减小螺栓预紧力。通过传统的处理方法喷砂涂漆可以提高表面的摩擦系数，但是喷砂涂漆除了需要特定的操作空间和工具外还需要满足特定的温度、湿度等环境条件，特别是对于大尺寸结构件，如主机架、轮毂等，操作上存在一定的难度，而且摩擦系数提高程度有限。

摩擦片主要通过镍涂层上突出的特定大小和分布的金刚石颗粒来增加接触面之间的静摩擦系数的，如图1所示。薄钢箔上的镍涂层直接与零件的配合面接触，在一定压力的作用下，金刚石颗粒嵌入到接触面中，形成微型互锁，提高接触面摩擦系数，通过这种方法可使摩擦系数提高到0.5，甚至更高。

在实际的螺栓计算时，通常将机组承受的扭矩也转化成每颗螺栓上的剪切力和FQmax一起来计算螺栓所需要的最小夹紧力FKQ。一般情况下，对于风电机组结构件之间的螺栓连接计算，接触面之间的摩擦系数一般设为0.2。现以某兆瓦级风电机组中轮毂与主轴的螺栓连接为例说明摩擦片的作用。表1为Mx最大工况的载荷。

初步设计连接使用两圈螺栓，内外圈均为48颗M36的螺栓，将力分配到每一颗螺栓上，螺栓的轴向力Fa=14.61kN，螺栓的切向力Fr=70.93kN，根据VDI2230计算[3]，使用扭矩扳手安装时每颗螺栓至少需要590kN的预紧力，而10.9级M36螺栓的最高许用预紧力为650kN。若使用摩擦片，摩擦系数可提高到0.5，此时根据计算，仅使用外圈的48颗M36螺栓时，螺栓的轴向力Fa=25.76kN，螺栓的切向力Fr=125.71kN，但螺栓仅需要456kN的预紧力即可满足要求。

表1 Mx工况载荷

通过上面的例子可以看出，使用摩擦片可以有效提高螺栓组的承载能力，减小零件的尺寸和重量，使整个结构更紧凑，降低整个机组的成本。摩擦片可通过冲压或激光切割等方式加工成与连接处一样的形状，不需要改变零件结构，而且摩擦片使用寿命长，不需要维护，拆卸后可重复使用。

2 采用销套螺栓的连接形式

图1 摩擦垫片结构

除了前面提到的利用摩擦片来增加摩擦系数的方法来提高螺栓连接的承载能力外，还可以通过在螺栓连接中加入销，通过销来承受剪切力，使螺栓仅承受轴向拉力来提高整个连接的载荷承载能力。但是一般情况下，在使用销来承受横向载荷时，如果螺栓是沿圆周方向布置的，那么通常销和螺栓是间隔布置的。但 这种方式需要的空间比较大，两个待连接零部件之间一般没有足够的连接空间同时布置螺栓和销。为解决这一问题，本文提出了一种销套螺栓的新型螺栓连接形式，如图2和图3所示。图2为使用螺栓内螺纹来连接两个待连接零部件，图3为使用螺栓螺母来连接两个待连接零部件。零件3和零件4为待连接零件，在零件3上打一个通孔，在零件4上打一段光孔和一段螺纹孔。将销1压入零件3和零件4，销与零件3和4之间采用过盈配合，这样可以承受横向载荷。沿销的轴线放置螺栓2，螺栓与销之间采用间隙配合，销和螺栓之间没有力和力矩的传递，螺栓通过销后与零件4上的螺纹孔拧紧，这样螺栓就可以承受轴向载荷。销的承载能力取决于销的横截面积，因此，螺栓与销孔之间采用螺栓与孔的精装配关系，最大限度增大销的横截面积，提高销的承载能力，例如连接使用M48的螺栓，采用螺栓与孔的精装配关系时中空圆柱销的内径为50mm，而一般情况下螺栓与孔之间为中等装配关系，M48螺栓通过的光孔直径为52mm。销的内径可根据标准GB/T5277－1985来确定[4]。通过销套螺栓的形式连接两个零件，先安装销，销仅承受横向载荷，使两个零件之间可以传递扭矩，然后再安装螺栓，并通过施加预紧力使螺栓承受轴向载荷，使两个零件之间可以传递弯矩。这种连接形式可以节约连接空间，且比现有的销与螺栓间隔布置的方式能承受更大的扭矩和弯矩。

下面以一个实例来说明销套螺栓连接方式的作用。假设呈环形布置的螺栓组需要承受总的轴向拉力为Fa=19000kN，切向力为Fr=5800kN，仅靠螺栓承载则需要68颗10.9级M48的螺栓，螺栓组节圆直径由螺栓安装空间来决定，M48螺栓使用的套筒直径为131mm，则节圆直径至少为2285mm。如果采用螺栓和销间隔布置的方式，那么所需销的直径由公式2确定。

图2 销套螺栓连接方式1

图3 销套螺栓连接方式2

若销的材料为40Cr，则其许用抗剪切应力为314MPa。总的轴向拉力为19000kN，根据计算需要48颗M36的螺栓，每颗螺栓的预紧力为612kN。螺栓和销间隔布置，因此公式（2）中的n=48，经过计算销的直径确定为25mm，即：

这时，根据螺栓施工套筒的尺寸和销的直径，螺栓安装的节圆直径最小为1713mm。

现在对销套螺栓的连接形式进行计算。根据GB/ T5277－1985与M36精配合的孔径为37mm，则中空的圆柱销的内径为37mm，根据计算销的外径取为45mm时，销的剪切应力为：

这时，48颗M36螺栓套中空销布置方式的节圆直径最小仅需1170mm，但承载能力与螺栓与销间隔布置的方式相同。

3 结论

螺栓是风电机组中最常用的连接方式，螺栓连接的设计会影响到整个机组的设计。本文提出了使用摩擦片和销套螺栓两种新的风电机组螺栓联接形式，在充分利用螺栓承载能力的前提下能减小螺栓连接设计的尺寸，根据实例分析，这两种方法都能有效提高螺栓连接的承载能力，并控制连接尺寸，使零件的设计更紧凑，是减少风电机组成本的有效手段。

[1] Tony Bruton, 武鑫等译. 风能技术[M].北京:科学出版社,2007.

[2] 宫靖远,等. 风电场工程技术手册[M]. 北京:机械工业出版社,2004.

[3] VDI2230-2003E Systematic calculation of high duty bolted joints joints with one cylindrical bolt[S],2003.

[4] 成大先,等.机械设计手册第二卷[M].北京：化学工业出版社,2008.

Analysis of New Bolt Connection Forms for Wind Turbines

Guan Xuesong, Wan Baoku, Zhang Qin
(Sinovel Wind Group Co., Ltd., Beijing 100872, China)

In order to increase the reliability and load capacity of bolted connection and decrease the connection size, two methods of bolted connection used in wind turbine are proposed in this paper, one is to use friction shims to increase the friction coefcient between the interface, the other is to use the bolt enveloped with a hollow pin to increase the load capacity of connection. These two methods all can increase the load capacity of bolted connection that can provide the safe and reliable connection methods for wind turbine.

wind turbine; bolt connection; friction shim; hollow pin

TM614

A

1674-9219(2013)12-0078-03

国家863计划项目——超大型增速式海上风电机组设计技术研究，编号（2012AA052303）。

2013-11-26。

关雪松（1977-），女，博士，工程师，主要从事风电相关工作。

万保库（1981-），男，硕士，工程师，主要从事风电机组研发工作。

张芹（1977-），女，硕士，高级工程师，主要从事风力发电相关工作。