风机塔筒螺栓防松检测技术

魏 泰，吴 坤，黄军威

（1.甘肃省特种设备检验研究中心，甘肃 兰州 730020；2.济南轨道交通装备有限责任公司风电装备研究所，山东 济南 250022）

0 引言

塔筒维护是风机运营维护的重要组成部分，其中，又以高强螺栓防松为关键。风机在正常运行中时，各连接部件的螺栓长期运行在各种振动的合力当中，极易使其松动。为了不使其在松动后导致局部螺栓受力不均被剪切，必须定期对螺栓进行防松检查。设计出一套可靠的防松监控系统，可大大降低劳动强度及运营维护成本。

1 高强度螺栓连接的受力机理

1.1 高强度螺栓受力分析

高强度螺栓连接是通过螺栓杆内很大的拧紧预拉力把连接件夹紧，足以产生很大的摩擦力，从而提高连接的整体性和刚度。风机塔筒所用的高强度螺栓是按照摩擦型连接进行抗剪设计的，即高强度螺栓所承受的外剪力达到连接件接触面间由螺栓拧紧力所提供的最大摩擦力作为极限状态，也即是保证连接在整个使用期间内外剪力不超过最大摩擦力，连接件不会发生相对滑移变形（螺杆和孔壁之间始终保持原有空隙量），螺栓不承受剪力，连接件按弹性整体受力。涂油后的螺栓可降低螺栓扭矩系数，减小螺栓的复杂应力状态的影响，改善螺栓扭矩系数用较小的扭矩达到较大的预紧力，但同时会对螺栓的防松有负面的影响，因此可采用替代品螺栓紧固胶，不仅可减小扭矩系数，且负面影响很小。

1.2 高强度螺栓连接松动分析

高强度螺栓采用普通螺纹，在静载荷下，螺纹升角（1°42′≤Ψ≤3°2′）小于螺旋副的当量摩擦角（6.5°≤φV≤10.5°）。因此，连接螺纹都能满足自锁条件（Ψ＜φV），再加上拧紧后螺母和螺栓头部与被连接件或垫圈支撑面之间的摩擦力，在静载荷和工作温度变化不大时，螺纹连接很难自动松脱。

螺母开始松动时，要克服螺纹力矩和螺母支撑面力矩的阻碍。在螺栓预紧力F0的作用下，以拧紧力矩T连接的螺栓副，只要作用在螺母或螺栓头部的松动力矩TE不大于阻止螺母松动的力矩TR，连接就不会松动。但在变载、振动和冲击力的作用下，螺栓副的摩擦系数会急剧下降，且螺栓副和螺母支撑面处的摩擦阻力会瞬时消失，螺栓副不能满足自锁条件而有微量蠕变和滑动，导致螺母回转，这样多次重复就会导致螺栓连接松动。

1.3 高强度螺栓扭矩法施工受力分析

如图1所示，由于拧紧力矩T（T=FL）的作用，使螺栓和风机塔筒法兰之间产生预紧力F0。由机械原理可知，拧紧力矩T等于螺旋副间的摩擦阻力矩T1和螺母环形端面与风机塔筒法兰（或垫圈）支撑面间的摩擦阻力矩T2之和；螺栓头环形端面与风机塔筒法兰（或垫圈）支撑面间的摩擦阻力矩T3产生反向力矩，与T2相等［1］。即

图1 螺栓受力

螺旋副间的摩擦力矩为：

螺母与风机塔筒法兰面间的摩擦力矩为：

以风机塔筒连接常用的高强螺栓M36为例，螺纹中径d2=0.924d；螺纹升角 Ψ=arctan［1.5／（nd2）］（1.5为粗牙螺纹；n为螺纹线数）；螺旋副的当量摩擦角φV=arctan（μ／cos30°）（μ为摩擦系数，当涂螺栓紧固胶时，取μ=0.12；30°为螺纹半斜面角）；螺栓孔直径d0≈1.1d；螺栓环形支撑面的外径D0≈1.5d；螺母与支撑面之间的摩擦系数μc=0.15。将上述参数代入式（5）整理后得：

1.4 高强度螺栓在拉压交变力作用下的松动机理

当螺栓连接受到压力ΔF，使螺杆预紧力由F0降为F′，即

当F′≥0.526F0，即压力 ΔF＜0.474F0时，螺栓不松动。0.474F0即为47.4%的载荷设计值。

根据风机载荷规范GL2010可知［3］，乘以γ=1.35，得64%的载荷标准值。故在正常载荷工况条件下，用扭矩法施工的高强度螺栓在64%的风荷载标准值作用下有可能松动。

2 螺栓防松长期监测技术及设备

2.1 检测系统的优点

建立一套可行的长期监测系统，是为了杜绝因螺栓松动而发生重大安全事故，能够让风机正常稳定运行，同时也能够节约运营维护成本。其优点有：

a.投资约为风机总造价的0.1%，但能确保其安全运行。

b.有针对性、有目的检修，可以减少运营维护投入，减少人力消耗。

c.准确、有效反馈信息可延长全面检修的周期。

2.2 风机塔筒螺栓防松监测装置

传感器安装位置如图2所示。

图2 传感器安装位置

a.每一层塔筒法兰处，沿圆周均布4个螺栓防松传感器。

b.每一层4个放松传感器，以塔筒门角度方向为起始点，顺时针每隔90°布局，编号为A，B，C和D。

c.以现在主流的4节塔筒为例，每个风机塔筒自下而上有5个法兰高强度螺栓紧固区，依次可编号为1、2、3、4和5（针对塔筒和主机的紧固件的检测，可视位置情况做相应的调整）。

d.一个风机塔筒上的螺栓防松报警器可以惟一的由法兰编号和传感器编号组合表示。

e.一个风机塔筒上所有螺栓防松传感器可以采用一个电源；信号传输至主控柜，并最终传至风场监控中心的监控显示屏上。

2.3 系统工作分析

在指定的被监测螺母上安装一个角度传感器及接收器，通过实时监测得出螺母逆时针旋转的角度信号，该信号是以正弦函数形式输出。如图3所示，将螺栓的最大预紧力作为初始状态，传感器的计数值设为0，随着螺栓的蠕动，螺母会发生逆时针旋转，传感器随之计数。螺母发生不同的转动角位移时，表示螺栓的预紧力有所松弛，当螺栓发生10%的预紧力松弛时，监控中心的黄色警示灯亮起，表示该螺母开始松动；当螺栓发生50%的预紧力松弛时，监控中心的红色警示灯亮起，表示该螺母及周边的螺母需要及时进行维护检修。

图3 传感器安装位置计数

2.4 参数检测与控制机构工作原理

为了同步检测螺栓副的预紧力松弛，系统采用非接触角度传感器，实现参数自动测量和控制［4］。参数检测与控制机构工作原理如图4所示。

图4 参数检测与控制机构工作原理

传感器采集到的信号进入各路采样保持电路，然后由多路开关可选择地将各路信号送入A／D转换器进行转换。经过数据处理后，把检测结果传送到主控柜，并最终传至风场监控中心的监控显示屏上。这样的采样保持电路用同一个信号控制时，即可保证同一时刻采集到各通道参数，又可以保证信号间的同步关系。这种采集方式非常适合螺栓防松检测中对采集频率要求不高的系统。

3 结束语

高强度螺栓防松的原理，为塔筒高强度螺栓联接的可靠度及检测数据提供支持；提供了一种可行的检测系统，方便快捷地实现了塔筒用高强度螺栓的有效检测，降低了成本；其实用性可拓展至整个风机系统中螺栓的监测。塔筒用高强度螺栓预紧力检测针对的是拉力松弛中螺栓螺母的相对转动，而螺栓的失效形式中螺纹的蠕动造成的失效比重较大，对螺栓蠕动的检测技术是未来的研究趋势，也可选用适合的角度编码器来完成实时监测任务。

［1］濮良贵，纪名刚.机械设计.7版［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］马人乐.风机塔筒螺栓防松的机理、现状及对策［R］.上海：同济大学.

［3］GL2010.Guideline for the certification of wind turbines［S］.

［4］龚元明，吴长水.高强度螺栓试验与测试系统的开发［J］.上海工程技术大学学报，2011，（25）：27-30.