风电齿轮箱箱体高强螺栓断裂失效分析研究

马金国，杨豫川，倪东海，敖 祥

(1. 华锐风电科技(集体)股份有限公司 北京 100000；2. 上海绿色环保能源有限公司 上海 200433)

风电齿轮箱箱体高强螺栓断裂失效分析研究

马金国1，杨豫川1，倪东海2，敖 祥1

(1. 华锐风电科技(集体)股份有限公司 北京 100000；2. 上海绿色环保能源有限公司 上海 200433)

本文针对现场两根断裂的齿轮箱箱体高强螺栓进行分析研究，得出螺栓断裂的真正原因：除了螺栓自身材料性能不达标以外，螺栓的选型、螺纹孔的加工质量、螺栓的装配工艺也是造成螺栓断裂的重要原因。提出了通过利用高强双头螺柱替代高强螺栓，并优化加工工艺和装配工艺等措施，解决螺栓断裂的问题，且取得了良好的效果。

风电齿轮箱；高强螺栓；断裂

0 前言

风力发电是世界上使用最为广泛和发展最快的绿色能源技术之一，中美联合声明带头承诺签署巴黎气候协议，同时中国十三五的能源发展规划中明确表示，未来几年内中国在风电领域有很多大的发展，截止到2015年底，全国风电并网累计达到1.29亿千瓦，年发电量1863亿千瓦时，占全国总发电量的3.3%，十三五总体目标是到2020年底全国风电并网确保达到2.1亿千瓦以上，年发电量确保4200亿千瓦时，约占全国发电总量的6%[1]。风电洁净能源所占比率的上升，风机装机量也会大幅增加，风机机械故障量也随之增长，由于齿轮箱安装在空间狭小的主机架内，受空间和观察角度的限制齿轮箱箱体的螺栓在现场很难被日常巡检人员进行360°全方位检查，即使有螺栓有松动或者断裂的前兆都几乎不能被提前发现，如果出现问题，轻者出现渗油、漏油(风电齿轮箱渗油定义：润滑油缓慢流出或者浸润到风电齿轮箱箱体外表面后，由于量少且自身不断挥发或被环境中浮尘覆盖凝固或低温凝固，导致润滑油不足以在箱体边缘形成油滴或者在平面形成油路而迅速扩散、飞溅称之为渗油；风电齿轮箱漏油定义：润滑油流出或者浸润到风电齿轮箱外表面后，在箱体边缘或尖角部位集聚成油滴，或者在箱体表面形成明显油路在短时间内造成大面积污染或飞溅称之为漏油)污染环境增加成本，重者引起箱体与内齿圈之间的把合力矩不足，定位销被剪断，甚至引起整个齿轮箱行星级齿轮打齿损坏故障。

1 断裂螺栓位置

风电齿轮箱箱体把合螺栓多数采用M30～42的10.9级高强螺栓，供货状态依据GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》；螺纹为成型滚轮滚齿成型；热处理要求调制处理，硬度要求32～39HRC。现场断裂的两根高强螺栓在分布位置如图1所示箭头所指，其中一根分布在后箱体分箱面的上侧，另一根分布在后箱体分箱面的下侧。

图1 断裂高强螺栓分布位置

2 断裂分析

2.1 宏观分析

在常温下，断口三区域比例受零件材料、加载速度以及形状等因素影响。当零件材料脆性较大或者加载速度较大时，辐射状区面积较大。当零件外周围有缺口或缺陷时，破坏则从外周围开始，断口的外周产生纤维状区，并向内侧辐射，最后破坏区是零件的中心部位，这时候不形成切变唇口区[2-3]。

清洗后观察分析两根高强螺栓的断裂截面。

第一根断口没有明显塑性收缩，断口截面细腻，，断口裂纹垂直于零件中心线，则说明是由正压力引起断裂，最大正应力平行于零件中心线，属于脆性断口，试样对比属于典型的高载荷下弯曲与旋转弯曲断口，如图2a 、2b所示。

图2 第一根断口和典型断口

第二根断口50%断口截面面积裂纹垂直于零件中心线，则说明是由正压力引起断裂，最大正应力平行于零件中心线，另50%截面面积断口裂纹与零件中心线成45°角，说明是由剪应力引起断裂，最大剪应力与零件中心线成45°角，与断口平行，断口截面有明显的放射区和纤维区之分，属于典型的静载荷拉伸断口，并且同时受到正压力和剪应力共同作用，如图3a 、3b所示，断口没有切变唇口区，说明螺纹底部在断裂初期已经形成缺口或本身存在缺陷裂纹。

图3 第二根断口和典型断口

2.2 化学成分及金相组织

断裂高强螺栓材料均为40Cr取样检测化学成分，结果见表1所示。

表1 化学成分

断裂高强螺栓的金相组织检验结果显示：腐蚀前硫化夹杂物为1.5级，氧化夹杂物为1级，腐蚀后回火索氏体和少量铁素体[4-5]，符合技术要求。

以往的继续教育资源供给者主要集中于高校继续教育部门和政府劳动社会保障部门，但随着继续教育需求者数量增多、个性化需求增多，一些行业企业、培训机构等亦参与进来，呈现出供给者从单一到多元化的趋势。

2.3 机械性能

取样检测断裂高强螺栓的力学性能，检测结果见表2所示。

表2 力学性能

2.4 结构分析

在装配车间中，目前最常用、效率较高的装配方法是通过液压扳手配套不同规格的套筒完成对风电齿轮箱箱体高强螺栓的紧固，由于高强螺栓的螺纹和铸铁件螺栓的螺纹存在一定的摩擦力，紧固后的螺杆不可避免同时受到预紧力和扭矩的双重作用，第一根断口截面有明显的倾斜贝纹线就足以证明扭矩的存在，为了进一步更加深入的分析，借助ANSYS有限元分析工具分六种工况完成对箱体高强螺栓的应力和变形的分析，各工况输入条件见表3，分析结果如图4所示。

表3 工况输入条件

注：F=514 528 N；T=2 223 N·m

图4 有限元分析结果

2.5 制造工艺分析

测量两根高强螺栓断裂界面：一根断口位置在第一牙和第二牙之间，第二牙的受载面牙根部位；一根断口位置位于第八牙和第九牙之间，第九牙的受载面的牙根部位，表面上看带有一定的随机性，没有什么共性，结合齿轮箱的整体结构，发现断裂区距离螺栓头长度均为500～510 mm，正好位于内齿圈和后箱体的结合面位置，如图5所示。

图5 断裂截面位置

对车间现有同类产品全面排查发现，在装配过程中存在安装螺栓并不是理论设计的竖直位置，而是由于螺纹孔的倾斜造成螺栓在拧紧过程中呈倾斜状，如图6a所示，原因是工艺路线安排螺纹孔在传统的摇臂转床上加工，通过工人手动操作完成，由于工人的操作技能有限，在刀具选择、刀具进给量、钻孔及绞丝冷却液的供给量、后期回丝精度及掺杂清理都难以保障，造成螺纹孔质量差所致，螺栓倾斜如图6b所示，在拧紧的过程中螺栓受力拉伸，倾斜的螺栓有回直的趋势，自然会在结合面产生应力集中现象，螺栓工作过程中主要承受图5所示力矩作用，即在弯曲扭转载荷过程中其支点应在螺纹集合处，即内齿圈和后箱体的结合面位置处所受的交变载荷最严重，即应力集中最大，容易形成断裂源。

图6 螺栓螺纹孔的倾斜状态

3 解决方案

(1)利用高强双头螺柱替代高强螺栓。螺母在拧紧过程中，螺柱螺纹与螺母螺纹之间钢对钢的摩擦力，远远小于原始设计中螺栓螺纹与铸铁箱体螺纹之间的摩擦力，所以螺柱受到的扭转力矩大大减小，有限元分析螺柱受力结果如图7所示，模拟结果与分析结果吻合。

图7 双头螺柱受力分析

(2)优化改进加工工艺。提高箱体螺栓孔的加工质量，严格控制螺纹孔中心线与结合面的垂直度，避免螺柱在截面产生应力集中现象，比如利用数控机床加工就可以减少很多人为质量不可控因素。

(3)优化改进装配工艺。利用螺栓拉伸器替代液压力矩扳手，如图8所示，可以更加精确的控制施加给螺柱的预紧力，减少不同批次高强螺栓扭矩系数K不同对力矩换算过程中的误差影响[6～7]，第二根断口属于典型的静载荷拉伸断口，截面有明显的放射区和纤维区之分，属于预紧力太大引起的断裂，利用螺栓拉伸器也彻底消除高强螺栓受扭矩的影响。

图8 螺栓拉伸器

(4)根据风力发电齿轮箱载荷工况特点结合实际应用安装特点要求，设计特制非标双头螺柱替代传统双头螺：在传统双头螺柱短螺纹处设计增加一段小头，如图9所示，小头部分在螺栓安装过程起引导和定位作用，同时保护内螺纹在安装过程中不被冲击破坏，实际装配经验：在安装过程中当螺柱拧到底后，再反向回转两扣。

图9 特制双头螺柱

4 结论

(1)化学成分、金相组织和机械性能分析结果显示断裂的风电齿轮箱箱体高强螺栓自身各项参数及热处理效果均满足要求；

(2)齿轮箱箱体螺栓的选型不当、螺纹孔的加工质量低、装配工艺不合理等因素是造成现场螺栓断裂的主要原因；

(3)使用特制的双头螺柱替代传统螺栓、提高螺纹孔加工质量，特别是提高螺柱安装后的垂直度、采用螺栓拉伸器替代液压扳手等一些列优化措施后，后期长时间跟踪观察，现场再没有发生断裂失效故障，效果良好。参考文献:

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[2] 王广生,周敬恩.热处理手册(二卷)[M].北京：机械工业出版社，2001.

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[4] 李俊辉.金属材料金相图谱 [M].北京：机械工业出版社，2006.

[5] 上海交通大学金相分析编写组.金相分析[M].北京：国防工业出版社，1982.

[6] 朱文明, 邹异民, 杨少华,等.螺栓断裂失效分享[J].风能产业,2015 (12):62-64.

[7] 黄勤卫. 法兰连接螺栓断裂失效的分析研究[J].化工设备与管道,2005(04).

Analysis and research wind turbine gearbox high strength bolt fracture

MA Jin-guo1，YANG Yu-chuan1，NI Dong-hai2，AO-Xiang1

(1. Sinovel Wind Group Co., Ltd., Beijing 100000，China;2. Shanghai Green Environmental Protection energy Co.，Ltd., Shanghai 200433，China)

Based on the analysis and research of gear box with two fracture high strength bolts, the reasons of the bolt fracture are find out, in addition to the bolt itself material performance is not up to standard, the type of the bolt, screw thread hole machining quality, bolt assembly process are also the important reasons of the bolt fracture. This paper puts forward improvement measures to finally solve the problem of bolt fracture, by taking the place of the high strength double end studs with high strength bolts, meanwhile, optimize the processing technology and assembly process, and that achieved good effect.

wind turbine gearbox; high strength bolt; fracture

2016-12-13；

2017-01-25

上海市科学技术委员会项目“深远海上风电机组设计开发及运维相关技术研究”(16DZ1203505)。

马金国(1979-)，男，硕士研究生，高级工程师，风电齿轮箱主任设计师，主要从事风力发电齿轮箱设计研发。

TH132

A

1001-196X(2017)02-0025-05