液压拉伸法技术在风电机组螺栓拧紧过程中 的应用分析

朱希华

摘  要

连接螺栓作为风电机组的主要连接方式之一，大型风电机组对连接螺栓拧紧一般都有预紧力要求，同时严格要求紧固精度和使用。目前，在风电机组中使用 的连接螺栓拧紧方法一般是力矩拧紧法和液压拉伸法。有效的连接螺栓拧紧是保证风电机组功能正常运行及安全的重要保障。试验数据表明，液压拉伸法对连接螺栓拧紧的预紧力控制更为精确。

本文介绍了液压拉伸法的原理，以及液压拉伸法技术具有准确控制预紧力、紧固件无扭矩系数要求和液压拉伸法技术固有的“回弹”现象等特点。通过风电机組的实验，来检验分析液压拉伸法技术的工作原理及其主要特点，加深理解对液压拉伸 法技术在风电机组连接螺栓拧紧过程中的实际运用。实验分析表明，液压拉伸法技术具有“回弹”现象客观存在性、长螺栓对“回弹”不敏感性、多次拧紧可减少“回弹”效应性、某些工作情况不宜使用液压拉伸法技术等特点。因此，采用液压拉伸法技术拧紧连接螺栓，不仅可 以保证获得足够的设计预紧力，同时使连接螺栓的预紧更安全、更可靠。在未来大型风电机组组装过 程中，液压拉伸法技术在拧紧连接螺栓的应用值得推广。

关键词：液压拉伸法，风电机组，螺栓拧紧，应用分析

绪 论

1、研究背景

风能作为清洁的可再生资源，近年来受到全世界的高度重视和关注，使风电能源行业得到快速发展，风电机组单机功率也逐步往大型化方向发展，塔筒高度 、叶片尺寸也越来越大，对螺栓连接的拧紧力要求也越来越高。风电机组的零部件设备主要靠螺栓连接，广泛应用在机架、轮毂、塔筒、等关键部位，因此，连接螺栓对整个风电机组安全可靠运行至关重要。据统计，风电机组三个最重要的载重部位 螺栓连接数量如下：（1）叶轮与轮毂机舱连接高强螺栓约280套;（2）法兰塔筒连接高强螺栓约300套左右;（3）塔筒基础部分连接用的高强地脚螺栓，每台风电机组大约200套。

目前，广泛使用的螺栓连接预紧工艺主要是力矩拧紧法和液压拉伸法。力矩拧紧法由于对工艺要求高，控制起来难度比较大，因此取得的拧紧力分散系数较大，液压拉伸法主要通过专用工具（液压拉伸器）直接将连接螺栓拉长产生拧紧力，在拧紧的过程中不需要考虑扭转、摩擦等方面的影响，只需考虑轴向力，因此预紧工艺易控制，从而获得的拧紧力分散系数较小1-2。有关数据也表明，用力矩拧紧法技术获得的拧紧力分散系数是1.7-2.5，而采用液压拉伸法技术取得的预紧力分散系数为 1.0。3 因此，液压拉伸法技术在螺栓拧紧对预紧力控制更为有效。而在目前的风电机组零部件、整机装配过程中，一般直径小的螺栓连接主要靠扳手拧紧螺母来实现螺栓的预紧，直径稍大的螺栓连接则靠榔头敲击扳手或采用液压扳手，重要部位也有采用螺栓加热的方法来实现螺栓的预紧。但这些方法对设备、螺栓都有一定程度上的损伤 ，同时也会造成设备接触面预紧力的不均匀。因此，风机机组在组装过程中如何减少拧紧力的分散系数、减少设备 的损耗、提高工作效率一直是我们需要攻克的课题。

2、研究目的

本文将通过风电机组安装过程中的工况试验，来检验液压拉伸法技术的理论及其主要特点，加深理解液压拉伸法技术在风电机组螺栓拧紧中的应用情况。同时也为液压拉伸法技术在项目现场如何拧紧大规格连接螺栓，如塔筒与基础锚栓的连接、塔筒与塔筒的连接、叶轮、偏航轴承等组装过程中的提供理论基础。

3、研究意义

本文研究的意义在于：

（1）理论与实际相结合，通过实际试验检验，对液压拉伸法技术在风电机组连接螺栓拧紧的实际应用进行了检验。

（2）推进风电安装技术的创新，促进技术广泛实际应用。

一、液压拉伸法技术

1、工作原理

通过专用工具（液压拉伸器）完成连接螺栓的预紧工作的液压拉伸法技术，主要利用液压拉伸器的高压油泵产生的压力，经过液压传送管直接作用到拉伸器活塞的表面上，利用拉伸器上的拉伸头与被拉伸连接螺栓相互作用而使连接螺栓拉伸，直到压力到达设定值后，用扳手拧紧螺母，使螺母与被紧固件表面正确贴合，释放压力紧固螺母。4

2、技术特征

（1）工艺可靠

液压拉伸法主要通过专用工具（液压拉伸器）直接将连接螺栓拉长产生拧紧力，在拧紧的过程中不需要考虑扭转、摩擦等方面的影响，只需考虑轴向力，因此预紧工艺易控制、更可靠，所以该技术可以应用于任何尺寸的连接螺栓，也可以同时给一组连接螺栓施加载荷，均匀压紧垫片和法兰，不会出现翘曲、倾斜等现象而影响预紧力的精确控制。

（2）紧固件无扭矩系数要求

采用液压拉伸法技术进行的螺栓连接，连接螺栓的轴向力是直接通过拉伸器获得，从而使连接螺栓变长，通过拧紧螺母使螺母与被 连接件、垫圈咬合，松开拉伸器完成紧固工作。在此过程中，螺栓轴向力的精度是由液压拉伸器来保证，而与紧固件的扭矩系数没有任何关系。因此，对于使用液压拉伸法安装的螺栓，对 螺栓连接无扭矩系数要求。6

（3）“回弹”现象

液压拉伸法技术是利用液压拉伸器来完成连接螺栓的预紧工作，拉伸器撤去压力后，连接螺栓会因突然施加的载荷而变形，从而使连接螺栓剩余预紧力要小于施加目标的预紧力，该现象称之为“回弹”，也是采用液压拉伸法技术必然出现的现象。7因此可以理解，受该“回弹”现象的影响，液压拉伸法技术不适合应用于有效作用长度较小的工况。

二、工况试验分析

显然连接螺栓预紧力对于工况的安全、稳定至关重要，过大或过小的预紧力都会对工况产生严重影响，过大，容易出现超拧;过小，无法 保证强度。以下将通过实际工作中的试验来检验液压拉伸法技术的原理及 主要特点。

1、试验说明

2、试验数据

试验一，液压拉伸器对机架与轴承座的连接螺栓施加载荷，测得对应的剩余预紧力，如表 2-1 所示。

为进一步清楚之间的关系，将工况试验一数据转化为图形。X轴为液压泵压力值;Y轴包括施加载荷、剩余载荷、目标预紧力、屈服极限等载荷值，如下图2-1所示：

试验二，液压拉伸器对前后机架的连接螺栓施加载荷，测到的对应剩余预紧力，如表 2-2 所示。

同样为进一步清楚之间的关系，将工况试验二数据转化为图形。X轴为液压泵压力值;Y轴包括施加载荷、剩余载荷、目标预紧力、屈服极限等载荷值，，如下图2-2所示：

3、试验分析

根据液压拉伸法技术的工作原理，通过2个工况试验结果数据进行分析，可知得出液压拉伸法技术以下几个特点：

（1）“回弹”现象客观存在性

如图2-1和图2-2中的剩余载荷折线在目标载荷折线的下方。说明拉伸器撤去压力后，连接螺栓会因突然施加的载荷而变形，使螺栓剩余预紧力小于施加目标的预紧力。因此，“回弹”现象是客观存在的。

（2） 长螺栓对“回弹”现象具有不敏感性

试验一中，试验的连接螺栓长度为 390mm，施加781KN载荷时，剩余预紧力值为515KN，为屈服极限值的57.3%;试验二中，试验的连接螺栓的長度约为180mm，施加398KN载荷时，剩余预紧力值为230KN，为屈服极限值的44.7%。由此可知，连接螺栓的长短对“回弹”现象具有敏感性，螺栓长度越长，“回弹”越不明显。

（3）技术应用不适宜性

在实际工作中，液压拉伸器施加的载荷要高于目标预紧力，是为了解决“回弹”现象。如图 2 所示，由于试验二中的连接螺栓比较短，“回弹”现象比较明显，施加的载荷力不小于屈服极限时，剩余预紧力将达不到目标预紧力的要求，可能会出现“超拉”致连接螺栓失效。因此，连接螺栓较短的预紧不宜采用液压拉伸法技术。

（4）多次拧紧可减少“回弹”效应

通过2个工况试验数据可知，多次拧紧连接螺栓，会降低“回弹”现象，提高剩余拉伸力。所以，在编写工艺时，为减少“回弹”现象导致的预紧力损失，可采用多次施加载荷或者重复施加载荷的方法。

（5）降低对防腐涂层的破坏

风电机组在组装过程中，有部分裸露在大气中的螺栓一般都需要进行防腐涂层处理，只要使用扭矩扳手拧紧连接螺栓时，连接螺栓表面涂层就容易遭到破坏，防腐效果大大降低。但如果拧紧连接螺栓采用液压拉伸法技术，连接螺栓得到的扭矩很小，所以一般不会造成连接螺栓防腐涂层的破坏。

三、结论

有效的连接螺栓拧紧是保证风电机组功能正常运行及安全的重要保障。采用液压拉伸法技术拧紧连接螺栓，不仅可以保证足够的预紧力，使连接螺栓的预紧更可靠、更安全，而且拧紧过程具有可操作性、可控性等优点，在未来大型风电机组组装过 程中，液压拉伸法技术能得到广泛应用。

参考文献

1Schatz V，朱正德，郭林健.实现螺栓可靠装配的 10 个步骤[M].北京：机 械工业出版社，2010：16-18.

2Verein Deutsher Ingenieure.VDI-2230，Systematic Calculation of High

Duty Bolted Joints[S].Dǚ sseldorf：Verein Deutscher Ingenieure，2003： 117-118.

3成大先等.机械设计手册第 2 卷（第五版）[M] .北京：化学工业出版社， 2007.

4吴风和.大直径螺栓的液压拉伸预紧[J].重型机械，2001，5：30-31.

5孙宝章，戴文斌，左运发.螺栓拧紧方法分析与应用[J].沈阳建筑工程学院 学报（自然科学版），2002，18：319-320.

6刘洪海，蔡伟.基于液压拉伸法的风力发电机组螺栓紧固技术研究[J].特种

结构，2012，29（4）：53-55.

7韩德海，李秀珍，梁瑞利，颜志伟.风电机组螺栓联接拉伸预紧分析[J].机 械传动，2011（12）：91-93.