基于超張拉伸的高強度螺栓預緊力控制方法

李勇 LI Yong；陽雪兵 YANG Xue-bing；吳威 WU Wei；蔡帥 CAI Shuai

（哈電風能有限公司，湘潭 411101）

1 概述

大型風力發電機組各大部件之間主要采用高強度螺栓連接，常用的螺栓緊固方法主要有扭矩法和拉伸法兩種。

扭矩法在緊固螺栓的過程中需要克服螺紋副之間、螺母與墊圈之間的摩擦力，以及工具擰緊螺栓時彎曲、扭轉變形造成的力矩損耗。根據工程經驗，一般只有10%~20%的扭矩轉換為螺栓最終的預緊力，而且預緊力的分散范圍比較大。

拉伸法避免了螺栓緊固時摩擦力對預緊力的影響，是行業內普遍認為較優的螺栓緊固方式。拉伸法首先將螺栓拉伸后，再將螺母旋至與安裝面貼合夾緊被連接件。在液壓拉伸器的拉伸力卸載后，螺栓、螺母、墊圈、安裝面首次承受載荷而發生彈性變形，被連接件厚度趨于減薄，螺栓殘余預緊力小于施工的拉伸力。在拉伸施工后一定時間內，由于螺栓組和被連接件應力釋放、安裝面塑性變形，進一步加劇預緊力的衰減。

為了最大程度避免拉伸法對螺栓預緊力衰減的影響，本文提出了超張拉伸補償預緊力衰減的方法，通過理論假設和實際工況驗證，對超張拉伸的參數選擇、施工過程、適用范圍做了初步探討，為制定螺栓緊固施工工藝提供依據。

2 理論模型

螺栓預緊力的作用是壓緊安裝面，使被連接件在工作載荷作用下仍有足夠的摩擦力抵抗工作載荷的切向分量，避免被連接件之間的滑移，乃至螺栓桿部直接受工作載荷剪切力的破壞，這是決定螺栓緊固時最小預緊力的主要因素。

超聲波測量螺栓預緊力是一種成熟的測量技術，由脈沖發生器、超聲波拾取器、溫度傳感器、測量分析軟件等組成[1]，測量具有無損、快捷、經濟環保的特點。根據聲彈性原理，在彈性變形范圍內超聲波的傳播速度與螺栓所受的應力大小成反比，通過試驗標定獲得應力與超聲波傳遞速度的變化關系，按照螺栓緊固前和緊固后超聲波軸向傳播時間差[1]，實現螺栓預緊力的高精度測量。

實際操作時，用超聲波測量儀測量螺栓在緊固過程中預緊力隨時間的變化數據，根據測量數據繪制螺栓預緊力衰減曲線，基于衰減曲線計算得到預緊力的衰減比例R。由目標預緊力F0和預緊力衰減比例R獲得超張拉伸力Fc，以超張拉伸力Fc為最終施工拉伸力對螺栓進行分級緊固，使螺栓預緊力衰減后的殘余預緊力Fw′能夠更加接近目標預緊力F0，降低由于螺栓殘余預緊力與目標預緊力之間的偏差導致螺栓連接強度不足而引發的風險[2]。

F0——目標預緊力，kN；

Fz——補償前，拉伸器加載時螺栓實際預緊力，kN；

Fk——補償前，拉伸器卸載時螺栓實際預緊力，kN；

Fw——補償前，螺栓預緊力衰減后開始趨于穩定的預緊力，kN；

Fc——補償后，拉伸器超張拉伸力，kN；

Fz′——補償后，拉伸器加載時螺栓實際預緊力，kN；

Fk′——補償后，拉伸器卸載時螺栓實際預緊力，kN；

Fw′——補償后，螺栓預緊力衰減后開始趨于穩定的預緊力，kN；

Tk——拉伸器卸載時螺栓預緊力急劇衰減結束的時間，h；

Tw——螺栓預緊力衰減后開始趨于穩定的時間，h。

圖1是以時間軸為橫坐標、螺栓在加載和衰減過程中的實際預緊力為縱坐標建立的坐標系[2]，包括以F0和Fc分別進行拉伸施工時的兩條預緊力衰減曲線，即補償前預緊力衰減曲線和補償后預緊力衰減曲線。

圖1 預緊力補償理論模型

3 驗證參數

3.1 驗證工況

預緊力的衰減是一個綜合的過程，受螺栓組和被連接件的質量狀態、施工工具、施工環境等因素的影響，因此采用實際工況驗證的方式，獲取螺栓在加載后預緊力的衰減曲線，能夠了解實際工況下螺栓預緊力的衰減比例，以便在施工時直接施加大于目標預緊力的超張拉伸力[2]。

3.2 目標預緊力

根據《機械設計手冊》，計算螺栓的工作載荷時，螺栓緊固后的預緊力一般不大于材料屈服極限的80%[3]，本文涉及的高強度螺栓按屈服極限的70%進行設計。

式中δ——螺栓材料屈服極限，10.9級高強度螺栓抗拉強度1000MPa，屈強比0.9，屈服強度900MPa；

A——螺栓應力截面積，M36螺栓應力截面積為817mm2。

即螺栓的設計預緊力為515kN±5%，目標預緊力F0與設計預緊力一致，同時用于拉伸力補償前的預緊力衰減數據采集。

3.3 施工分級

在對螺栓加載的過程中，螺栓及被連接件發生彈性形變，內部產生較大應力，在持續的預緊狀態下應力逐步釋放[2]。分多次逐級對螺栓進行預緊，每次預緊后螺栓能夠釋放一部分應力，使最終階段加載預緊力后螺栓釋放的應力比例最小[2]，保障螺栓能在安全載荷條件下對預緊力衰減進行補償。

測量獲得M36（10.9）螺栓殘余預緊力比列曲線，在同一施工條件下，將螺栓依次從100kN到600kN進行逐級拉伸，殘余預緊力比例呈上升趨勢?？紤]生產效率，驗證分三輪逐級施工，選擇目標預緊力F0作為驗證衰減比例和衰減時間的施工拉伸力。

3.4 衰減時間

圖2 殘余預緊力隨時間變化

通過預緊力補償理論模型，在對螺栓完成緊固后預緊力會不斷衰減，經歷急劇衰減期、緩慢衰減期，急劇衰減期衰減時間短、衰減幅度大，緩慢衰減期衰減時間長、衰減幅度小，兩者之間有明顯的拐點。

測量獲得M36（10.9）螺栓24小時預緊力連續衰減曲線，隨著施工時間的持續，殘余預緊力呈逐漸減小的趨勢，在一定的時間后曲線趨于水平，當12小時內衰減程度不大于施工拉伸力的0.5%時，認為預緊力已經基本達到穩定狀態。

3.5 極限超張拉伸力

根據《機械設計手冊》，M36（10.9）螺栓保證應力為830MPa，保證載荷即螺栓受載后不發生永久變形的最大載荷為678kN[3]，因此超張拉伸時的極限載荷應小于678kN。

4 操作步驟

①標定獲得螺栓應力與超聲波傳播速度的變化關系，生成標定數據。②設置螺栓規格、被連接件厚度等信息，將雙頭螺栓短頭螺紋擰入工件螺紋通孔內，將按法蘭圓周均布的4件螺栓端面作為超聲波拾取器磁吸安裝面。③測量獲得螺栓緊固前的超聲波傳播時間、螺栓初始長度L0數據。④將液壓拉伸器與螺栓長頭螺紋連接，對工件法蘭面整圈90件螺栓以目標預緊力F0按照十字交叉、對稱、逐級進行拉伸，第一輪按目標預緊力F0的40%，第二輪按目標預緊力F0的80%，第三輪按目標預緊力F0的100%，獲取加載時4件螺栓實時預緊力的變化數據。⑤擰緊螺母至與安裝面完全貼合后移除液壓拉伸器，等待螺栓預緊力衰減，獲取衰減過程中螺栓實時預緊力的變化數據[2]。⑥以時間軸為橫坐標、以螺栓在加載和衰減過程中的實際預緊力為縱坐標建立坐標系，形成預緊力衰減曲線[2]。⑦基于預緊力衰減曲線以及預緊力穩定判定條件獲取預緊力穩定時間Tw，預緊力穩定判定條件為在Tw后實際預緊力持續12小時衰減程度不大于施工拉伸力的0.5%，Tw對應的實際穩定預緊力為Fw[2]。⑧根據目標預緊力F0和實際預緊力Fw之間的關系計算獲得預緊力的衰減比例R=（F0-Fw）/F0[2]。⑨通過目標預緊力F0、預緊力衰減比例R及超張拉伸力Fc之間的關系計算Fc=F0/（1-R）[2]。⑩在新的工件上，用液壓拉伸器對均勻布置于工件法蘭面整圈90件螺栓按照十字交叉、對稱、逐級進行拉伸緊固，第一輪按目標預緊力F0的40%，第二輪按目標預緊力F0的80%，第三輪按超張拉伸力Fc。1○計算預緊力校驗值Fy，基于預緊力衰減曲線獲取在對螺栓施加目標預緊力F0時螺栓的實際加載預緊力Fz，根據目標預緊力F0與實際加載預緊力Fz計算隨機誤差偏差R1=（F0-Fz）/F0；基于預緊力衰減曲線獲取移除液壓拉伸器時螺栓的工具卸載預緊力Fk，根據目標預緊力F0、實際加載預緊力Fz和工具卸載預緊力Fk計算應力釋放偏差R2=（Fz-Fk）/F0[2]；根據目標預緊F0、超張拉伸力Fc、隨機誤差偏差R1和應力釋放偏差R2計算校驗值Fy，Fy=F0+Fc（R1+R2）[2]。12○超張拉伸間隔Tw+Tw×10%時間后，用校驗拉伸力Fy對預緊后的螺栓數量抽檢10%進行預緊力校驗，若螺母不能轉動，則確認校驗合格，若螺母可以轉動，則確認校驗不合格，按校驗拉伸力Fy對整圈法蘭面螺栓用十字交叉、對稱進行100%拉伸緊固[2]。13○對驗證工件，按校驗拉伸力Fy對整圈法蘭面螺栓用十字交叉、對稱進行100%拉伸緊固。

5 驗證結果

在某型號風力發電機組輪轂與變槳軸承連接螺栓上進行驗證，螺栓緊固工具選用杭州雷恩液壓設備制造有限公司生產的HTE36E液壓拉伸器，內插誤差1.2%，重復性誤差0.6%，按校準回歸方程計算拉伸器液壓與拉伸力對應值。預緊力測量選用長沙飚能信息科技有限公司提供的便攜式超聲波測量儀，校準精度±1%。

5.1 補償前的拉伸施工（表1、圖3）

表1 補償前拉伸的施工參數

圖3 補償前拉伸殘余預緊力

5.2 補償后的拉伸施工（表2、圖4）

表2 補償后拉伸的施工參數

圖4 補償后拉伸殘余預緊力

5.3 數據分析

拉伸力補償前，在驗證工件上按照目標預緊力515kN進行最終拉伸施工，獲得殘余預緊力最大值479.4kN，最小值426.6kN，均值449.3kN，標準差9.86，預緊力不足，均值小于設計要求65.7kN。按照驗證工件實際衰減比例將拉伸力補償了12.4%計算得超張拉伸力588kN在新的工件上進行施工，獲得殘余預緊力最大值532.6kN，最小值492.7kN，均值513.1kN，標準差9.51，符合設計要求。按衰減比例計算獲得校驗拉伸力562kN，在驗證工件上對整圈螺栓進行100%校驗，螺母可以轉動約5°~15°，在新的工件上按圓周均布抽檢10%螺栓，螺母不能轉動。

6 結論

①超張拉伸能對螺栓預緊力的衰減進行有效補償，其中超張拉伸力的數值確定至關重要。預緊力的衰減是一個復雜的過程，目前建議的方式是在施工經驗和理論計算的基礎上，進行實際工況驗證，并評估施工工具、螺栓規格、產品批次、施工工況對預緊力的影響，必要時需對預緊力進行重新驗證。②螺栓的保證載荷決定了螺栓超張拉伸力的上限，長徑比過小的螺栓超張拉伸力不能有效補償預緊力的衰減，行業規范《VDI2230高強度螺栓連接系統計算》也明確指出，螺栓夾緊長度與螺栓直徑比值小于4時，不適宜采用拉伸法緊固。③螺栓安裝在盲孔內拉伸加載時，因超聲波拾取器無法安裝不能實時測量螺栓預緊力，可考慮將無線超聲波拾取器安裝在螺栓的拉伸器作用端，或采用超聲波拾取器與拉伸器集成的系統。④用液壓扳手扭矩法緊固螺栓時，同樣存在預緊力衰減的問題，可以參照本文方案進行驗證。