风电机组变桨轴承联接螺栓断裂分析及治理

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杨张斌1,廖晖2,胡宗邱1,赵伟2,张斯翔1
(1.中国三峡建工(集团)有限公司,四川成都,610000;2.东方电气风电股份有限公司,四川德阳,618000)
摘要:针对变桨轴承螺栓断裂问题,进行螺栓断裂原因分析及各项螺栓性能测试,得出扭矩系数超标是影响螺栓断裂的主要原因,提出来改进措施,对风电机组的设计及安装维护具有重要的指导意义。

关键词:风电机组,螺栓,断裂,扭矩系数
中图分类号:TK83文献标识码:B文章编号:1674-9987(2023)03-0070-03 Fracture Analysis and Treatment of Connecting Bolt of Pitch Bearing of Wind Turbine
YANG Zhangbin1,LIAO Hui2,HU Zongqiu1,ZHAO Wei2,ZHANG Sixiang1
(1.China Three Gorges Construction Engineering Corporation,Chengdu Sichuan,610000;
2.Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)
Abstract:In view of the bolt fracture of pitch bearing,the bolt fracture reason analysis and various bolt performance tests are carried out.It is concluded that the excessive torque coefficient is the main reason affecting the bolt fracture,and the improvement measures are put forward,which has important guiding significance for the design,installation and maintenance of wind turbine. Key words:wind turbine,bolt,crack,torque coefficient
基金项目:中国长江三峡集团有限公司科研项目
第一作者简介:杨张斌(1983-),男,硕士研究生,高级工程师,参与三峡集团与东方风电10MW海上风电机组联合研制与示范应用项目。

通讯作者简介:廖晖(1984-),男,硕士研究生,高级工程师,毕业于重庆大学机械设计及理论专业,主要从事风电机组整机设计工作。

电话:139****5016。

DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2023.03.016
0引言
风电机组变桨轴承螺栓用于联接风电机组变
桨轴承与轮毂,是风电机组的重要联接元件之一,
其联接的可靠性直接关系到风电机组变桨轴承及
叶片运行的安全[1]。

随着风电机组功率增大,叶片
长度增加,机组载荷增大,变桨轴承的联接螺栓
显得越来越关键。

近年来,在役风电机组变桨轴
承螺栓发生断裂时有发生,甚至导致变桨轴承连
同叶片掉落的事故,产生非常大的损失,因此,
有必要对风电机组变桨轴承螺栓断裂原因进行分
析并寻找合适的解决方案。

1变桨轴承螺栓断裂情况
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变桨轴承螺栓承受的载荷主要有风电机组叶片产生的重力及叶片气动载荷,叶片不停地旋转,重力方向虽然没变,但因螺栓圆周分布,随着叶片所处方位不同,不同位置的螺栓受到的载荷大小和方向是会改变的,而气动载荷则是随着风速大小变化的,因此螺栓受到的这两个载荷都是交变的,而这两个载荷中叶片的重力载荷更大,对螺栓的强度影响起主要作用[2]。

且变桨轴承螺栓载
荷交变最大的位置位于叶片运行状态下的前缘与后缘附近,螺栓实际失效也以这两个位置为主。

通过收集某风电机组失效变桨轴承螺栓6件,实物如图1所示。

螺栓材质为42CrMo ,性能等级为10.9级。

为方便描述,现将6枚螺栓分别编号为:1#、2#、3#、4#、5#、6#。

从失效件宏观形貌可见,1#螺栓断裂部位位于螺栓头杆连接处,2#、3#和4#螺栓断裂位于螺纹段,5#和6#螺栓断裂位于螺纹收尾处。

图1断裂变桨轴承螺栓宏观形貌
对断口进行分析,6枚失效螺栓宏观形貌显示:1#螺栓断裂位于头杆连接处,呈多源性断口,断面约90%区域可见明显“海滩花样”;2#、3#螺栓断裂位于螺纹段,断面均存在明显的裂纹扩展区和瞬断区,裂纹扩展区均可见明显的“海滩花样”,裂纹扩展区微观均可见典型的疲劳条带特征。

4#螺栓断裂位于螺纹段,5#螺栓断裂位于螺纹收尾处,断面均可见明显的两部分区域,微观形貌显示两部分区域均为韧窝形貌。

6#螺栓断裂位于螺纹收尾处,断口呈斜茬状,轴向横跨约6颗螺纹,断口微观均为韧窝形貌。

因此,6枚螺栓中,1~3#螺栓断裂模式为疲劳断裂;4~6#螺栓断裂模式为过载断裂。

2变桨轴承螺栓检测分析
2.1螺栓金相分析
选取2枚六角头螺栓,进行螺纹金相检测,对螺栓与螺母啮合的第一扣螺纹和其他部位螺纹进行对比分析。

为描述方便,现将2枚螺栓分别标记为1#和2#进行金相分析。

对待检测部位标记后取样分析,图2所示为1#螺栓啮合螺纹和其他螺纹的金相组织,可见螺纹牙型完整,均未见明显变形。

除牙顶存在轻微脱碳和折叠之外,其余部位未见折叠、裂纹等缺陷。

(a )啮合部位
(b )其他部位
图21#螺栓螺纹金相组织
2#螺栓螺纹啮合部位和其他部位螺纹金相组
织如图3所示,可见螺纹牙型完整,均未见明显变形。

未见明显脱碳、增碳、折叠、裂纹等缺陷。

(a )啮合部位
(b )其他部位
图32#螺栓螺纹金相组织
图4所示为1#、2#螺栓芯部金相组织,显微组织均为均匀的回火索氏体,未见明显异常。

(a )1#
(b )2#
图4螺栓芯部金相组
织
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综上分析,两枚螺栓芯部组织都为均匀的回
火索氏体,未见明显异常。

螺栓与螺母啮合部位
和其他部位螺纹均未见明显变形。

1#螺栓螺纹牙
型完整,除螺纹牙顶存在轻微脱碳和折叠之外,
其余部位未见折叠、裂纹等缺陷。

2#螺栓螺纹牙
型完整,均未见明显脱碳、增碳、折叠、裂纹等
缺陷。

2.2螺栓力学性能及化学成分测试
对变桨轴承螺栓进行力学性能及化学成分测
试,螺栓力学性能测试见表1。

表1螺栓力学性能测试
因此,螺栓力学性能测试满足要求。

螺栓化学成分测试见表2。

表2螺栓化学成分测试
因此,化学成分测试满足要求。

2.3螺栓扭矩系数检测
螺栓的使用寿命与螺栓的预紧力关系密切,
可通过测螺栓扭矩系数的方式间接获得测试结果,
见表3。

表3螺栓扭矩系数测试
实测螺栓扭矩系数平均值为0.16,而要求值
是0.13,实测扭矩系数值偏大26%,因此螺栓预
紧力就比要求值小26%。

同时采用便携式螺栓预
紧力测试仪进行螺栓预紧力检测验证,测试结果
表明螺栓预紧力确实减少了26%左右。

经过计算
可知,该螺栓预紧力减少26%,而相应寿命确减
少了70%,因此螺栓疲劳寿命大大降低,导致螺
栓提前断裂。

螺栓扭矩系数过大导致螺栓预紧力
过小,从而螺栓的疲劳应力幅变大,螺栓疲劳寿
命变短。

因此螺栓扭矩系数偏大是螺栓疲劳断裂
的主要原因。

结合断口分析结论,可知螺栓是在
逐步疲劳断裂后,引起剩余螺栓的过载断裂。

3螺栓断裂处理措施
针对螺栓扭矩系数过大导致螺栓预紧力不足,
引起螺栓疲劳断裂的处理措施,可以采用如下两
个方案:
(1)因变桨轴承螺栓实测扭矩系数比要求值大
26%,为保证螺栓疲劳寿命满足要求,变桨轴承
螺栓维护扭矩需提高26%。

需加大风场巡检频次
并加强维护,增加扭矩1个月后进行一次螺栓检
查,后续每3个月对变桨轴承连接螺栓进行一次
排查,持续一年时间。

(2)后续如有断裂的螺栓,则更换为双头螺柱,
用拉伸器方式安装螺栓,采用拉伸器安装螺栓能
更好的控制螺栓的预紧力[3]。

4结论
随着机组功率的加大,叶片的增长,载荷的
飞跃,变桨轴承螺栓越来越显示出其重要地位。

采用力矩扳手安装的螺栓,必须严格控制螺栓的
扭矩系数,螺栓的扭矩系数直接影响螺栓的预紧
力,进而影响螺栓的疲劳寿命。

为更换的控制螺
栓的预紧力,尽可能采用拉伸器进行螺栓的安装
维护。

参考文献
[1]龙振宇.机械设计[M].北京:机械工业出版社,2002.
[2]DNVGL.DNVGL-ST-0361:Machinery for wind guide⁃
line[S].DNVGL,2016.
[3]龚学进,郑大周.提高大功率风电机组高强度连接螺栓疲
劳设计寿命的方法研究[J]装备制造技术,2019(5):96-100.
测试项目
抗拉强度,R m/MPa
屈服强度,R p0.2/MPa
断后伸长率,A/%
断面收缩率,Z/%
冲击吸收能量/J
要求值
≤1180
-
-
-
≥27
测试结果
1167
1069
16
57
35/33.5/37
结论
符合
-
-
-
符合
测试项目
C/%
Si/%
Mn/%
P/%
Cr/%
要求值
0.39~0.44
0.18~0.36
0.51~0.79
≤0.02
0.91~1.19
测试结果
0.42
0.26
0.63
0.01
1.04
结论
符合
符合
符合
符合
符合
测试项目
扭矩系数
要求值
0.13测试结果
0.16结论
不符合
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