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风电机组变桨连接螺栓断裂原因分析及预防措施

摘要
风力发电机叶片是一个纤维增强复合材料制成的薄壳结构。叶片工作时，根部承受着复杂的剪切、挤压、弯扭载荷组合作用，应力状态复杂易产生结构失效，所以叶片根部连接必须具有足够的强度、刚度、局部稳定性、胶接强度和疲劳断裂强度。一旦叶根部位出现连接失效问题，叶片与风力机转子轮毂分离，发电机无法正常工作，甚至导致灾难性的质量和安全事故。因此，对风机叶片连接螺栓状态进行监测成为了必要的手段，某公司针对风电机组变桨连接螺栓断裂情况，对叶片连接螺栓断裂进行了原因分析，并提出预防及监测措施，以确保机组安全稳定运行。
关键词：变桨连接螺栓；疲劳断裂；预紧力
0引言
风电叶片是风力发电机组捕获风能的核心部件，其工况复杂、工作载荷很大，设计上要求达到安全运行二十年的使用寿命要求。叶片在运转过程中，同时承受着气动力、重力及离心力等复杂载荷的作用，其中叶片根部连接成为叶片设计中最关键的部分（如图1）。由于叶根的载荷最大，而且应力状态复杂，承受着复杂的剪切、挤压、弯扭载荷作用，所以叶根连接必须具有足够的机械强度与弯扭刚度。叶根的受力方式也极为复杂，同时承受拉伸、压缩、扭转及剪切等复杂应力的作用。叶片根部连接螺栓断裂而导致风电机组运行事故是一种常见的故障模式。

图 1 叶片与轮毂链接示意图
1叶片根部连接螺栓断裂的主要故障及根源分析
目前，叶根与轮毂链接的的方式主要由三种：“T型螺栓”连接方式，螺栓套筒预埋连接方式，金属制根部连接件连接方式。在正常工作状态中，叶片叶根螺栓连接是紧连接，承受着交变载荷。
“T 型螺栓”连接( 包含双头螺栓及横向螺母) ，也称“IKEA” 连接，是风机叶片最广泛的螺栓连接结构之一，本文重点考虑“T型螺栓”连接方式。在叶片根部断面沿叶根节圆均匀分布多组高强度螺栓组，每组螺栓由双头螺杆和交叉螺母组成，叶片根端有两组均匀分布且互相对应螺栓孔和螺母孔，交叉螺母安装在径向螺母孔中，双头螺杆安装在轴向螺栓孔中，双头螺杆一端与交叉螺母连接，另一端伸出断面与主机轮毂连接，从而将叶片与主机联为一体（如图2）。

图 2 “T型螺栓”连接详图
对于叶片，在长度增加且保证额定功率不变的前提下，必然的结果是载荷的增加，叶根连接方式是叶片载荷传递至轮毂的“桥梁”。依据叶片根部与轮毂连接的实际情况，假设以螺栓轮毂端为固定基础，螺栓杆、横向螺母及叶片叶根复合材料之间建立接触：螺栓与横向螺栓实际为螺纹紧固连接，不会发生分离或相对位移，应建立为绑定接触；螺栓杆及复合材料间实际中会发生分离或相对位移，应建立摩擦接触；横向螺母与符合材料之间同样可发生分离或相对位移，应建立摩擦接触（如图3）。由分析结果可见：（1）“T型螺栓”方式叶根复合材料受力较大，双头螺栓和横向螺母受力较大区域在叶根螺栓孔内，即叶根端面至横向螺母孔段螺栓和螺母容易发生损伤破坏；（2）螺栓连接受力，在壳体最低点应力最大，并向叶片前缘和后缘合模缝递减。

（a）外界受力

（b）螺栓部位受力分解 （c）受力变形曲线
图3 叶根连接受力分析
影响风电叶片根端螺栓疲劳寿命因素中，螺栓预紧力大小是最主要内容。风电叶片根端螺栓安装预紧力是保证相互间紧密性和稳定性作用，有效避免受复杂交变载荷后出现连接缝隙或相对滑移，合理设计螺栓的预紧力可有效避免高周疲劳断裂。大部分情况下发生断裂的叶片连接高强螺栓为典型的多源疲劳断裂，造成断裂的载荷主要是拉伸及剪切应力作用。叶片螺栓受力复杂，除了受到风载荷造成的拉伸、压缩应力作用外，还受到机舱偏航、叶片变桨的扭转应力造成的剪切用力作用，风力变化时及旋转过程中还受到叶片重力及旋转产生的疲劳应力作用。这种疲劳应力在螺栓预紧力不足时造成疲劳应力幅值过大，导致叶片螺栓的早期疲劳失效。
2螺栓断裂预防及监测措施
1.
1. 规范螺栓润滑要求
螺栓润滑剂涂抹不规范会导致螺栓扭矩系数偏差，进而造成预紧力的不一致与不均匀，为叶片螺栓断裂埋下隐患。螺栓紧固采用全润滑方式，全润滑方式首先保证螺栓与螺母的螺纹旋转和润滑部位，在螺纹上均匀涂抹润滑脂，保证螺纹旋合处均匀充分涂抹，螺纹螺牙内充分均匀，没有亮层锌面裸露。另外螺母与垫片的接触面同样应充分均润滑，保证螺母与垫片的接触面无锌层裸露。
1.
2. 螺栓预紧力检测
针对在役机组的叶根螺栓，定检维护时采用电磁超声波螺栓轴力检测设备进行预紧力检测，电磁超声技术是通过电磁耦合现象在检测工件内部产生超声波，并对工件进行检测的新型无损检测技术。采用电磁超声波技术可有效监测叶根螺栓轴力大小，实现预紧力数值读取。通过现场测量轴力值再施工，实现以检代修、代换的运维策略，避免对轴力正常的螺栓产生损伤；其次对需要复拧的螺栓，采用轴力法施工， 以恢复设计规定的预紧力，避免扭矩反复拧操作产生较大的螺栓预紧力偏差。并根据轴力检测结果判定螺栓连接的有效性，制定维护计划，避免无效复拧对螺栓的损伤。
1.
3. 螺栓在线监测
叶根螺栓断裂轻者断裂螺栓在轮毂内撞击传感器，重者会导致叶片脱落的事故发生。公司自研一款螺栓监测系统实现叶片螺栓连接状态监测，避免造成更大损失。螺栓监测系统由预警装置、螺栓帽、接线冷压端子、导线、云报系统组成，叶片螺栓上方安装带有空心圆环的螺栓帽，将监测信号导线穿入空心圆环中并设置分接点。当叶片螺栓断裂，螺栓帽随叶片螺栓掉落使分接点断开，监控信号丢失，信号传输丢失实现告警，预警装置将监测状态传入云报系统，实现叶片螺栓断裂告警。叶片螺栓预警系统连接可靠，设置多分接点监测，叶片螺栓全覆盖，能够有效监测叶片螺栓状态并发出告警信号，防止因叶片螺栓断裂造成二次破坏及质量事件。
3结束语
叶片连接螺栓的状态将直接影响风力发电机组运行的安全性及可靠性。影响风电叶片根端螺栓疲劳寿命因素中，螺栓预紧力大小是最主要内容，保证螺栓润滑状态，实现螺栓预紧力检测及螺栓在线监测功能能够有效保证叶片螺栓工作状态，也是保证风力发电机组安全运行的重要手段。

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