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技術文章

關于風電螺栓扭矩系數與摩擦系數的探討

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螺栓,作為風電機組主要的連接方式之一,應用在輪轂、齒輪箱、葉片連接、塔筒連接等諸多關鍵部位,螺栓的安全關系到整個風電機組的安全可靠運行。在風電機組中使用高強度螺栓,就是為了獲得較高的預緊力,但螺栓質量、裝配方法、擰緊工具、操作者都會影響到最終螺紋的連接質量,從而影響螺栓的預緊效果。本文主要探討螺栓上緊時需要重視的兩個重要系數,扭矩系數和摩擦系數。
Ⅰ 扭矩系數K
螺栓上緊扭矩T與軸向力F有如下的關系:
T=K•D•F
其中D為螺栓公稱直徑,K稱作扭矩系數。
扭矩系數K,是一個由實驗確定的常數。它的值取決于螺紋副的幾何形狀以及螺紋副的摩擦情況。從公式中可以看出,扭矩系數K決定了在上緊扭矩的轉化中軸向力所占的比例,因此這個系數對螺栓緊固的研究非常重要。
首先,緊固件的幾何形狀決定了多大的上緊扭矩可以產生一個特定的預緊力,這里,螺距是一個決定性因素。螺栓是一個幾何體,它相當于一種“螺旋上升的平面” ,因此影響了整個螺紋連接中力的分布情況(《實現螺栓可靠裝配的10個步驟》Dr. Volker Schatz 著,P13)。因為這個幾何形狀取決于螺栓生產廠家,這里我們不做分析。
第二個影響因素是摩擦情況,能讓摩擦發生變化的因素都能對扭矩系數產生影響,例如螺栓表面是否有潤滑劑,如果選擇了潤滑劑,潤滑劑的種類和具體應用工藝的變化也都會對系數K產生影響。
隨著螺紋表面摩擦條件的不同,轉化的預緊力也不相同。螺栓潤滑條件越好,同一預緊扭矩下轉化的預緊力就越大,即扭矩系數K越小。我們在上緊過程中需要的是穩定適中的預緊力,即需要一個穩定的扭矩系數K來保證同一法蘭面預緊力的均一性。在上緊扭矩T相同的條件下,K值過大,則轉化的預緊力太小,達不到設計的預緊要求;K值過小,則會放大誤差,由于整個操作、監測等的系統性誤差,如扭矩扳手就有±4%的誤差,易導致軸力過載,螺紋連接副失效;K值不穩定,則轉化的預緊力不一致,容易形成應力集中。使用潤滑劑能夠使螺栓扭矩系數的穩定性和一致性大大提高,有效避免這些風險,因此風電行業內針對有較高扭矩要求的螺栓廣泛采用抗咬合潤滑劑。
在具體施工中,不同的涂抹方式會對最終的潤滑效果產生很大影響,反映到最終結果即是扭矩系數K的變化。目前風電行業對于高強度螺栓涂抹抗咬合劑有兩種比較普遍的方案:
1)只涂抹螺紋的嚙合部位,即螺栓的螺紋嚙合部位,如圖1中A所指。此種方案扭矩系數在0.11~0.15之間,視不同的潤滑劑和不同的螺栓種類而定。
2)不僅涂抹螺栓的嚙合部位,還要涂抹支承面,即螺栓頭部下端面與墊圈的接觸部位(針對在螺栓頭部施加扭矩的工藝,如針對螺母施加扭矩,則涂抹的是螺母與墊片接觸的端面)。此種方案扭矩系數在0.08~0.13之間。

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