随机载荷作用下的风力发电机高强度螺栓疲劳特性分析

摘要：本文主要就随机载荷作用下的风力发电机高强度螺栓疲劳特性进行了简要的分析，以其相关的力学特征、计算方法、影响因素等为切入口，探讨随机载荷作用下的风力发电机高强度螺栓疲劳特性的内在规律，为提高风力发电机高强度螺栓的使用性能与安全性能提供可靠的理论基础，继而促进我国风力发电机相关技术的进步。

关键词：随机载荷;风力发电机;高强度螺栓;疲劳特性

前言

高强度螺栓对风力发电机的使用性能以及安全性能有着非常重要的影响，是风力发电机当中具有中重要作用的部件[1]。高强度螺栓的主要作用是固定发电机与塔架直接的连接性，由于风力发电机的扭力存在许多的不稳定因素，高强度螺栓在长时间的载荷作用力下容易出现使用性疲劳，鉴于此，必须要对随机载荷作用下的风力发电机高强度螺栓疲劳特性进行探究，从其力学特征、工作状态等因素考虑。高强度螺栓随着风力发电机的载荷作用的不同而随时变化着。目前，我国的风力发电技术领域经常采用法兰面状态对高强度螺栓疲劳特性进行判定[2]。法兰面状态是一种多线性模型，与传统的单一性模型相比较，疲劳特性的判定更为准确。

本文分析了高强度螺栓的力学特征，采取SEIDEL的分析方法以及雨流计数法，就高强度螺栓疲劳特性进行计算，根据计算的结果合理修正高强度螺栓的角度、水平线等方面的内容。

1.风力发电机高强度螺栓的力学物理分析

1.1预紧力分析

随机载荷作用下的风力发电机由于需要高速转动，所产生的甩力与扭力非常大，如果螺栓组的预紧力不足，风力发电机很有可能会直接损坏，为了保证螺栓组的可靠性，必须要施加相应的预紧力。当预紧力太大的时候，风力发电机与螺栓组的接面承受力不足，往往会直接导致螺栓被扯断，受压面爆裂而被压溃。当预紧力太小的时候，风力发电机与螺栓组的接面粘合力不足，在风力发电机强大的扭力之下，两者发生位移，造成风力发电机的损坏。因此，合适施加风力发电机与螺栓组的预紧力显得尤为重要，计算预紧力的正确公式为：

F1=（0.7～0.8）asAs，bolt

其中，as为螺栓材料的屈服点数值，常以MPA表示;As，bolt为公称应力截面积;以mm?表示。一般而言，预应力经过初步计算之后，往往需要进行二次检验才允许被应用于实际的风力发电机高强度螺栓预紧力施加，二次检验的结果与首次计算的结果的误差低于0.05，即被视为合理，可进行施加。施加预紧力的方法主要有三种：一是拉伸法，二是转角法，三是扭矩法，其中扭矩法的应用最为广泛。笔者仅以扭矩法的具体安装方法进行阐述，首先，螺杆与螺母，使用的材料多为S2Mo;其次，在螺杆与螺母直接加装铁质垫片;最后，强力拧合。

1.2外载荷分析

对于风力发电机高强度螺栓外载荷力的确定，常规的方法是寻找螺栓组当中受力最大的一颗螺栓，通过预紧力的计算公式，计算出其受力值。由于螺栓与法兰面的形心几乎是完全重合的，因此需要我们可以结合螺栓的预紧力值与其受力的特点，计算出正确的外载荷力，计算的公式如下：

其中，R为螺栓的圆半径，计数单位为mm;M为连接处倾覆力矩;β为轴心与螺栓的夹角数值，计数单位为x°;Z为螺栓组中螺栓的总数;i为计数符号;Fz为随机载荷作用下的风力发电机塔架坐标图中的y轴的数值。

1.3相对刚度分析

为了使随机载荷作用下的风力发电机高强度螺栓的咬合力更加符合使用要求，往往必须把载荷合理分配，经过分配的载荷我们一般称之为相对刚度[5]。在相对刚度当中，螺栓与风力发电机的连接部件便不再是固定元件了，具有可变化性。与所有的螺杆一样，高强度螺栓中的螺杆也具有两种类型，分别是光杆螺杆与螺纹螺杆，虽然这两种螺杆的使用方法与使用范围有所不通，然而在相对刚度的计算当中，两者之间的差异允许被忽略不算，同样作为风力发电机中弹簧的串联部件，与预紧力以及外载荷不同，相对刚度的计算公式有多条，并不固定，笔者在此仅列举常用的两条计算公式，以供参考，如下：

，

其中，lc为夹紧长度，计数单位以mm表示;Db为螺栓设计直径，计数单位以mm表示;E为螺栓的弹性模量，计数单位以MPA表示。

1.4连接工作状态分析

螺栓组的连接工作状态主要是依据法兰面的工作状态、载荷的数值、单个螺栓的应力范围三者结合而确定的。其中，单个螺栓的应力范围可划分为两个部分，分别是ZⅠ以及ZⅡ。一般而言，螺栓组的连接工作状态主要包括闭合、张开、半闭半张三种状态，计算方法各有不同。首先是螺栓组的闭合状态，其计算公式如下所示：

其次是螺栓组的张开状态，其计算公式如下所示：

最后是螺栓组的半闭半张状态，其计算公式如下所示：

其中，F1为预紧力，计数单位为kN;FD为纵坐标值，即是螺栓组所承受的载荷值，计数单位为kN;F为外载荷，计数单位为kN;b为螺栓孔与法兰面的直线距离，计数单位为mm;x为载荷分配系数。

2.高强度螺栓疲劳特性的计算方法

随机载荷作用下的风力发电机高强度螺栓在长时间的使用下，经受多次强力拉扯与弯曲，其表面往往会呈现出细微的裂痕，随着时间的推移，细微的裂痕会逐渐扩大，直至整个螺栓完全断裂。螺栓疲劳的整个结构可以理解为：螺杆的所承受的压力超出了其本身的设计承受范围，抗弯的刚度因长期的使用而被大大削弱，并且渐渐完全丧失，当螺杆的抗弯刚度不复存在，而随机载荷作用下的风力发电机的运行强度越来越大的时候，此消彼长，高强度螺旋的疲劳性便显现无疑，导致风力发电机损坏。一般而言，我们在对高强度螺栓疲劳特性进行分析的时候，必须要先选取合适的疲劳应力，结合预紧力、外载荷、相对刚度三者的具体数值，加以计算，可得出高强度螺栓的交变值，当交变值越大，证明疲劳度越高，反之亦然。具体的计算公式如下所示：

除此之外，笔者认为高强度螺栓疲劳函数曲线很大程度上受到对称循环载荷作用力的影响，因此，在经过上式的计算之后，得出的交变值可绘制成高强度螺栓疲劳函数曲线，随后需要进行检验，即是在高强度螺栓疲劳函数曲线的基础上，加入循环参量再次加以计算，根据二次计算的结果对高强度螺栓疲劳函数曲线进行修正，具体的计算公式如下所示：

当高强度螺栓出现疲劳显行特征时，风力发电机的运行安全便受到了严重的威胁，鉴于此，必须要对高强度螺栓的疲劳安全寿命进行准确的估算，以便及时更换螺栓，保证风力发电机的运行安全。通常情况下，我们都是使用线形损伤累积法则（Palmgren Miner）进行计算，计算的公式如下所示：

其中，D（T）为周期内高强度螺栓的总损伤值;N（Sk）为破坏寿命;Sk为对称循环应力水平。此外，当高强度螺栓的疲劳特征达到临界点的时候，需要及时予以更换。更换的时候，相关的工作人员先使用电动扳手将原先的螺栓拧松，随后取下;其次，安装新的高强度螺栓，先是手动旋合，然后再使用电动扳手施加相应的预紧力;最后，对预紧力进行检验，计算其预紧拉力是否符合使用标准。

3.风力发电机塔筒高强度螺栓选择标准

目前，我国市面上流通的风力发电机塔筒高强度螺栓的型号与标准较为繁多，如果选用了错误的螺栓，难以满足风力发电机塔筒正常的使用要求，那么对风力发电机所造成的影响将会是巨大的，严重时会造成人员伤亡，鉴于此，笔者认为必须要根据风力发电机塔筒的建成年限、设计使用寿命、整体高度、横截面宽度等因素进行详细的分析，选择合适的高强度螺栓。笔者在此仅以我国某地2MW风力发电机的基础环以及首节塔筒高强度螺栓为例进行简要的论述，作为选择风力发电机塔筒高强度螺栓选择标准的参考。

首先，根据（GL）的相关规定，合理假设螺栓的疲劳载荷工况，通过1.2节中的公式计算出随机外载荷，并将风力发电机塔筒顶部位置的随机外载荷与底部位置的随机外载荷进行比对，并绘制高强度螺栓疲劳函数曲线表，再通过线形插值计算出多个位置的螺栓载荷，以类比的方法推测风力发电机塔筒高强度螺栓的扭力承受上限数值，如果此数值高于先前假设的螺栓的疲劳载荷工况，则以风力发电机塔筒高强度螺栓的扭力承受上限数值作为选用高强度螺栓的标准，如果该数值低于先前假设的螺栓的疲劳载荷工况，则以假设的螺栓的疲劳载荷工况作为选用高强度螺栓的标准。

4.环境因素对高强度螺栓的影响

风力发电机的运行环境都是空旷的平野或海上区域，所经受的自然条件的考验非常严峻。与此同时，高强度螺栓的疲劳性除了自身使用寿命的制约之外，外部自然环境的侵蚀也是不容忽视的重要因素。陆上风力发电机的运行环境相对而言要理想一些，对高强度螺栓的影响因素包括雨水的侵蚀，出现锈化现象，太阳的长期暴晒，致使钢制的高强度螺栓的内部分子结构发生变化，整体的硬度与韧度都大大下降，为风力发电机的运行造成了较大的安全隐患。

而海上风力发电机的运行环境则比较恶劣，非常容易遭受盐雾以及油浸的侵蚀，由于海水的盐度非常高，在阳光的作用下蒸发成汽，并且海上环境的昼夜温差比较大，容易形成盐雾，而钢铁材质的高强度螺栓对盐度非常敏感，即便是涂刷了防锈油漆，也非常容易产生锈化现象。此外，海上风力发电机的部分高强度螺栓需要浸没在海水之中，进一步降低了高强度螺栓的使用性能，疲劳性特征更加明显。因此，风力发电站的相关工作人员，需要定期对风力发电机的高强度螺栓进行检修，对于已经出现严重疲劳特征的高强度螺栓，必须要及时进行更换，以保证风力发电机的正常运行。

5.陆地风电和海上风电高强度螺栓的具体区别

由于陆地风力发电机与海上风力发电机的工作环境存在着非常明显的差异，因此，为了保证两者.陆地风电和海上风电的使用性能与安全性能，必须在深入分析两者工作环境的差别之后，选用合适的高强度螺栓，以满足随机载荷作用下的使用要求。

通常情况下，陆地风电的运行环境要优于海上风电的运行环境，海上风电的高强度螺栓由于长期经受盐雾以及油浸的侵蚀，其内部分子结构守恒性较较差，并且容易出现锈化现象，刚度与韧度都大大下降，而陆地风电的高强度螺栓的工作环境除了雨雪天气之外，整体的工作环境比较干燥，其内部分子结构守恒性相对较好，出现锈化的期限更长，这是陆地风电和海上风电高强度螺栓的具体区别之一。鉴于此，必须要充分认识到陆地风电和海上风电高强度螺栓的具体区别，主要考虑轴线荷载以及倾覆弯矩的具体情况，一般而言，海上风电高强度螺栓的轴线荷载以及倾覆弯矩的数值要比陆地风电的要大，抗疲劳的性能要求也更高。

6.结语

总而言之，风力发电机的内部结构与外部结构都非常复杂，零部件的种类与数目都比较多，螺栓的作用往往被忽视， 而螺栓对于风力发电机却有着较大的影响，如果螺栓出现疲劳性特征而得不到及时的更换，那么其与风力发电机与塔架的连接性就会大大降低，在强大的扭力与甩力的共同作用下，风力发电机非常容易损坏。鉴于此，笔者认为风力发电站的相关工作人员都应该充分认识到螺栓的重要性，强化螺栓的选用、安装、、维护、检测、更换等方面的工作力度，避免已经存在疲劳性特征的螺栓继续在工作，杜绝风力发电机的相关安全隐患。本文就螺栓的预紧力、外载荷、相对刚度、连接工作状态进行了简要的分析，并列举了几条有关于高强度螺栓疲劳特性的计算公式，阐述了风力发电机塔筒高强度螺栓选择标准、环境因素对高强度螺栓的影响、陆地风电和海上风电高强度螺栓的具体区别等内容，以期促进我国风力发电事业的平稳发展。

参考文献：

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[4]李振强.兆瓦级风力发电机高强度螺栓联接静力学性能分析[D].湖南大学，2013.

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