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關于風電螺栓扭矩系數與摩擦系數的探討

2012-08-21 來源:《風能》 瀏覽數:1284


  因為目前針對螺紋副摩擦系數的檢測設備主要是歐洲尤其是德國的,檢測報告也就以歐洲習慣的符號表示,所以這里有必要將歐洲的上緊力矩、預緊力與摩擦系數的公式解釋一下:

式中:T—上緊扭矩
   F—預緊力
   P—螺距
   D0—支承面外徑
   d2—螺紋中徑
   dh—螺栓通過的墊圈或支承零件的孔徑
   μb—支撐面的摩擦系數
   μth—螺紋摩擦系數
其中:

式中:Tt h—螺紋扭矩
   Tb—支撐面的摩擦扭矩
   Db—支撐面摩擦的有效直徑
這里有兩個摩擦系數,一個是支撐面摩擦系數,一個是螺紋摩擦系數,它們分別對扭矩轉換有什么影響呢?我們看一組據。

  從檢測數據中可以看出,當螺紋摩擦系數一定時,K/ μ隨支撐面摩擦系數變化小,而當支撐面摩擦系數一定時,K/μ 隨螺紋摩擦系數變化大。也就是說,在兩個摩擦系數中,要考慮K值穩定,讓軸力符合設計范圍并均勻一致,就要對螺紋摩擦系數更加關注,即在實際裝配操作工藝過程中對螺紋摩擦更加重視。在螺母上緊的實際過程中,前期在螺母未擰到接觸面時的松配合情況下,螺母的螺紋朝著螺栓頭的一面與螺栓接觸,而在后期預緊扭矩上升的過程中,螺母的螺紋是背對螺栓頭的一面與螺栓接觸,為了保證在后期有充足的潤滑劑填充在螺紋副接觸面之間,從工藝上保證螺紋摩擦系數的一致性,從而保證扭矩系數的一致性,進而保證預緊力均勻一致,這里建議在螺栓上涂抹潤滑劑時采用刮涂的工藝,讓牙扣中充滿潤滑劑。
  同時,研究發現,在螺栓松動時,往往先是螺栓和螺母的螺紋嚙合部位發生松動,之后才是支撐面的滑動。(Tanaka, M.,Hongo, K., and Asaba, E., 1982,“ Finite Element Analysis of theThreaded Connections Subjected to External Loads,” Bull. JSME,25, pp.291–298.)也就是說,在相同表面狀態的條件下,螺紋摩擦是弱點,(這從上緊力矩的分配中也可以看出),要考慮防松,我們也要對螺紋摩擦系數多關注一些,與檢測數據的表格分析一致。但這并不表明支撐面摩擦就不重要了,因為畢竟其摩擦占力矩分配的50%,前述分析是相對而言的。
  摩擦系數增大,則上緊力矩轉換成預緊力的比例減小,要得到相同的預緊力,上緊扭矩必然需要增大,而過大的上緊扭矩會導致工具易損、操作危險等。摩擦系數減小,則上緊力矩轉換成預緊力的比例增加,在相同的上緊力矩下,會引起預緊力的倍增,如摩擦系數過小,則預緊力與上緊力矩的關聯敏感性過強,會放大上緊扭矩誤差,易引起過載;同時摩擦系數過小,在相同的預緊力條件下,上緊力矩就會很小,這樣松動力矩必然也很小,螺栓易松動,風電機組可靠性大大降低。
  那么摩擦系數在一個什么樣的范圍內才合適呢?目前筆者沒有找到可以計算的公式,只有一個經驗值供大家參考。在德國,推薦的摩擦系數范圍是0.07  0.12。這里要注意的是,3個摩擦系數都應在這個范圍內,即螺紋摩擦系數、支撐面摩擦系數以及總摩擦系數都必須在0.07  0.12 之間。摩擦系數大于0.12,則上緊力矩會過大,小于0.07 則可能導致易松,在這個范圍內,被認為是合適、可靠的。
  綜上所述,我們在考慮風電螺栓緊固問題時,不能僅僅關注扭矩系數K,還要關注摩擦系數μ,這才能讓我們的風電機組更安全可靠。 

【延伸閱讀】

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閱讀上文 >> 基于ANSYS的風電機組葉片的建模研究
閱讀下文 >> 利用掠-扭耦合效應降低風電機組葉片載荷的研究

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