Page 25 - 理化检验-物理分册2019年第六期

王 荣: 风能发电机组结构件的失效分析与预防

式.螺栓作为风电机组的主要连接件之一, 主要应
用于轮毂总成、 齿轮箱总成、 偏航系统、 塔筒等诸多
关键部位.螺栓是否能够安全服役, 关系到整个风
电机组的安全可靠运行.
以某 MW 级别的风电机组为例, 其一个叶片与
轮毂处的连接螺栓就有 ５２ 个, 如图 ２ 所示.相同部
位的轮毂和变桨轴承也需要 ５０ 个连接螺栓, 塔筒的
一个连接法兰上则有近 １００ 个螺栓.一台 MW 级
别的风电机组塔筒与地面基础物的连接、 塔筒之间
的连接、 塔筒与偏航轴承之间的连接、 轮毂总成以及
齿轮箱体之间的连接等, 至少要用到 １０００ 多个螺
图 １ 风能发电机组结构示意图
Fi g 敭１ Schematicdia g ramofstructureoftheWTGS 栓.这些螺栓 一 般 为 １０．９ 级, 规 格 为 M３２ mm~
M４２mm , 长 度 为 ３００~５００ mm , 较 长 的 螺 栓 ( 螺
齿轮、 销轴、 轴承、 高强度螺栓等.
１．２ 失效件受力特点 柱) 有 １m 左右, 如图 ３ 所示.
( １ )无风时, 机组的叶片停止不动, 相当于一个
悬臂梁结构.但由于叶片的质量较大( 一般 MW 级
别的机组叶 片 长 度 达 ５０ 多 米, 重 量 在 ２０t 以 上.
目前世界上风电机组上最长的叶片是丹麦 Vestas
的 V１６４Ｇ７MW 风机, 叶轮直径长 １６４ m , 单个叶片
长 ８０m ), 轮毂及其连接部分的螺栓、 相互配合的齿
轮及轴承等都将承受较大的静载荷.
( ２ )风力的变化, 特别是台风、 飓风等将会使整
个机组产生晃动.叶片转动时, 自身会产生振动, 特 图 ２ 叶片上的连接螺栓
Fi g 敭２ Connectionboltsonablade
别是当叶片转动到与塔筒平行位置时, 空气流动路
线会受到塔筒的影响, 叶片的振动会更加明显, 也有

可能会出现共振现象.
１．３ 失效件的材料、 热处理特点和常见失效形式
机组上失效件常见的材料、 热处理工艺及其失
效形式见表 １ .
表 １ 失效件的材料、 热处理工艺及其失效形式
Tab敭１ Materials heattreatment p rocessesandfailuret yp es
ofthefailure p arts
使用材料 常见的失效件 热处理工艺 失效形式
图 ３ 从故障机组上拆下的螺栓
① 氢 脆; ② 疲 劳;
整体调质 Fi g 敭３ Boltsremovedfromafault yWTGS
高强度螺栓 ③ 应力腐蚀; ④ 加工
处理
缺陷
４２CrMo或 ① 原材料缺陷; ② 锻 ３ 螺栓的强度等级和使用特点
４２CrMo４ 钢 造缺陷; ③ 热处理开
齿圈、 轴承 表面淬火
裂; ④ 氢脆; ⑤ 疲劳; 设备的小型化和轻量化是制造业的发展趋势.
⑥ 电蚀 由于螺栓在机组上的应用数量较多, 减小螺栓的体
① 原材料缺陷; ② 锻 积和重量对整个机组影响较大, 最有效的措施就是
齿轴、 齿轮、 表面渗碳, 造缺陷; ③ 热处理开
１８CrNiMo７Ｇ６ 钢
轴销 淬火 ＋ 回火 裂; ④ 氢脆; ⑤ 疲劳; 应用强度等级在 ８．８ 级以上的高强度螺栓.
⑥ 电蚀 以 １２．９ 级 的 双 头 螺 栓 为 例, 设 其 公 称 直 径 为
D , 质量为 m , 在螺栓长度相同的情况下, 利用工作
２ 螺栓在机组上的应用
负荷相同的原则进行简单计算, 表 ２ 列出了几种常
螺栓连接是目前应用最为广泛的紧固件连接方 见强度级别螺栓公称直径与质量之间的关系.可见
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