Page 69 - 理化检验-物理分册2023年第三期

DOI : 10.11973 / lh jy -wl202303018

风机叶片紧固螺栓断裂原因

郑建军, 陈 浩, 张 涛, 田 峰

( 内蒙古电力科学研究院, 呼和浩特 010020 )
摘 要: 某风场风力发电机组在运行过程中, 多根叶片紧固螺栓发生断裂。采用宏观观察、 化学
成分分析、 扫描电镜分析、 金相检验、 力学性能测试及有限元分析等方法, 对螺栓的断裂原因进行分
析。结果表明: 叶片法兰与变桨轴承结合面的螺纹牙底处存在应力集中, 在多方向的剪切应力及拉
应力作用下, 逐渐形成裂纹源; 螺栓中加工刀痕及夹杂物的存在促进了裂纹的形成和扩展, 最终导
致螺栓发生疲劳断裂。
关键词: 叶片紧固螺栓; 应力集中; 疲劳断裂; 加工刀痕; 夹杂物

中图分类号: TB31 ; TK83 文献标志码: B 文章编号: 1001-4012 ( 2023 ) 03-0057-04

Fracturereasonsoffanbladefastenin g bolt

ZHENGJian j un , CHENHao , ZHANGTao , TIANFen g

( InnerMon g oliaElectricPowerScience& ResearchInstitute , Hohhot010020 , China )

Abstract : Durin g theo p erationofawindturbine g eneratorsetinawindfarm , severalbladefastenin gbolts

broke.Thefracturereasonsoftheboltswereanal y zedb ymeansofmacrosco p icobservation , chemicalcom p osition

anal y sis , scannin gelectronmicrosco p eanal y sis , metallo g ra p hicexamination , mechanicalp ro p ert ytestandfinite

elementanal y sis.Theresultsshowthattherewasstressconcentrationatthethreadrootofthebladeflan g eand

p itchbearin gj ointsurface , andundertheactionofmulti-directionalshearstressandtensilestress , thecracksource

g raduall y formed.Theexistenceofmachinin gtoolmarksandinclusionsinboltsp romotedtheformationand

p ro p a g ationofcracks , andfinall y ledtofati g uefractureofbolts.

Ke y words : bladefastenin gbolt ; stressconcentration ; fati g uefracture ; machinin g toolmark ; inclusion
风力发电技术具有低排放、 低污染等优点, 是国 规格为 36 mm×427 mm ( 直径 × 长度), 材料为

内电能可持续发展战略的重要选择之一 [ 1 ] 。随着风 42CrMo钢, 性能等级为10.9级。笔者采用一系列
电行业的快速发展及大批量、 大功率风电机组的投 理化检验方法对该断裂螺栓进行了分析, 查明了螺
运, 现役风力发电机组开始逐渐暴露出一些故障问 栓断裂的原因, 并提出了相关改进建议, 以避免该类
题, 这其中绝大多数故障都与高强螺栓的疲劳断裂 事故再次发生。
破坏有关 [ 2-3 ] 。风力发电机组的轮穀与叶片、 轮穀与
变桨轴承、 轮穀与主轴、 主机架与偏航轴承等重要部 1 理化检验
件均通过高强螺栓进行连接 [ 4 ] , 因此高强螺栓连接 1.1 宏观观察
的可靠性对整台风力发电机组的安全稳定运行十分 对现场4根断裂螺栓进行宏观观察, 结果如图
重要。某风场风力发电机组在运行过程中, 发现多 1所示。由图1 可知: 所有螺栓均断裂于螺栓与螺
根叶片紧固螺栓断裂, 断裂螺栓的型号为 LZ40.3 , 母咬合部位的第1扣螺纹牙底, 断口平面与螺栓轴
向的夹角为 90° , 断口附近未见明显塑性变形或机
收稿日期: 2021-10-19
械损伤特征。
基金项目: 2020年内蒙古电力科学研究院自筹科技项目( 2020-
选取其中1根断口形貌较清晰的螺栓, 观察其
ZC-03 ); 2021年内蒙古电力科学研究院自筹科技项目( 2021-ZC-03 )
作者简介: 郑建军( 1987- ), 男, 工程师, 主要从事电力系统常用 断口, 结果如图2所示。由图2可知: 螺栓断面呈暗
灰色, 由裂纹源区、 裂纹扩展区及瞬断区组成; 裂纹
金属零部件失效分析相关工作, dk y z jj @163.com
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