螺栓安装工艺性能评估方法及设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及螺栓维护、检测领域，特别是涉及一种适用于风电机组变桨轴承、偏航 轴承的螺栓安装工艺性能评估方法及设备。
【背景技术】
[0002] 根据某风机厂商的质量系统统计数据，近些年风电机组螺栓失效率成上升趋势。 螺栓断裂会造成叶片脱落、风电机组倒塔等问题，此外，螺栓断裂还会造成风电机组内部及 附近零部件的损伤，从而导致风电机组长时间停机，甚至会因此而必须去拆除相关大部件 来进行更换，这些问题会给风电市场带来许多不利影响。目前，连接变桨轴承和轮毂的螺 栓，断裂情况尤为突出，占断裂螺栓总数的80%左右。仅申请人维护的1. 5MW风电机组，出 现变桨轴承螺栓断裂情况的就已累计高达近三百台。部分现场由于螺栓频繁发生断裂引起 业主的不满，严重影响了风电机组的售后回款。
[0003] 风电机组的偏航轴承与底座连接的螺栓、变桨轴承与轮毂连接的螺栓以及变桨轴 承与叶片连接的螺栓均易发生断裂，目前只能由现场维护人员在发现螺栓断裂后按照要求 进行更换，这样的处理方式存在着一定弊端和局限性：
[0004] 1、目前发生螺栓断裂故障后，只是进行简单的更换，一般会根据工艺手册更换断 裂螺栓及其相邻的5颗螺栓，当断裂螺栓数量较多时，会更换整个法兰连接面的螺栓，不但 备件消耗大，而且工作量也大，有时为了取出断丝，还得购买特殊工具和花费更长时间；
[0005] 2、有的项目现场，还存在螺栓越换越断的问题，在更换完螺栓后，新螺栓每隔一年 甚至不足半年即再次发生断裂；
[0006] 3、有的现场在提高螺栓强度等级及施工力矩后，依然发生螺栓断裂故障，甚至损 伤了螺栓孔。
[0007] 综上所述，目前对于螺栓断裂问题，大家只针对于螺栓个体的材质质量、螺栓强度 等级等因素来分析螺栓断裂原因，没有将注意力放到整个法兰面整体去考虑螺栓的受力， 忽略了螺栓连接是包含螺栓、螺栓连接体在内的一个整体。
[0008] 由此可见，上述现有的风电机组螺栓更换与维护在方法与使用上，显然存在不便 与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种可对螺栓进行载荷测试，并可根据测试结 果判断螺栓断裂原因、设计改进方案的螺栓安装工艺性能评估方法及设备，实属当前重要 研发课题之一。
【发明内容】
[0009] 本发明要解决的技术问题是提供一种螺栓安装工艺性能评估方法及设备，使其可 对螺栓进行载荷测试，并根据初步测试结果判断断裂原因，设计新的安装工艺，然后对新的 安装工艺进行再测试，不断修正安装工艺，从而克服现有技术的不足。
[0010] 为解决上述技术问题，本发明一种螺栓安装工艺性能评估方法，其特征在于包括 以下步骤:A.确定法兰面上各螺栓的紧固顺序；B.紧固螺栓的同时，在法兰面与连接螺栓 之间安装垫圈压力传感器，螺栓紧固完成后，通过垫圈压力传感器测量得到法兰圆周端面 上的螺栓预紧力的分布；C.给螺栓施加一定的工作载荷，测试机组运行过程中不同工作载 荷下的螺栓实时总拉力h，得出匕的波动区间F^-Fa，并计算螺栓的实时应力幅值 〇a，所
述 其中d。为该螺栓的直径；D.将所有螺栓的实时应力幅值〇 a与其标准应 力幅值进行比较，当所述实时应力幅值大于标准应力幅值时，得出被连接件端面出现缝隙 的结论，并返回步骤A确定新的螺栓紧固顺序，否则确定当前螺栓紧固顺序为最优的螺栓 紧固顺序。
[0011] 作为本发明的一种改进，所述步骤B、C之间还包括以下步骤：将检测到的该螺栓 的预紧力与其标准预紧力进行比较，当所述预紧力不等于标准预紧力时，判断螺栓是否没 有按要求涂抹固体润滑膏、润滑膏及螺栓的质量是否有问题、设定的预紧力矩值T是否符 合标准，并返回步骤B重新按照步骤A确定的顺序根据所述判断纠正工艺并紧固各螺栓。
[0012] 所述垫圈压力传感器为电阻式垫圈压力传感器、压电式垫圈压力传感器或电容式 垫圈压力传感器，所述垫圈压力传感器设有8颗贴片。
[0013] 此外，本发明还提供了一种应用所述方法的螺栓安装工艺性能评估设备，包括信 号输入端模块、信号采集和处理模块以及人机交互模块，其中：所述信号输入端模块包括独 立设置的应变信号输入端、4路标准模拟量输入端以及为应变信号提供激励源输出的电源 电路；所述信号采集和处理模块包括处理芯片，所述电源电路为所述处理芯片供电，所述4 路标准模拟量信号输入端以及应变信号输入端通过模数转换电路与处理芯片连接；所述人 机交互模块包括处理器、通讯接口、操作模块以及显示模块，所述处理芯片的输出端和所述 处理器、通讯接口分别连接，所述操作模块和显示模块均与处理器连接。
[0014] 作为进一步改进，所述应变信号输入端的信号经程控放大器调理后，一路经模数 转换电路输入到所述处理芯片，另一路直接与处理芯片交互。
[0015] 所述处理芯片采用FPGA集成电路，所述处理器采用X86架构，所述通讯接口包括 两个网口及三个USB接口，所述操作模块包括操作按钮和操作指示灯，所述显示模块采用 LCD显示器。
[0016] 所述应变信号为12条。
[0017] 采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
[0018] 1、本发明可有效检测螺栓的预紧力、风电机组运行过程中螺栓的工作载荷变化、 螺栓的总拉力变化趋势等物理量，从而分析造成螺栓疲劳断裂的疲劳源及应力幅度变化过 大的原因，并依此来判断螺栓紧固工艺的可行性、推算螺栓连接的扭矩系数、快速找出螺栓 失效的根本原因，测试结果可作为后续进行工艺、设计等改进的依据，从而利于根本上解决 螺栓的疲劳断裂问题，达到避免螺栓断裂和延长螺栓寿命的目的；
[0019] 2、本发明可有效降低螺栓失效引起的故障次数和停机时间，降低因螺栓断裂造成 诸如倒塔、变桨柜损坏、滑环损坏等次生危害的风险，提升风电机组使用螺栓的可靠性，提 升产品的市场竞争力；
[0020] 3、本发明作为新开发的测试系统，截止目前尚未发现同类可替代产品，可以开展 相关的螺栓检测业务，以拓展风机售后服务业务，提高风电机组的运维价值。
【附图说明】
[0021] 上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下 结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
[0022] 图1是本发明一种螺栓安装工艺性能评估方法的流程示意图。
[0023] 图2是本发明螺栓安装工艺性能评估设备的组成示意图。
[0024] 图3是本发明中的传感器的贴片分布示意图。
[0025] 图4是本发明中的传感器的电路分布示意图。
【具体实施方式】
[0026] 引起螺栓断裂的原因很多，不同机型及不同位置的螺栓断裂特性是不一样的，必 须要弄清楚其断裂的根本原因，再以正确的安装工艺来更换断裂的螺栓，才能实现对螺栓 的合理维护。
[0027] 请具体参阅图1所示，一种螺栓安装工艺性能评估方法，包括以下步骤：
[0028] A.确定法兰面上各螺栓的紧固顺序；
[0029] B.紧固螺栓的同时，在法兰面与连接螺栓之间安装垫圈压力传感器，螺栓紧固完 成后，通过垫圈压力传感器测量得到法兰圆周端面上的螺栓预紧力的分布；
[0030] C.给螺栓施加一定的工作载荷，测试机组运行过程中不同工作载荷下的螺栓实时
总拉力的波动区间F^-Fa，并计算螺栓的实时应力幅值0 a，所述 其中士为 f 该螺栓的直径；
[0031] D.将所有螺栓的实时应力幅值〇a与其标准应力幅值进行比较，当所述实时应力 幅值大于标准应力幅值时，得出被连接件端面出现缝隙的结论，并返回步骤A确定新的螺 栓紧固顺序，否则确定当前螺栓紧固顺序为最优的螺栓紧固顺序。
[0032] 进一步具体来讲，所述步骤B、C之间还包括以下步骤：将检测到的该螺栓的预紧 力与其标准预紧力进行比较，当所述预紧力不等于标准预紧力时，判断螺栓是否没有按要 求涂抹固体润滑膏、润滑膏及螺栓的质量是否有问题、设定的预紧力矩值T是否符合标准， 并返回步骤B重新按照步骤A确定的顺序根据所述判断纠正工艺并紧固各螺栓。
[0033] 螺栓的预紧力和总拉力通过设置在法兰面与连接螺栓之间的垫圈压力传感器实 时测量。垫圈压力传感器可以为电阻式垫圈压力传感器、压电式垫圈压力传感器或电容式 垫圈压力传感器，垫圈压力传感器设有8颗贴片，提高了传感器的灵敏程度。另外，可以根 据局部螺栓断裂的数量而增加或减少传感器数量。
[0034] 在螺栓预紧过程中，螺栓预紧力矩值：T = I\+T2= ktXF' Xdc(l)。式中：T是螺栓 预紧力矩值，单位为N ? m ;1\是螺纹副间的摩擦力矩，单位为N ? m ;T 2是螺母支承面间的 摩擦阻力矩，单位为N ? m ;kt是拧紧力矩系数；F'是螺栓预紧力，单位为kN ;d。是螺栓的 直径，单位为m。
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