风电连接螺栓疲劳性能及其失效分析

摘要

近些年来，不可再生能源不断消耗，使得各个国家大力发展风能技术。我国风能资源丰富，开发和利用风能资源、发展风电产业成为解决日趋严重的能源危机的必然趋势。然而，随着大批风电机组的安装，也突显出了一系列的安全失效问题。风电机组各部件的连接多采用高强度连接螺栓，其螺栓质量、安装方法等都会影响螺栓的连接质量，最终影响整个风电机组的安全可靠性。风电系统通常处于交变载荷的作用下，其高强度连接螺栓一直处于疲劳应力状态，因此，对于长期承受动态载荷螺栓疲劳性能的评估必不可少。而螺栓的疲劳破坏在初期很难被发现，因此研究高强度连接螺栓疲劳失效原因对防止风电系统破坏有重要意义。　　基于以上研究和应用背景，本论文通过已使用和未使用两种螺栓对比的方法并采用与实际工况相似的轴向拉．拉疲劳的加载模式来测定轮毂与叶片连接螺栓疲劳性能。基于连接螺栓实际服役载荷和疲劳试验机的最大额定载荷，我们制备空心疲劳试棒，通过减少连接螺栓的横截面积，来扩大试验应力范围，使所选取的平均应力σm覆盖了实际服役工况。论文以服役过程中失效的变桨轴承与轮毂连接螺栓和塔筒连接螺栓为实例，系统分析了引起连接螺栓失效的主要原因，并提出预防措施。　　论文主要结论如下：　　1．在平均应力一定情况下，随着应力半幅的增大，试棒的疲劳寿命降低。在相同试验条件下，已使用螺栓的疲劳寿命仅为未使用螺栓寿命的30%-60%。　　2．螺栓拆卸扭矩所引起的环向切应力约为轴向应力的40%。其实际最大主应力接近其断裂强度。　　3．变桨轴承与轮毂连接螺栓的螺纹部位出现了横向疲劳断裂。失效螺栓齿部表层无冷态滚压加工流线组织且表层出现了明显的脱碳现象，大大降低了螺栓齿部的疲劳抗力，在外界交变载荷作用下发生了疲劳断裂。　　4．脱碳和蠕变造成了预紧力的损失，再加上螺栓服役过程中受到径向力的作用，最终造成了塔筒螺栓的松动。

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