风电机组用新型紧固连接技术疲劳性能试验研究

张钦， 贾云龙

（眉山中车紧固件科技有限公司， 四川 眉山， 620010）

0 前言

风力发电机组中一般包括桨叶、 主轴、 塔筒、机架及连接用的高强度螺栓等零部件。 由于风速方向和大小的随机性， 导致风机叶根螺栓承受的载荷很复杂， 所以此部位经常发生螺栓断裂的问题[1]， 因而会给企业带来非常大的经济损失。 针对这一问题， 贾森[2]等以3 MW 风机为例， 针对螺栓的结构和预紧方法， 提出采用锁紧螺栓和改变螺栓安装预紧方式来确保连接的安全； 张俊[3]基于影响矩阵的风电机组螺栓疲劳寿命分析步骤， 以轮毂与主轴连接螺栓为例并结合Excel VBA 二次开发程序详细介绍了各个步骤的具体实现方式， 并验证了二次开发的螺栓疲劳寿命计算程序的精确性； 环槽铆钉连接作为一种成熟的紧固连接技术，具有连接强度高、 防松性能优异、 施工质量稳定，全寿命周期免维护等优点， 能够解决目前高强度螺栓连接存在的问题， 但目前环槽铆钉在国内风电领域运用暂无相关技术研究， 为更好的推广环槽铆钉连接技术， 本文对环槽铆钉与高强螺栓的疲劳性能开展了对比研究， 为环槽铆钉的使用提供了理论依据。

1 技术原理

与螺纹连接不同， 环槽铆钉连接是利用虎克定律， 采用专用铆接工具， 轴向拉伸铆钉， 同时径向挤压套环， 使套环金属流动到铆钉的环槽中，形成永久的金属塑性变形连接， 与螺栓连接相比，环槽铆钉连接具有连接强度高、 夹紧力一致性好、抗振防松性能优异、 抗疲劳寿命长、 抗延迟断裂能力强等优点， 更适用于风电设备节点的连接。连接原理对比见图1。

图1 螺纹连接与环槽铆钉连接原理对比

2 高强度环槽铆钉连接副结构

高强度环槽铆钉连接副由高强度环槽铆钉和配套的套环组成： 铆钉由冒头、 卸载槽、 光杆、锁紧槽和尾牙组成， 其中锁紧槽为独立的圆环结构； 套环由变形区、 法兰盘、 凸点和卡齿组成。其结构形式如图2 所示。

图2 环槽铆钉结构形式

环槽铆钉连接副的安装步骤如下， 安装过程如图3 所示。

图3 环槽铆钉铆接安装示意图

（1）将环槽铆钉穿过被连接板层， 将套环从环槽铆钉尾部拧入， 至手拧不动为止；

（2）将铆枪卡爪放置于环槽铆钉尾牙上， 注意防止卡爪和环槽铆钉尾牙错牙， 造成尾牙损伤；

（3）按下铆枪控制开关， 铁砧向下运动挤压套环， 直至铆接到位；

（4）铁砧从套环上退出， 完成铆接；

（5）目视检查套环法兰面上的凸点， 确认有1个及以上凸点产生明显的塑性变形， 铆接完成。

3 单钉抗疲劳性能研究

3.1 牙型结构对比

查GB/T 192-2003《统一螺纹 牙型》[4]和“高强度、 低铆接力构件紧固方法及10.9 级短尾拉铆钉”发明专利权利要求书， 螺栓与铆钉的牙型结构有较大的差异， 环槽铆钉的锁紧槽牙型由多段不同直径的圆弧组合而成， 而螺栓牙型为60°的等边三角形型结构， 如图4 所示。

图4 环槽铆钉牙型和螺栓牙型结构对比

3.2 牙型受力仿真分析对比

为验证二者牙型的优劣情况， 通过Ansys 软件对牙型受力情况进行了仿真模拟分析， 分析结果如图5 所示。

图5 环槽铆钉/高强螺栓牙型应力分布

从分析结果可以看出， 在承受同等载荷的情况下， 同规格环槽铆钉牙型比螺栓牙型应力集中小， 螺栓牙型的最大应力约为环槽铆钉牙型应力的4 倍， 所以环槽铆钉圆弧结构可有效降低牙底和牙顶的应力集中， 提高疲劳寿命。

3.3 冲击功试验验证

陈继林[5]、 张先鸣[6]和张九高[7]等对螺栓的冲击功性能进行了研究， 但国内暂未见对环槽铆钉冲击功的研究报道。 为进一步验证二者牙型的受力情况， 本文参照《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》[8]， 对二者牙型在夏比冲击试验中吸收能量的强弱进行了对比， 试验样件如图6 所示， 试验数据如图7 所示。

图6 试验样件

图7 不同缺口冲击功数值汇总表

从不同缺口冲击功数值可以明显看出： 在同等情况下， 铆钉牙型缺口在夏比冲击试验中所吸收的能量远大于螺栓的牙型； 环槽铆钉牙型较螺栓牙型冲击功吸收功提升约48%； 高强螺栓在使用过程中容易发生延迟断裂， 可能就是由于牙型的应力集中造成的。 而铆钉牙型承受的冲击功大于螺栓牙型， 可以预测铆钉的延迟断裂现象会明显优于高强螺栓。

3.4 轴向载荷下疲劳试验对比

对于紧固件而言， 产品的疲劳寿命是关键性能，胡健[8]对不同材质铆钉疲劳寿命开展试验研究，欧阳卿[9]对高强度螺栓受力及疲劳性能进行试验研究， 结果表明螺栓球节点的应力集中情况比较严重。 为对比环槽铆钉与高强螺栓的疲劳性能， 参考《环槽铆钉连接副技术条件》[10]和《公路钢结构桥梁设计规范》[11]开展了疲劳性能试验研究工作。

试验按照《轴向加力疲劳试验机检定规程》[12]的同轴度检定方法执行， 同轴度偏差5%。 疲劳试验选用轴向加载方式， 尽可能重现结构在使用条件下的工作应力状态和疲劳断裂形式。 疲劳加载控制方式采用荷载控制， 即在试验全过程中保持荷载为稳定值， 荷载为常幅式正弦波， 加载频率控制在5 Hz。 分别设置不同的荷载， 当试验过程中试件因疲劳裂纹的形成和扩展直至断裂破坏， 试验终止加载（或者当达到设定加载次数后， 试验终止加载）， 针对环槽铆钉和高强螺栓各进行五组试验。 实验数据如图8 所示。

图8 螺栓和环槽铆钉轴向疲劳对比

从图9 可以看出： 在相同受力情况下， 环槽铆钉的疲劳性能明显优于高强螺栓； 在相同疲劳寿命下， 环槽铆钉的疲劳极限比高强螺栓高48%；在相同疲劳极限下， 环槽铆钉的疲劳极限为高强螺栓的3 倍以上。

4 节点疲劳试验

采用环槽铆钉连接的节点和高强度螺栓连接的节点参照《公路钢结构桥梁设计规范》 开展了双摩擦面抗剪疲劳对比试验， 本试验中环槽铆钉/高强度螺栓摩擦型连接以板件间的摩擦力被外力克服作为极限状态。 参考《公路钢结构桥梁设计规范》 附录C， 表C.0.1 选定其疲劳应力幅Δσc为110 MPa （应力取值范围是0～110 MPa）， 对3 个环槽铆钉连接双面疲劳试件和3 个高强度螺栓连接双面疲劳试件依次进行试验。

试验结果表明环槽铆钉连接的节点在单摩擦面和双摩擦面下抗剪疲劳寿命均大于200 万次，满足设计值要求。 且在《公路钢结构桥梁设计规范》 规定的疲劳试验载荷情况， 环槽铆钉连接节点完成700 万次试验仍未失效。

5 结论

环槽铆钉与螺栓连接相比， 具有连接强度高、夹紧力一致性好、 抗振防松性能优异、 抗疲劳寿命长、 抗延迟断裂能力强等优点， 更适用于风力发电设备节点的连接。 本文通过环槽铆钉与高强螺栓的牙型结构、 受力模拟分析、 冲击功特性、轴向载荷下疲劳试验、 多钉的疲劳性能节点试验等试验对比， 得出了以下结论：

（1）同规格环槽铆钉牙型比螺栓牙型应力集中小， 环槽铆钉圆弧结构可有效降低牙底和牙顶的应力集中， 提高疲劳寿命。

（2）铆钉牙型缺口在夏比冲击试验中所吸收的能量远大于螺栓的牙型； 可以预测铆钉的延迟断裂现象会明显优于高强螺栓。

（3）在相同受力情况下， 环槽铆钉的疲劳性能明显优于高强螺栓。

（4）在多钉连接的节点中， 环槽铆钉连接的节点疲劳性能不低于高强螺栓连接。