關(guān)于風(fēng)電螺栓扭矩系數(shù)與摩擦系數(shù)的探討

　　螺栓，作為風(fēng)電機(jī)組主要的連接方式之一，應(yīng)用在輪轂、齒輪箱、葉片連接、塔筒連接等諸多關(guān)鍵部位，螺栓的安全關(guān)系到整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。在風(fēng)電機(jī)組中使用高強(qiáng)度螺栓，就是為了獲得較高的預(yù)緊力，但螺栓質(zhì)量、裝配方法、擰緊工具、操作者都會(huì)影響到最終螺紋的連接質(zhì)量，從而影響螺栓的預(yù)緊效果。本文主要探討螺栓上緊時(shí)需要重視的兩個(gè)重要系數(shù)，扭矩系數(shù)和摩擦系數(shù)。
　　1 扭矩系數(shù)K
　　螺栓上緊扭矩T 與軸向力F 有如下的關(guān)系：T=K•D•F
　　其中D 為螺栓公稱直徑，K 稱作扭矩系數(shù)。
　　扭矩系數(shù)K，是一個(gè)由實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)。它的值取決于螺紋副的幾何形狀以及螺紋副的摩擦情況。從公式中可以看出，扭矩系數(shù)K 決定了在上緊扭矩的轉(zhuǎn)化中軸向力所占的比例，因此這個(gè)系數(shù)對(duì)螺栓緊固的研究非常重要。
　　首先，緊固件的幾何形狀決定了多大的上緊扭矩可以產(chǎn)生一個(gè)特定的預(yù)緊力，這里，螺距是一個(gè)決定性因素。螺栓是一個(gè)幾何體，它相當(dāng)于一種“螺旋上升的平面”，因此影響了整個(gè)螺紋連接中力的分布情況（《實(shí)現(xiàn)螺栓可靠裝配的10 個(gè)步驟》，Dr. Volker Schatz 著，P13）。因?yàn)檫@個(gè)幾何形狀取決于螺栓生產(chǎn)廠家，這里我們不做分析。
　　第二個(gè)影響因素是摩擦情況，能讓摩擦發(fā)生變化的因素都能對(duì)扭矩系數(shù)產(chǎn)生影響，例如螺栓表面是否有潤(rùn)滑劑，如果選擇了潤(rùn)滑劑，潤(rùn)滑劑的種類和具體應(yīng)用工藝的變化也都會(huì)對(duì)系數(shù)K 產(chǎn)生影響。
　　隨著螺紋表面摩擦條件的不同，轉(zhuǎn)化的預(yù)緊力也不相同。螺栓潤(rùn)滑條件越好，同一預(yù)緊扭矩下轉(zhuǎn)化的預(yù)緊力就越大，即扭矩系數(shù)K 越小。我們?cè)谏暇o過(guò)程中需要的是穩(wěn)定適中的預(yù)緊力，即需要一個(gè)穩(wěn)定的扭矩系數(shù)K 來(lái)保證同一法蘭面預(yù)緊力的均一性。在上緊扭矩T 相同的條件下，K 值過(guò)大，則轉(zhuǎn)化的預(yù)緊力太小，達(dá)不到設(shè)計(jì)的預(yù)緊要求；K 值過(guò)小，則會(huì)放大誤差，由于整個(gè)操作、監(jiān)測(cè)等的系統(tǒng)性誤差，如扭矩扳手就有±4%的誤差，易導(dǎo)致軸力過(guò)載，螺紋連接副失效；K 值不穩(wěn)定，則轉(zhuǎn)化的預(yù)緊力不一致，容易形成應(yīng)力集中。使用潤(rùn)滑劑能夠使螺栓扭矩系數(shù)的穩(wěn)定性和一致性大大提高，有效避免這些風(fēng)險(xiǎn)，因此風(fēng)電行業(yè)內(nèi)針對(duì)有較高扭矩要求的螺栓廣泛采用抗咬合潤(rùn)滑劑。
　　在具體施工中，不同的涂抹方式會(huì)對(duì)最終的潤(rùn)滑效果產(chǎn)生很大影響，反映到最終結(jié)果即是扭矩系數(shù)K 的變化。目前風(fēng)電行業(yè)對(duì)于高強(qiáng)度螺栓涂抹抗咬合劑有兩種比較普遍的方案：
　　1）只涂抹螺紋的嚙合部位，即螺栓的螺紋嚙合部位，如圖1 中A 所指。此種方案扭矩系數(shù)在0.11 ～ 0.15 之間，視不同的潤(rùn)滑劑和不同的螺栓種類而定。
　　2）不僅涂抹螺栓的嚙合部位，還要涂抹支承面，即螺栓頭部下端面與墊圈的接觸部位（針對(duì)在螺栓頭部施加扭矩的工藝，如針對(duì)螺母施加扭矩，則涂抹的是螺母與墊片接觸的端面），見(jiàn)圖1 中B 所指。此種方案扭矩系數(shù)在0.08 ～ 0.13 之間。

圖1 高強(qiáng)度螺栓力矩分布

　　關(guān)于高強(qiáng)度螺栓的上緊扭矩消耗，上圖已經(jīng)直觀的表達(dá)出來(lái)了，對(duì)于方案1，相當(dāng)于減小了圖中A 部位的摩擦，可是我們注意到，B 部位的摩擦占了近50%，如果此部位不施加任何潤(rùn)滑措施，則最后轉(zhuǎn)化的夾緊力大小受B 部位的影響較大，反映為螺栓的扭矩系數(shù)波動(dòng)較大，標(biāo)準(zhǔn)偏差容易超差。反之，如果在B 部位也和A 部位一樣，涂抹了抗咬合潤(rùn)滑劑，則最終的扭矩系數(shù)波動(dòng)較小，標(biāo)準(zhǔn)偏差會(huì)很小，風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)更可靠。
　　兩年前，國(guó)內(nèi)風(fēng)電企業(yè)還多采用方案1，在做了大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)比后，去年以來(lái)，幾家國(guó)內(nèi)龍頭風(fēng)電企業(yè)紛紛改革了螺栓潤(rùn)滑工藝方案，采取了方案2，主要是考慮到消除影響扭矩系數(shù)不穩(wěn)定的因素，使扭矩系數(shù)的一致性好，最終獲得均一的夾緊力。
　　但是， 方案2 由于涂抹了端面， 所得的扭矩系數(shù)在0.08 ～ 0.13 之間，即螺紋副的摩擦減小，這會(huì)不會(huì)造成螺栓容易松動(dòng)？我們?cè)賮?lái)看看另一個(gè)系數(shù)——摩擦系數(shù)μ。