本期内容： 对风力发电机组偏航系统中制动器用高强度螺柱的断裂进行了分析，认为断裂原因主要由螺柱的预紧力矩不足而引起，并对高强度螺栓的正确安装提出相关建议。

引言

风能作为一种清洁的可再生能能源，越来越受到世界各国的重视，随着技术进步和环保事业的发展，风力发电在商业和环保上将完全可以与燃煤发电竞争。风力发电机组是利用风的动能转化为机械能，再将机械能转化为电能的设备。然而风速、风量等不确定性因素对机组受力状态影响很大，且又难以量化，因此任何部件的损坏都可能对机组寿命造成影响。

风力发电机组主要由风轮、发电机和塔架等组成。偏航系统是机组特有的伺服系统。偏航系统主要作用：一是与机组控制系统相互配合，使风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风电机组的发电效率，同时在风向相对固定时能提供必要的锁紧力矩，以保障风电机组的安全运行；二是由于风电机组可能持续地一个方向偏航，为了保证机组悬垂部分的电缆不至于产生过度的纽绞而使电缆断裂、失效，在电缆达到设计缠绕值时能自动解除缠绕。

在偏航系统中，提供锁紧力矩的装置即为偏航制动器，为了提供足够的锁紧力矩，偏航制动器通常采用液压制动器，固定制动器的螺栓通常采用高强度螺栓固定。螺栓是保证制动器正常工作的关键零件。一旦螺栓出现断裂，不仅可能会造成制动器液压油泄露，引发火灾；也可能造成机组锁紧力矩不够，导致机组偏航系统失灵，对机组造成致命伤害。

螺栓断裂原因分析

螺栓断裂可以从以下四个方面原因分析：

a.螺栓质量

b.螺栓的预紧力矩

c.螺栓强度

d.螺栓疲劳强度。

在相关的案例分析中，各种情况的螺栓断裂都可能出现。

双头螺柱由于材料的材质不良：1.存在严重碳偏析；2.材料强度不足是导致螺柱疲劳断裂的主要原因。

风机塔筒用高强度螺栓M36x170的断裂：是由于安装问题导致螺栓杆部与安装孔碰擦，不良的装配使得螺栓杆部承受附加的弯曲应力。

10.9级M30的螺栓在螺纹根部断裂： 主要原因为工作过程中受力不均匀，螺纹根部应力集中出现疲劳裂纹而最终断裂，建议是改善螺栓的受力均匀性和安装时的紧固扭矩。螺栓断裂的另一个主要原因是松动，螺栓松动后，产生巨大的动能，这种巨大的动能直接作用于螺栓及设备，致使螺栓断裂。螺栓断裂后，设备无法在正常的状态下工作，进一步导致设备损坏。

高强度双头螺柱断裂原因分析

某风场风力发电机组偏航系统用液压制动器采用4根M20*180-10.9级双头螺柱进行紧固。在使用不到半年的情况下，一台风机上4个偏航制动器上的螺栓都同时出现了不同程度的断裂情况，迫使机组停机，同时造成了液压油泄露。针对此情况进行了现场实地勘察，并分析了断裂原因，为以后避免类似事件的发生具有一定的借鉴作用。

图1为断裂的双头螺柱，断裂处在螺牙根部，这是因为螺纹处截面积小于杆部，且存在应力集中。

           

 螺柱断裂面形貌如下图所示，Ａ区为裂纹源区；Ｂ区为裂纹扩展区，面积较大且较平整，有明显的疲劳弧线；Ｃ区为瞬间断裂区，面积较小且断面较粗糙。根据研究[4-5]可知，该断口形貌为典型的疲劳断口形貌，结合其受力状态，可初步判定该螺栓的断裂类型为低应力疲劳断裂。

                      

该偏航制动器在风电机组偏航时液压油油压保持在2.5MPa；从正常偏航到锁住机舱不偏航时油压瞬间从2.5MPa加载到21MPa，这个阶段双头螺柱不仅承受预紧力还有液压冲击力。10.9级M20螺柱的最小屈服强度为940Mpa，至少可承受拉力218.4KN，紧固力矩为610NM（参考标准DIN267【类似标准GB3098】），预紧力为166KN。在21MPa的压力下，制动器受力为199KN，若四个安装螺柱在均匀的受力情况下，单个螺柱承受拉力为49.8KN。根据[6]知螺柱满足使用要求。

根据以上分析，在螺柱强度满足使用要求的条件下，螺柱质量和螺柱的紧固力矩至关重要。根据现场实际安装情况，双头螺柱的紧固力矩为345NM，达不到10.9级M20螺栓的紧固标准，这会造成在实际使用过程中螺柱的松动，这不仅会加大螺栓根部疲劳断裂的可能性且造成螺栓的弯曲变形，同时影响制动器的可靠性和使用性能。因此螺柱的紧固力矩不足可认为是造成螺柱断裂的主要原因。此外，螺柱的质量问题也不容忽视，建议对断裂螺柱进行化验分析，更进一步找出螺柱断裂原因，为以后避免类似事件的发生积累经验。

总结与建议

根据断裂原因分析可知，预紧力矩不足是造成高强度双头螺柱断裂的主要原因。此外对此次螺柱断裂提出以下建议：

（1）根据实际安装情况，合理选择螺柱的紧固力矩和锁紧螺母的锁紧力矩，严格按照螺栓紧固工艺执行，保证螺栓组受力的均匀一致性，紧固力矩可参考相关文章[6-7]和相关标准；

（2）螺纹断裂处均在螺纹旋合处的根部，为了减少螺牙根部疲劳断裂，建议将螺纹减短且将全部螺纹旋入螺纹孔；同时也保证了螺纹旋合长度的一致性。