风力机塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命预测

风力机塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命预测

赵荣博;张媛;李双荣

【摘要】针对风力机塔筒法兰联接螺栓结构特殊、受力复杂、易于失效等特点,采用有限元法建立塔筒截面外载荷与螺栓内应力的关系,应用工程算法计算螺栓时序内应力;基于GL2010规范,选择塔筒法兰联接螺栓材料的S-N曲线;基于S-N曲线全寿命分析法计算整圈螺栓的疲劳强度并确定最危险部位;采用螺纹联接轴对称模型进一步准确计算危险部位螺栓的疲劳累积损伤,结果表明其疲劳寿命满足要求,提出的方法在预测塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命时具有可行性和有效性.%For the special structure,complex load and easy failure of flange connecting bolts,the re-lationship between outside load of tower cross section and inner stress of bolts by finite element meth-od is established,and the timing inner stress of bolt is calculated by Schmidt-Neuper algorithm.The S-N curve which is suitable for high strength bolts is selected based on GL2010 specification.Fatigue cu-mulative damage of whole-ring bolts is calculated by whole life analysis method based on S-N curve, and the most dangerous parts is determined.Further fatigue cumulative damage of the dangerous bolts is calculated by using threaded connection axisymmetric model.The results showed that the dangerous part of bolts meets the requirements of fatigue life,and proved that the feasibility and effectiveness of the proposed method.

【期刊名称】《内蒙古工业大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2017(036)002

【总页数】6页(P143-148)

【关键词】法兰联接螺栓;疲劳寿命预测;有限元法;风力机塔筒

【作者】赵荣博;张媛;李双荣

【作者单位】内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特 010051;内蒙古自治区产品质量检验研究院,呼和浩特 010070;内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特 010051

【正文语种】中文

【中图分类】TH12

风电机组塔筒由多段构成,各段之间由沿法兰圈均匀分布螺栓联接。法兰联接处是塔筒的薄弱环节,因疲劳损伤而导致的螺栓断裂是塔筒的主要破坏形式之一。螺栓疲劳寿命受材料特性、外载荷、结构尺寸和预紧力等因素影响而具有较大离散性。因此,对该部位螺栓进行疲劳寿命预测具有重要意义。

目前,有限元法、以Schmidt-Neuper为代表的工程算法和VDI2230算法是塔筒法兰联接螺栓疲劳寿命分析的主要方法[1-2]。在有限元模型中不仅需考虑螺栓的结构非线性、材料非线性和接触非线性等因素,对于螺栓周围刚度不均匀或联接形式较为复杂的区域,须采用有限元法计算螺栓的外载荷与内应力关系。塔筒法兰联接螺栓数量较多,为简化计算,根据螺栓数量将法兰分成若干扇面,通过计算单扇面螺栓的力学特性,分析最危险部位螺栓的疲劳寿命。

通过建立塔筒截面外载荷与螺栓内应力的关系,计算螺栓时序内应力;由Miner疲劳累积损伤理论和雨流计数法计算整圈螺栓的疲劳累积损伤分布,确定最大累计损伤位置;对该部位螺栓建立轴对称模型,分析其承受轴向载荷的应力分布,进而预测危险部位螺栓的疲劳寿命。

风力机组运行环境复杂恶劣,考虑脉动风的流固耦合影响,塔筒最大应力出现在第三

法兰段位置[3]。以某2.0MW直驱型塔筒第三法兰段联接螺栓为研究对象,其相关

参数为:法兰内径2.785米、外径3.145米、厚度0.11米,螺栓M39、孔径42毫米、等级10.9、数目100,垫圈内径40.4毫米、外径72毫米、厚度6毫米。

根据GL2010[4]规范,风力机塔筒坐标系如图1所示。

1.1 塔筒截面外载荷与螺栓内应力的关系

法兰螺栓联接模型由上下法兰、螺栓、螺母和垫片组成。垫片几乎不发生破坏,故

将螺栓与垫片建成一体;上下两端螺杆伸出部分不受力,将其等效为上下对称结构;为便于分析计算,忽略螺纹结构。

由于法兰受到正应力,单法兰在焊缝处受到均匀的拉应力作用,故法兰顶部100个点受到力的大小和方向相同。因此,将法兰螺栓系统简化为单扇面法兰有限元模型,如

图2所示。

设置边界条件并加载,根据等效梁法的思想,在法兰上端面施加工作载荷,提取单元最大应力估算螺栓所受内应力,建立塔筒截面外载荷与螺栓内应力的关系。计算得出

的第三塔筒段截面外载荷与螺栓内应力关系如图3所示。可知:当螺栓受压时,其内应力主要由预紧力产生,且几乎不变,;螺栓受拉时,随拉力的增加,内应力随之增大。1.2 螺栓时序应力计算

根据GL 2010规范,由Bladed软件输出法兰截面中心处70组疲劳工况,每组工况

包括60000组x、y、z轴方向的集中载荷和弯矩载荷。塔筒薄壁上受到外载荷Z 为:

式中,Mx、My——沿截面x、y方向的弯矩,β——截面任意位置与x轴的正向夹角,R——法兰半径,N——螺栓数目,Fz——塔筒z方向集中载荷。

对应不同塔筒截面外载荷,在Matlab软件中选择interp一维数组插值函数对图3

中的关系曲线进行插值,计算70组工况的螺栓内应力,称为螺栓时序应力。

受篇幅所限,仅给出S01工况部分截面外载荷和螺栓时序应力计算结果,如表1所示。

2.1 螺栓材料的S-N曲线

GL2010规范推荐螺栓材料选用焊接件的S-N曲线,其有两种形式,分别是符合国际焊接协会(IIW)和Eurcode3规范,在应力循环次数达到1×107和5×106,曲线斜率发生变化;如图4所示。

图4 焊接材料的S-N曲线

ΔσA为2×106应力循环次数时对应的疲劳强度参考值(DC值)。考虑尺寸效应,直径超过30mm的螺栓规定其DC缩减系数为:

式中,d——螺栓中径,mm。

根据GL 2010规范,高强度螺栓选择DC=36进行疲劳寿命预测。考虑到结构寿命分析的保守性,选择IIW标准为螺栓材料的S-N曲线[5-6]。

S-N曲线未给出1×107对应的疲劳强度,故需进行推导。基于IIW得到的S-N曲线疲劳强度计算公式为[6]:

式中:m1=3为曲线斜率。根据式(3),DC按缩减后的值推算SN值如表3。

2.2 法兰联接整圈螺栓的疲劳累计损伤

由螺栓时序内应力和螺栓材料的S-N曲线,通过Miner损伤理论和雨流计数法每隔15°计算螺栓的疲劳累积损伤,如表3所示。

可以看出,最大累计损伤发生在(165°,195°)或(-15°,15°)区域内。为准确确定最大损伤位置,在180°和0°左右区间每隔3.6°(第三法兰段整圈螺栓数量为100)重新细分计算,得到整圈螺栓的最大疲劳累积损伤位于172.8°和176.4°处,其20年的疲劳累积损伤值为0.555<1,满足疲劳强度设计要求[7]。

导致疲劳破坏的因素主要有:载荷循环次数、每个循环载荷的应力幅值、每个循环载荷的平均应力以及应力集中现象,而工程算法忽略了螺纹部位的应力集中现象。为了考察工程算法对螺栓疲劳寿命分析的准确性,建立危险部位螺栓的螺纹联接轴对称模型,分析其应力分布,进一步准确预测该部位螺栓的疲劳寿命。

3.1 螺纹副应力分析

螺栓三维模型和轴对称模型对比研究表明,当螺旋升角小于4°时,沿螺纹齿分布的载荷受螺旋升角影响很小,且仅承受轴向载荷时,螺栓可以简化为轴对称模型,结果的合理性和有效性得到了工程界的广泛认可[8-9]。螺栓实际工况中承受的交变载荷可

等效计算为轴向拉伸载荷,M39螺栓的螺旋升角为2.004°,其影响忽略不计,故建立

螺栓—螺母轴对称模型。

对于轴对称模型,螺栓中心线即为模型的对称中心,约束对称中心的径向位移以及螺

母表面的轴向位移,螺栓顶部施加轴向预紧力。外螺纹上表面设为主面,内螺纹下表

面设为从面,切向定义罚函数接触,法向定义硬接触,螺纹部位采用网格加密处理,其余部分网格密度为3。螺纹副在轴向载荷作用下的等效Mises应力分布,如图5所示。分析可知,承受轴向载荷螺纹部位最大Mises应力位于螺栓螺母第一圈旋合螺纹处,且距离螺母固定面越远,应力越小;与疲劳拉伸试验和工程事故结果相吻合,说明螺纹联接轴对称模型的分析结果合理可信。

3.2 危险部位螺栓疲劳寿命分析结果

根据172.8°位置螺栓的时序内应力,计算70组工况下的螺栓轴向工作载荷,绘成疲

劳载荷谱。S01工况的疲劳载荷谱如图6所示。

在nCodeDesignlife疲劳分析软件中,分次输入70组工况的疲劳载荷谱,并对有限元分析时输入的轴向载荷进行名义化。经过计算,危险部位螺栓20年的疲劳累积损伤为0.593,略大于工程算法计算结果0.555。说明螺纹牙底存在的局部应力梯度对螺栓疲劳寿命会产生一定影响,在精确预测螺栓疲劳寿命时应当予以关注。

法兰联接部位是风力机塔筒的薄弱环节,对该部位螺栓进行疲劳寿命分析至关重要。以某2.0MW风力机塔筒第三法兰段联接螺栓为研究对象,采用有限元法建立了塔

筒截面外载荷与螺栓内应力关系,应用工程算法计算螺栓时序内应力。通过S-N曲线全寿命分析法粗算了整圈法兰联接螺栓的疲劳强度,并确定最危险位置。建立危

险部位螺纹联接轴对称模型,分析了承受轴向载荷的螺纹部位应力分布;在此基础上,根据有限元分析结果,进一步计算了疲劳累积损伤。结果表明危险部位螺栓的疲劳寿命满足要求;工程算法在粗算法兰联接螺栓疲劳寿命时计算成本低,实用性强,在确定整圈螺栓危险部位时具有优势;有限元法在精算危险部位螺栓的疲劳寿命时精确度高。

【相关文献】

[1] 王为辉,李娅娜,王春燕.基于VDI2230-2003标准的动车组车钩联接螺栓强度分析[J].大连交通大学学报,2015,36(2):22～25.

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imperfect,eccentrically tensioned L-flange ring joints with pre-stressed bolts as basis for fatigue design[C].Proceedings of European Conference on Computational

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[3] 彭文春,邓宗伟,高乾丰等．风机塔筒流固耦合分析与受力监测研究[J].工程力学,2015,32(7):56～61.

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风力发电机塔筒研究综述

风力发电机塔筒研究综述 风力发电是一种利用风能转化为电能的可再生能源技术，它在近几十年来得到了广泛的应用和发展。而风力发电机塔筒作为风力发电机组的重要组成部分，其结构设计和材料选择对风力发电机的性能和稳定运行起着重要作用。本文将对风力发电机塔筒的研究进行综述，以期为该领域的进一步发展提供参考和借鉴。 我们将从风力发电机塔筒的结构设计入手。风力发电机塔筒一般由多节钢管组成，其主要目的是提供支撑和稳定的功能。在结构设计上，需要考虑到塔筒的高度、直径、壁厚等参数，以及各个部分的连接方式和加强措施。此外，为了减小风力对塔筒的影响，还需要采取减振和减风荷载的措施，如设置风挡板和减震器等。通过合理的结构设计，可以提高风力发电机组的稳定性和安全性。 我们将讨论风力发电机塔筒的材料选择。由于塔筒需要承受巨大的风载荷和自重荷载，其材料选择至关重要。一般情况下，常用的材料包括钢材和混凝土。钢材具有高强度和良好的可塑性，适用于制作高塔筒；而混凝土具有良好的抗压性能和耐久性，适用于制作中低塔筒。此外，还可以考虑使用新型材料，如复合材料和纳米材料等，以提高塔筒的性能和减轻自重。 进一步，我们将探讨风力发电机塔筒的制造工艺和施工技术。风力发电机塔筒的制造过程包括材料加工、组装和焊接等工艺。在材料加工方面，需要对钢材进行切割、弯曲和钻孔等处理；在组装方面，

需要将各个部分进行精确的定位和连接；在焊接方面，需要保证焊缝的质量和强度。而在施工过程中，需要考虑到塔筒的运输、安装和调试等环节，确保塔筒的正确安装和稳固性。 我们将介绍风力发电机塔筒的运行和维护。风力发电机塔筒的运行过程中需要进行定期的检查和维护，以保证其正常运行和延长使用寿命。常见的维护工作包括塔筒表面的防腐处理、焊缝的检测和修补、螺栓的紧固和更换等。此外，还需要进行风力发电机塔筒的结构安全评估和疲劳寿命分析，及时发现和处理潜在的安全隐患。 风力发电机塔筒的研究涉及到结构设计、材料选择、制造工艺、施工技术、运行维护等多个方面。通过对这些方面的研究和优化，可以提高风力发电机组的性能和可靠性，推动风电产业的健康发展。期望未来能有更多的研究和创新，为风力发电机塔筒的设计和应用带来更多的突破和进步。

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对比实验数据和疲劳加载次数，可以得出Q355E钢在不同疲劳程度下的疲劳寿命曲线，为风电塔筒的安全使用提供了指导。 5. 结论与展望 本研究基于声发射技术对风电塔筒材料Q355E钢的疲劳监测进行了探索与应用。实验结果表明，声发射技术可以有效监测风电塔筒材料的疲劳损伤状态，为风电工程的安全运行提供了重要参考依据。未来研究可以进一步加强对材料的声发射参数与疲劳寿命之间的关系研究，并结合其他检测方法，全面评估风电塔筒材料的健康状态，提高风力发电系统的可靠性和安全性。 总之，基于声发射的风电塔筒材料Q355E钢疲劳监测研究在风电工程领域具有重要的应用价值。通过对材料疲劳性能的实时监测，可以预防风电塔筒的破损事故，提高风力发电系统的可持续运行性能 本研究通过声发射技术对风电塔筒材料Q355E钢的疲劳监测进行了探索与应用。实验结果表明，声发射技术可以有效监测风电塔筒材料的疲劳损伤状态，并且随着加载次数的增加，信号的能量值呈逐渐增加的趋势。通过对比实验数据和疲劳加载次数，得出了Q355E钢在不同疲劳程度下的疲劳寿命曲线，为风电塔筒的安全使用提供了指导。未来研究可以进一步加强对材料的声发射参数与疲劳寿命之间的关系研究，并结合其他检测方法，全面评估风电塔筒材料的健康状态，提高风力发电系统的可靠性和安全性。总之，基于声发射的风电塔筒材料 Q355E钢疲劳监测研究在风电工程领域具有重要的应用价值， 可以预防风电塔筒的破损事故，提高风力发电系统的可持续运行性能

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MW级风力发电机组塔筒法兰强度分析 何海建;杨扬;孟令锐;晁贯良;董姝言 【摘要】针对MW级风力发电机组运行过程中的塔筒法兰安全问题,以某大型风力发电机组塔筒法兰为例,利用有限元分析软件AN-SYS建立了包含上段塔筒、上段法兰、连接螺栓、垫圈、下段法兰以及下段塔筒的法兰连接系统的有限元模型,对MW级风力发电机组塔筒法兰在极限工况下的应力分布进行了分析,对塔筒法兰的疲劳强度计算方法进行了研究,提出了一种将临界平面算法与剪应力算法相结合的塔筒法兰疲劳强度计算方法.计算结果表明:塔筒法兰的极限强度安全系数为1.1,疲劳安全系数为5.163,两项计算结果均大于1,且危险位置与工程实际吻合,根据德国劳埃德船级社规范,塔筒法兰强度能够满足设计要求,说明提出的方法能够实现MW级风力发电机组塔筒法兰的强度校核.%Aiming at the safety of tower flange in the MW wind turbine operating,take a certain high power level wind turbine top flange for example,the finite element model of the tower flange connection system which including top tower,top flange,bolts,washers,bottom flange and bottom tower was built up to analyze its stress distribution under the ultimate load case, and a new method which combines the critical plane method with shear stress method to calculate the fatigue damage of tower flange was then proposed in the tower flange fatigue strength calculation method study. The results indicate that the tower flange ultimate strength safety factor is 1.1,and its fatigue strength safety factor is 5.163,all of them above 1 and the critical locations are consistent with engineering practice,the tower flange can satisfy the strength de-sign requirements according to

风力发电机塔筒结构的优化设计与动力学分析

风力发电机塔筒结构的优化设计与动力学分 析 风力发电作为一种可再生能源的代表，受到了越来越多的关注和应用。而风力 发电机塔筒作为风力发电的重要组成部分之一，其结构设计和动力学特性对风力发电机的高效运行至关重要。 在风力发电机塔筒结构的优化设计方面，可以从以下几个方面进行考虑。首先 是材料的选择。传统的风力发电机塔筒主要采用钢材作为结构材料，但是钢材在重量和成本方面存在一定的局限性。近年来，一些新型复合材料如碳纤维复合材料等逐渐应用到风力发电机塔筒的结构设计中。这些新材料具有较高的强度和轻质化的特点，可以有效减轻塔筒的重量，提高风能利用效率。 其次是结构的优化设计。风力发电机塔筒的结构应该具备足够的刚度和稳定性，以抵抗风力的作用和外界环境的影响。在结构的优化设计中，可以采用最小重量设计、最优形状设计等方法，通过优化结构的参数和形状，减小塔筒的重量和阻力，提高风力发电机的运行效率。 此外，对于大型风力发电机塔筒的结构设计，还需要考虑地震和风荷载等动力 学因素。地震是塔筒结构设计中不可忽视的因素之一。地震荷载对风力发电机塔筒的作用会导致结构产生振动，对于结构的破坏性能有着重要影响。因此，在设计阶段应当充分考虑地震荷载的作用，采取相应的抗震措施，提高结构的抗震性能。 同时，塔筒结构还要经受住风荷载的考验。风荷载对于风力发电机塔筒的作用 是很大的，尤其是在海上风力发电场的情况下。海上环境下的风荷载受到风速、风向和海浪等因素的影响，对塔筒结构的疲劳寿命和稳定性有着重要的影响。因此，在设计中应当合理预测和评估风荷载的作用，并采用相应的设计方法和材料，保证塔筒结构的安全可靠性。

除了结构设计外，动力学分析也对风力发电机塔筒的优化起着重要作用。动力学分析可以帮助我们了解风力发电机塔筒在运行过程中的振动特性和动力响应。通过分析塔筒结构的固有频率、模态振型、应力分布等，可以优化结构参数，减小振动幅值，提高塔筒的动力响应性能。同时，动力学分析还可以为风力发电机塔筒的疲劳寿命评估提供依据，合理控制运行过程中的振动幅值，延长结构的使用寿命。 综上所述，风力发电机塔筒结构的优化设计和动力学分析是风力发电机系统设计中不可忽视的重要环节。通过合理选择材料、优化结构参数和形状、考虑地震和风荷载等动力学因素，可以提高风力发电机塔筒的性能和使用寿命，进一步推动清洁能源的发展和利用。随着技术的不断进步，相信风力发电机塔筒的设计和分析将会变得更加精准和可靠，为风能利用提供更好的支撑。

一种监测风电塔筒法兰盘螺栓的振动-应力复合传感器

（19）中华人民共和国国家知识产权局 （12）发明专利申请 （10）申请公布号 CN108759918A （43）申请公布日 2018.11.06（21）申请号CN201810540073.8 （22）申请日2018.05.30 （71）申请人中国人民解放军国防科技大学 地址410073 湖南省长沙市开福区砚瓦池正街47号 （72）发明人陈棣湘;田武刚;潘孟春;胡佳飞;任远;于洋;曹站蕊 （74）专利代理机构湖南兆弘专利事务所(普通合伙) 代理人谭武艺 （51）Int.CI 权利要求说明书说明书幅图 （54）发明名称 一种监测风电塔筒法兰盘螺栓的振动-应力复合传感器 （57）摘要 本发明公开了一种监测风电塔筒法兰盘螺 栓的振动‑应力复合传感器，包括振动梁、支撑座 和基底，所述振动梁为薄层长条形结构且两端固 定在绝缘材料制成的支撑座上，所述振动梁的上 表面正中央固定有质量块、下表面镀有铁磁膜， 所述基底和支撑座相连，且所述基底上蚀刻有螺 旋形平面结构的激励线圈，且所述激励线圈的中 心安装有磁敏元件。本发明利用振动对磁场的调 制作用和压阻效应设计了一种能同时监测风电塔

筒振动状况和法兰盘螺栓松紧状况的振动‑应力复 合传感器，可有效解决风电塔筒法兰盘螺栓松动 的早期监测问题，显著提高风力发电机组的安全 性，防止重大事故的发生。 法律状态 法律状态公告日法律状态信息法律状态 2018-11-06公开公开 2018-11-06公开公开 2018-11-30实质审查的生效实质审查的生效

权利要求说明书 一种监测风电塔筒法兰盘螺栓的振动-应力复合传感器的权利要求说明书内容是....请下载后查看

风力发电场风机基础预埋螺栓和法兰

风力发电机组预埋地脚螺栓基础质量控制措施 风力发电机钢制塔筒是通过在基础混凝土内的预 埋构件来和基础连接固定的。通常的预埋结构件有基 础环和地脚螺栓两种。基础环安装简单，调平步骤容 易，所以在中小功率风电机组中，这种预埋方法被大多 数风机厂商采用。地脚螺栓是风力发电机组基础中受 力较为合理的一种基础预埋结构形式。预埋在基础混 凝土内部的地脚螺栓一直伸入到基础承台的下表面， 地脚螺栓通过外面的螺栓套管与混凝土隔离开。当基 础承受来自塔筒传递的偏心弯矩时( e > b /6)，基础顶 面一侧受拉一侧受压。地脚螺栓将拉力传递到基础底 面，而压力由基础顶面混凝土传递到整个基础承台。 采用预埋地脚螺栓的结构形式，可以使基础设计埋深 变化更为灵活，不会造成像预埋基础环那样因为调整 基础埋深而牺牲结构受力合理性，且必须要配置大量 钢筋满足受力要求。现阶段风力发电机功率迅速提 高，各个风机厂商都相继推出了3，5，6MW 的风机样 机，更大功率的风机也在研制当中。随着风机功率的 提高，风机的载荷也成倍增长。华锐风电3MW 110m 的风机塔筒底部法兰直径已近达超过5m，塔筒底部载 荷的极限弯矩已经达到16 万kN·m，而5MW 110m 海

上风机塔筒底部载荷的极限弯矩接近22 万kN·m。风机载荷的增大，带来了风机基础承台体量的增大，地脚螺栓基础的优势开始显著提高。采用预埋地脚螺栓比预埋基础环的风机基础，能在一定程度上节约钢筋和混凝土用量。另外，采用预埋地脚螺栓基础，可以在一定程度上减小塔筒根部筒身的直径，缓解塔筒的运输难题。如图1 所示。 1 问题分析及措施 地脚螺栓基础施工过程中常见的质量问题主要 有:①螺栓定位不准螺栓定位不准最直接的影响是 塔筒吊装，由于螺栓错位严重，致使塔筒起吊后法兰螺栓孔对孔困难，延误吊装。对于错位不严重的螺栓虽然可以采用人工纠偏的方法进行补救，但是由于螺栓和螺栓孔产生了较大的机械摩擦力，给螺栓受力造成隐患。对于错位严重的螺栓，基础只能做报废处理，此案例屡见不鲜。②螺栓套管漏浆按照地脚螺栓受力105 模型，地脚螺栓应将塔筒传递来的拉力一直传递到基础混凝土底部，因此地脚螺栓通长都应当与基础混凝土隔离开。一旦地脚螺栓漏浆，尤其是螺栓上下套管漏浆，螺栓将在该部位产生预应力损失，在风机运转过程中，该部位会承受不应当承受的作用力，一旦超过混

风力发电机组预应力锚栓基础施工技术-2019年精选文档

风力发电机组预应力锚栓基础施工技术 一、前言 作为风力发电机组施工中的重要内容，其预应力锚栓技术施工在近期得到了有关方面的高度关注。该项课题的研究，将会更好地提升预应力锚栓基础施工技术的实践水平，从而有效优化风力发电机组施工的整体效果。 二、新型预应力锚栓基础 用于固定机组的混凝土结构是风电机组基础，它不仅要对机组的最大倾覆载荷进行抵抗，而且要承受塔筒及机组的重量，在各种载荷下确保机组的安全运行。作为风电场建设重要组成部分的风电机组基础，不仅关系风场的投资，还影响着风场的安全可靠运行。传统的风电机组基础是埋入一段塔筒（基础环）在承台式基础中，机组安装时，将基础环法兰和塔筒法兰连接。 改为预应力锚栓基础是典型的米字梁基础，通过载荷计算和受力分析将基础结构优化，使得整个基础的钢筋用量和混凝土用量减少了30%的，为业主节约了投资成本。 将混凝土浇筑和锚栓固定在一起并不是这种基础形式，它是由下锚板、上锚板、PVC护管、锚栓等组成，用PVC护管在下锚板和上锚板之间将混凝土与锚栓隔离，而且要密封，水不能进入到护管内在浇筑过程中，对锚栓以免造成腐蚀。当锚栓承受拉力时，会均匀受力在锚栓的下锚板以上部分，整个锚栓成为弹性体，

没有刚性部分和弹性部分的界面，从而应力集中的现象可以避免，增强风机运行的安全可靠性。 三、预应力锚栓基础组合件的安装过程 1.准备工作 （一）图纸中根据预应力锚栓基础锚栓组合件清单，对各部件清点各部件数量，并进行外观检查。查看上、下锚板是否变形；锚栓螺纹是否损伤、锚栓是否弯曲，将不合格品剔除，严禁使用。 （二）将所需部件运至现场后应放置在平整的地方，用软木支垫，以防上、下锚板变形和锚栓螺纹的损坏。 2.下锚板的安装 （一）要求核对安装下锚板的预埋件尺寸、位置和数量是否正确，根据预应力锚栓基础图。 （二）选用合适吊车，缓慢移动吊起的下锚板到预埋件上方300mm位置后停住，先将下锚板上的螺孔和下锚板支撑螺栓对应穿入，各放一个螺母在下锚板上下，加一垫片在下锚板下面的螺母上。预埋件对准内外支撑螺栓后，吊车在预埋件上将下锚板放置。根据基础图纸设计要求设置预埋件到下锚板上平面的距离。基础中心对应下锚板的中心，允许偏差为±5mm。 （三）将支撑下锚板的螺栓不对应的预埋件焊接牢固，焊脚高度大于6mm。 （四）调节支撑螺栓，使下锚板达到图纸设计标高，且下锚板的水平度不超过3mm。

风电塔筒环向焊缝疲劳寿命的措施

风电塔筒环向焊缝疲劳寿命的措施 摘要：对提高风电塔筒环向焊缝疲劳寿命的措施进行了介绍与分析，通过有 限元仿真确认，塔筒筒节的中心对齐能够减小焊缝位置处的应力集中因数，进而 提高焊缝的疲劳寿命。此外，提高焊缝疲劳寿命的措施还包括控制焊接质量、对 焊缝进行合理检验等。 关键词：风电塔筒；焊缝；疲劳寿命 塔筒是风力发电机组的关键支撑结构，为了便于运输，一般分为3～5段。 每段塔筒均由若干筒节和法兰焊接而成，塔筒相邻段之间使用螺栓进行连接。风 力发电进入商业运行已有十多年，塔筒的高度也从最初的40m增大到目前的100m 以上。随着风机数量增长和投运时间延长，问题也不断暴露出来，已经发生多起 塔筒焊缝开裂事故，严重的甚至造成倒塔。影响了风机的安全稳定运行。 兆瓦级风力发电机组对塔筒的环向焊缝与纵向焊缝均有较为严格的要求，然 而由于塔筒环向焊缝较长，通常单条焊缝的长度都在10m以上，是单条纵向焊缝 长度的4倍左右，因此环向焊缝更容易受到焊缝成形质量、内部缺陷、焊缝等级、应力集中等因素的影响。 1.焊缝设计 对塔筒的环向焊缝采用名义应力法进行抗疲劳性能分析，名义应力法根据焊 接接头的形状和受力特性，按照EN1993-1-9《钢结构的疲劳强度》标准选取相应 的焊接细节分类等级，并考虑焊缝位置处的应力集中因数进行疲劳寿命分析。不 同的细节等级对应不同的应力-寿命曲线。就设计而言，降低焊缝位置处的应力 集中可以提高焊缝的疲劳寿命。 鉴于风力发电机组塔筒的受力特点，筒节壁厚从塔底到塔顶是递减的，因而 会存在相邻筒节壁厚不同的情况。塔筒焊接时筒节有外对齐和中心对齐两种方式，为了降低因截面不连续而产生的应力集中[3]，对于壁较厚的筒节一般按照1∶4 斜度进行削边处理，保证焊缝的平滑过渡，如图2所示。当筒节采用外对齐时，

风电机组塔架高强度螺栓的质量控制研究

风电机组塔架高强度螺栓的质量控制研究 王淼;徐占;姚亮;崔立川 【摘要】Te high strength bolt is an important connection in the installation of wind turbine tower. It connects Te tower cylinder and the host of turbine tower, and can ensure the safety of the operation of wind turbine tower. Te quality of high strength bolt directly infuences the bearing capacity, service life and safety performance of wind turbines. Based on the inspection and investigation of dozens of wind farms, this paper analyzed the procedures from designs, manufacture, to installation of high strength bolt. Also, some constructive suggestions are given to ensure the operation of wind turbines.%高强度螺栓是风电机组安装和整体连接中至关重要的连接件，其质量是否能达到设计需要，直接影响风电机组结构整体的承载能力、使用寿命与安全性能。本文在对数十个风场的检查和调研基础上，对高强度螺栓从制造到安装过程的质量控制进行了全面、深入的分析，提出了以保证质量为基础，在安装中注重对力矩和安装操作要点的控制来保障风电机组运行的建设性意见。 【期刊名称】《风能》 【年(卷),期】2014(000)001 【总页数】4页(P104-107) 【关键词】塔架;螺栓;质量控制 【作者】王淼;徐占;姚亮;崔立川

风力发电机组塔筒螺栓断裂对结构的影响分析

风力发电机组塔筒螺栓断裂对结构的影 响分析 摘要：随着传统能源的枯竭和环境问题的日益突出，风能作为一种清洁无污 染的可再生能源，受到世界各国越来越多的重视。风能是可再生的清洁能源，随 着煤炭资源日益匮乏以及人们环保理念的持续加强，对风能等清洁能源的需求持 续增加。风能资源量大质优，因而风力发电受到社会各界的持续关注。风电机组 的塔式结构使塔筒承担机舱及叶片的自重及风的水平荷载，由于风速的时变特性，导致风电机组运行在交变载荷工况下，随着运行时间的增加，塔筒的连接螺栓承 受的交变应力作用易引发其疲劳失效，如果定检过程中没有及时发现将引发较为 严重的后果。基于此，本篇文章对风力发电机组塔筒螺栓断裂对结构的影响进行 研究，以供参考。 关键词：风力发电机组；塔筒螺栓断裂；结构；影响分析 引言 风电已成为我国能源电力领域的一支生力军。风电塔作为风力发电系统的重 要组成部分，是一种新型的高－柔薄壁结构，其上部的机舱、轮毂、叶片质量较大，这种“头重脚轻”的结构形式不利于风机塔承受荷载。根据风力发电特性， 其普遍所处位置与自身高度都处于比较高的位置，所以风电机组的安装成为一件 技术性、安全性特别强，且工作量集中的工作，风电塔筒在风力发电机组中主要 起支撑和最外层保护作用，同时吸收机组震动，其安装质量的好坏、效率高低直 接关系到整个发电机组的正常运行和施工单位的经济效益。 1风力发电机发电能力评估 风力发电机的等效风能利用小时数是衡量项目发电性能的重要指标，它就是 风力发电机年发电量与容量的比值。对于单台机组，它是单台风机年发电量与机 组容量的比值。所以可以从分析单台风机的等效风能利用小时数入手。统计单台

风力发电机组故障诊断与预测技术研究综述

风力发电机组故障诊断与预测技术研究 综述 摘要：当前，随着工业的发展，环境污染变得越来越严重，新能源风力发电已越来越多地用于各个行业。通常，风力发电场大多建在偏远地区。从风电机组的工作流程与工作环境的角度来看，在长期使用期间，不可避免地会发生故障。因此，有必要加强对风机故障诊断与预测技术的研究。 关键词：风力发电机组；故障诊断；预测技术 1. 概述 1.1风力发电机组 其主要指借助风机转换风能与电能，利用电磁感应原理经过调压操作将转换后的电能输送到电网与用户中心。经过多年发展，我国风力发电机组建设日益完善，逐步改进传统的恒速恒频发电机组，应用新技术与设备对风力发电进行创新完善。变速恒频技术是一种新技术，其能够动态化调整风机叶轮转速，结合风速变化调整并引入变流技术，以此确保风力发电保持恒定的输出频率。应用变速恒频技术可以保障风力发电质量，所以现阶段此项技术广泛应用于我国风力发电并网系统。 1.2 故障预测定义 故障预测是在设备故障真正发生之前通过分析一些相应的特征数据来获知故障是否将要发生或者发生的概率，依据状态发展趋势采取一定的预防措施阻止故障的发生。大多数设备故障的发生并不是瞬间爆发的，都要经历一个发展阶段，也就是说很多故障在发生前的一段时间内都会有一个信号变化过程，我们称此类信号为潜在故障信号。潜在故障信号与设备正常运行的状态特征信号是有区别的。

如果能够在故障发生前识别出此信号，就能够提前制定合理的检修计划，减少因设备突然停机造成的损失，保证设备的安全可靠运行。故障预测通常对具有己知量、渐进劣化的故障和失效模式有效，对于随机的故障和失效模式预测较为困难。 1.3故障预测等级 按照故障预测的等级可以将故障预测分为初级预测和精确预测。对于两种预测可以有不同的解释。初级预测只是对设备运行状态进行定性评估，预测设备是否存在故障隐患。精确预测为预测设备到下次故障出现前的剩余寿命或者预测设备正常运行到未来某一时间点（如下次检修时间）的概率，需要对设备故障的发展程度有一个定量的表示。从另一层面上，初级预测也可以理解为对设备故障的粗略预测，不确定将要发生的故障类型或者只能确定大致的故障范围，精确预测也可以理解为对设备的某一特定故障进行预测，能够准确确定故障的类型或者各个故障发生的概率。随着预测等级的升高，预测的成本和难度也在加大。 二、风力发电机组故障诊断 2.1依据振动信号诊断 基于振动信号的针对风力发电机组中叶片、齿轮箱、轴承等关键部件的监测与故障诊断方法在我国已经非常成熟。科研人员根据风电机组的故障特点，利用小波神经网络方法对风电机组齿轮箱进行故障诊断，主要是针对风电机组的微弱故障信号，根据集平稳子空间分析的信号分析以及连续的小波变化，总结出风电机组齿轮箱的故障特征。利用谱峭度可以诊断行星齿轮箱的故障，基于频率解调方法识别行星齿轮箱的故障情况，再对风电机组振动信号进行降噪，运用流行学习算法对风电机组的早期微弱故障进行诊断。另外，对叶片故障的诊断，是通过分析对压电陶瓷传感器监测到的振动信号完成的。 2.2基于电气信号的故障诊断 依据电气信号诊断相较于上文中到的振动信号，此方法中应用到的电气信号更加微弱，甚至常常被电机等设备的运作声音淹没，分析难度较大。所以，在应用此方法时，应使用较为先进的信号接收及分析设备，对相关信号进行准确识别，

基于ANSYS软件的螺栓法兰连接结构应力和疲劳分析

基于ANSYS软件的螺栓法兰连接结构应力和疲劳分析 徐静;薛欣玮;卢健 【摘要】为保证风力发电机在恶劣的自然环境中可靠运行,需要对风力发电机塔架转接段法兰进行应力和疲劳分析.应用ANSYS有限元软件对风力发电机塔架的螺栓法兰连接结构进行应力分析,分析结果显示:当施加载荷时,法兰和螺栓中都出现应力集中;随着载荷的增大,法兰还出现弯曲现象;外侧螺栓产生的应力小于对应内侧螺栓产生的应力,可见内侧螺栓受到的影响较大,应特别注意.通过疲劳分析,确认选择35CrMoA合金钢材作为螺栓法兰结构的整体材料符合使用要求,为螺栓法兰结构选材提供了理论依据. 【期刊名称】《机械制造》 【年(卷),期】2018(056)012 【总页数】4页(P17-20) 【关键词】螺栓;法兰;连接;应力;疲劳;计算机 【作者】徐静;薛欣玮;卢健 【作者单位】西安工程大学机电工程学院西安 710048;西安工程大学机电工程学院西安 710048;西安工程大学机电工程学院西安 710048 【正文语种】中文 【中图分类】TH131.3 1 研究背景

随着全球大气污染越来越严重，清洁环保的风能发电成为人们竞相研究的热点 ［1-2］。风力发电机组一般都安装在风力资源较为充沛、自然环境较为恶劣的野外［3-4］，为了保证风力发电机在复杂的自然环境中能够可靠运行，对连接塔架各筒身的螺栓法兰连接结构进行应力分析及疲劳寿命评估是必不可少的工作［5］。近20年来，国内外学者主要集中于对风力发电机连接塔架的标准碳钢法兰设计及垫片性能的研究［6-7］。螺栓法兰在制造过程中，材料内部会存在一些缺陷，如气孔、夹杂和裂纹等，这些缺陷会严重影响法兰的使用寿命，如果法兰和螺栓出现损伤，那么会影响整个风力发电机的性能［8］。因此，笔者对螺栓法兰连接结构进行材料选择，并利用ANSYS软件对其进行应力及疲劳寿命分析，为结构设计和优化分析等后续研究工作提供理论依据。 2 螺栓法兰连接结构及材料选择 风力发电机塔架上的螺栓法兰连接结构由上法兰、下法兰、垫片和螺栓组成，在这一结构中，螺栓与螺母紧固，用于连接上、下两个法兰，法兰上分布着内、外侧螺栓。 螺栓法兰连接结构的主要失效形式是泄漏，因此重点是保证其密封性［9］。 螺栓法兰连接结构的材料有很多，如碳钢、合金钢等，根据结构功能不同，选择的材料也不同。作为风力发电机塔架上的螺栓法兰连接结构，需要具有较高的静力强度、冲击韧性和疲劳极限［10-11］，因此笔者选择35CrMoA合金钢作为螺栓法兰连接结构的整体材料，其材料性能见表1［12］。 表1 35CrMoA合金钢材料性能项目数值弹性模量/GPa 206摩擦因数 0.3泊松比0.28屈服强度/MPa ≥835抗拉强度/MPa ≥985 3 螺栓法兰连接结构有限元模型 3.1 实体建模 根据螺栓法兰连接结构的特点，在对实体进行模拟时进行了如下简化处理：忽略螺

风能发电机组结构件的失效分析与预防(待续)第1讲螺栓的失效分析与预防

风能发电机组结构件的失效分析与预防(待续)第1讲螺栓的失 效分析与预防 WANG Rong 【摘要】对风能发电机组的结构进行了简单介绍,对其上经常失效的结构件以及其材料、热处理工艺和失效形式进行了归纳.选取了机组上应用数量较多、作用比较重要的高强度螺栓作为该讲的主要内容,对螺栓在机组上的应用特点、失效特点、结构特点、受力特点及其失效原因进行了较为详细的论述.结合多年的失效分析经验,采用实际案例的方式,重点介绍了机组上螺栓最常出现的两种失效形式——疲劳断裂和氢脆型断裂,并对这两种失效产生的根本原因进行了剖析,最后提出了避免机组上螺栓失效的预防措施. 【期刊名称】《理化检验-物理分册》 【年(卷),期】2019(055)006 【总页数】10页(P371-380) 【关键词】风能发电机组;结构件;高强度螺栓;失效分析;疲劳断裂;氢脆断裂 【作者】WANG Rong 【作者单位】 【正文语种】中文 【中图分类】TM614;TG115

风能发电机组(以下简称为风电机组或机组,WTGS)的结构如图1所示，经常失效的结构件主要分布于“轮毂”总成、“齿轮箱”总成和“偏航系统”总成3个区域，另塔筒内法兰上的连接螺栓也有较多的失效事故发生。笔者主要对风能发电机组上失效概率最高的3种构件，即螺栓(第1讲)、齿轮(第2讲)和轴承(第3讲)的失效 模式、失效原因以及相应的预防措施进行了概述。 1 风能发电机组概述 1.1 机组上经常失效的结构件 图1 风能发电机组结构示意图Fig.1 Schematic diagram of structure of the WTGS 风能发电机组上常见的失效件有：齿圈、齿轴、齿轮、销轴、轴承、高强度螺栓等。 1.2 失效件受力特点 (1) 无风时，机组的叶片停止不动，相当于一个悬臂梁结构。但由于叶片的质量较大(一般MW级别的机组叶片长度达50多米，重量在20 t以上。目前世界上风电机组上最长的叶片是丹麦Vestas的V164-7MW风机，叶轮直径长164 m，单个叶片长80 m)，轮毂及其连接部分的螺栓、相互配合的齿轮及轴承等都将承受较大的静载荷。 (2) 风力的变化，特别是台风、飓风等将会使整个机组产生晃动。叶片转动时，自身会产生振动，特别是当叶片转动到与塔筒平行位置时，空气流动路线会受到塔筒的影响，叶片的振动会更加明显，也有可能会出现共振现象。 1.3 失效件的材料、热处理特点和常见失效形式 机组上失效件常见的材料、热处理工艺及其失效形式见表1。 表1 失效件的材料、热处理工艺及其失效形式Tab.1 Materials, heat treatment processes and failure types of the failure parts使用材料常见的失效件热处理