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當前國內(nèi)運營中的某些風場，經(jīng)常出現(xiàn)不明原因的風機葉片螺栓批量斷裂問題。由于不知道是原始設(shè)計還是螺栓質(zhì)量導致這種問題的發(fā)生，運維團隊只能被動的更換斷裂的螺栓。這也對風機質(zhì)量的口碑和風電場的維護成本帶來了負面影響。

本文針對于風電機組葉片螺栓斷裂問題，設(shè)計了對于斷裂螺栓的預緊工藝、螺栓在風機運行過程中的載荷、葉片葉根處載荷、變槳軸承與輪轂配合面相對位移、變槳軸承振動及應(yīng)力應(yīng)變等針對性的檢測方案。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，分析螺栓斷裂的原因，并為業(yè)主及主機廠商提供解決方案。

測試方案

針對葉片螺栓失效斷裂的機組進行為期兩個月的監(jiān)測。測試系統(tǒng)總體構(gòu)成主要包括螺栓載荷傳感器、變槳軸承位移傳感器、機艙式雷達數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備、通訊設(shè)備等。

風電機組變槳軸承螺栓載荷測試選取變槳軸承面靠近葉片前緣及后緣六顆通常易發(fā)生斷裂處螺栓進行載荷監(jiān)測，并選取垂直于葉片前后緣連線部位兩顆不易發(fā)生斷裂部位的螺栓進行載荷對比。變槳軸承示意圖標識的測試螺栓點位僅供參考。

每顆螺栓選取靠近易斷裂螺紋處貼片，測量螺栓徑向及切向所受彎矩，選取螺栓中段部位貼片，測量軸向力。螺栓彎矩測量采用兩組單片分別組成兩組惠斯通半橋，軸向力測試采用一組T型應(yīng)變片組成的泊松全橋，以消除溫度變化所帶來的影響。

葉片葉根部位載荷測試通過在風電機組葉片內(nèi)緣布設(shè)應(yīng)變片，測量葉根處擺振及揮舞兩方向彎矩。結(jié)合測得的風況數(shù)據(jù)，分析故障機組實際葉根載荷是否超過設(shè)計要求。貼片采用U型應(yīng)變片，布置在葉根部位平行于弦線及垂直于弦線四等分處，并分別組成兩組惠斯通全橋進行雙方向載荷測量。

變槳軸承應(yīng)變測試通過在軸承內(nèi)緣處貼片，測量軸承在徑向以及軸向的應(yīng)變。測試點位選取如下圖所示四個點位進行應(yīng)變測量。結(jié)合變槳軸承形變仿真結(jié)果，分析軸承內(nèi)圈形變是否處于設(shè)計范圍。同時，四組加速度傳感器也布置在相同的點位，用于監(jiān)測變槳軸承在風電機組運行過程中的振動情況。

另外，還將對被測機組每個變槳軸承與輪轂配合面安裝高精度位移傳感器，由此來測量配合面軸向及徑向雙方向的位移。位移傳感器建議分布于變槳軸承面四等分點位，并分別在變槳軸承及輪轂面安裝支架以便固定位移傳感器。

測試過程

對于葉片變槳軸承螺栓測試主要分為三個階段:

首先，在測試開始初期，將要對螺栓預緊過程中的預緊力進行實時監(jiān)控，采集螺栓在預緊過程中的螺栓軸向力及彎矩。判斷螺栓在預緊期間是否達到設(shè)計預緊力。

其次，將會對變槳軸承螺栓造成影響的各類瞬態(tài)工況進行測試，例如起機、大風急停、大風停滯等。分析螺栓在各類工況下的載荷是否處于強度等級范圍內(nèi)。同時，通過各類瞬態(tài)工況的測試，采集風機葉片葉根部位振動數(shù)據(jù)，分析風機葉片一階二階頻響是否與設(shè)計值相符，風機在運行過程中葉根載荷是否處于正常范圍。

最后，對被測試風機進行為期兩個月的動態(tài)載荷檢測，統(tǒng)計螺栓及葉片葉根處等效載荷。結(jié)合設(shè)計仿真值，評估螺栓是否存在疲勞失效。同時，統(tǒng)計分析測試期間螺栓及變槳軸承是否發(fā)生塑性變形。變槳軸承與輪轂配合面是否存在相對位移。

預期結(jié)果

結(jié)合上述對變槳軸承螺栓、葉片葉根載荷測試，提供螺栓預緊過程中的實測預緊力，為主機廠商檢驗螺栓預緊過程、提升預緊工藝提供依據(jù)。

瞬態(tài)工況測試結(jié)果將為主機廠商判斷螺栓是否符合強度等級要求，是否需要更換螺栓型號提供有力數(shù)據(jù)支持。

動態(tài)載荷分析結(jié)果將為主機廠商驗證風機變槳軸承螺栓在運行過程中是否存在疲勞失效，及可能發(fā)生的螺栓斷裂周期提供有效參考依據(jù)。