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快来看看M64大规格螺栓疲劳试验分析结果

兹懋Zmart

2022-05-23

背景

当前风力发电机螺栓在代表性平均载荷水平下对大尺寸螺栓进行疲劳试验在技术上具有挑战性。因此，大直径螺栓适用设计疲劳曲线的实验验证受到限制。

本文介绍了大直径M36和超大直径M64高强度螺栓组件的综合疲劳试验。评估了镀锌层对大型螺栓抗疲劳性能的影响。此外，这些结果能够很好地评估直径增加对螺栓疲劳特性的影响，并首次验证超大螺栓直径M64的标准s-N曲线。大家在进行大规格螺栓疲劳试验分析时候可以有个参考，同时，如需实测相关的螺栓疲劳S-N曲线的疲劳试验机可以联系小编。本文根据德国螺栓协会相关资料整理。

简介

螺栓法兰连接广泛应用于风力发电机结构中，用于塔筒各分段之间的连接。风力发电机中的法兰连接通常采用大直径M36或更大的预应力高强度螺栓组件（HV）。在塔筒底部，因有更大的作用荷载通常需要使用非常大的螺栓直径M64或M72。螺栓承受高循环载荷，具有相当大的载荷循环和可变振幅。因此，为了减少疲劳载荷，必须对螺栓施加高强度的预加载，以确保结构完整性、连接紧密性。

对于大直径螺栓，在代表性平均应力水平下进行疲劳试验研究是一项要求很高且耗时的任务。到目前为止，热浸镀锌对大尺寸螺栓组件疲劳强度的定量影响仍在研究中。此外，疲劳验证设计标准中的S-N曲线仅在较小的螺栓上进行验证。

基于螺栓和螺母之间成对螺纹内部的局部弹塑性载荷条件的分析疲劳评估方法是研究影响大尺寸螺栓疲劳特性的参数的替代方法，而一般不是采用昂贵的实验测试。

实验疲劳评估

一、试验装置

对直径为M36和M64的高强度螺栓组件进行了两个连续试验系列的疲劳试验。试样包括完整的螺栓组件（包括螺栓、螺母和两个垫片），强度等级为10.9，符合DIN EN 14399-4（M36）和DASt指南021（M64）。为了分析和量化热浸镀锌对螺栓疲劳强度的影响，对未涂层黑色（B）以及常温（NT，~450°C）和高温（HT，~530°C）热浸镀锌螺栓进行了对比试验。

所有螺栓都在相同的制造批次中生产并在热处理前轧制，此时，搓丝产生的压应力影响基本消除。疲劳试验符合DIN 969中给出的一般要求。试验在恒定振幅、纯轴向载荷和代表性高标称平均应力Sm下进行。Sm数值计算如下：

螺栓M36的试验在高频脉冲疲劳试验机上进行，可达到的试验频率约为50 Hz。对于M64螺栓的测试，需要在液压伺服试验机（最大容量为10 MN）中进行，以便能够在期望的代表性平均负载水平下进行测试，频率显著降低至约2-4 Hz。由于测试持续时间较长且测试成本较高，M64测试旨在使用数量少得多的样本验证M36测试结果。

二、测试结果

根据标准化统计评估方法， M36的螺栓确定了完整的S-N曲线，包括高周疲劳范围（HCF）内的疲劳强度以及耐久极限的统计估计。

螺栓M36的试验结果表明，热浸镀锌导致试验确定的耐久极限降低了约20%。此外，HCF中的耐久荷载循环也明显减少。NT和HT镀锌螺栓之间的疲劳强度没有确定的相关偏差。一般对于超过M27的螺栓不允许采用高温镀锌。

螺栓M64的试验主要在HCF中进行，载荷循环次数在1 ∙104和5∙105.此外，为了获得耐久极限位置的趋势，在较低荷载水平下也进行了大量的现场试验。

试验结果显示M64螺栓组与M36螺栓组的本色和NT镀锌螺栓试验结果进行了对比。对于未涂覆的本色螺栓，检测到HCF中的M64大规格螺栓疲劳强度大幅降低。对于NT镀锌螺栓，HCF中的疲劳强度降低也很明显，但明显低于未涂覆螺栓。对于螺栓M64，在直接比较两种试验表面处理时候，结果中仅存在HCF微小统计偏差降低。

EC3以及VDI 2230中热浸镀锌螺栓的相关标准S-N曲线的验证如上图。标准S-N曲线的描述考虑了各自直径相关折减系数。除与本文相同M36、M64规格的螺栓试验外，还包括了对M48规格螺栓组的试验结果。

通过实际试验结果可以确认，使用EC3中适用的疲劳等级FAT50为所有考虑的螺栓尺寸提供了安全设计依据，前提是另外考虑了大尺寸折减系数。

VDI 2230标准提供了接近但安全的近似M36和M48热浸镀锌螺栓的结果（对于直径M64试验无更多的数据）。然而，在HCF中，试样的失效发生在低于指南相应疲劳曲线的载荷循环，这种趋势对于M64螺栓尤其明显。而且VDI 2230标准中也指出对于热浸镀锌的螺栓会降低约30%（其中因热浸镀锌减少的尺寸影响为10%，热浸镀锌本身的影响是20%）。

综上所述，由于直径增大而导致的HCF疲劳强度降低并未被指南很好涵盖。

试验结论和展望

在大规格螺栓组M36和M64的标称预载水平下的综合疲劳试验中，证明热浸镀锌对螺栓的疲劳强度有重大影响。

对于直径非常大的M64试验螺栓，黑色无涂层表面处理的螺栓与热浸镀锌试样的疲劳强度基本相当。

试验结果证实了EC 3疲劳等级FAT50在螺栓直径和所有考虑的表面处理的试验范围内是安全和适用的。

在VDI 2230指南中，在高周疲劳范围内，由螺栓直径引起的疲劳强度降低被低估，这个特别对于热浸镀锌螺栓需要特别注意。

试验延伸到

螺栓计算软件

SD PRO

我们的Screw designer professional（简称SD PRO）螺栓设计师的螺栓计算软件对大规格的螺栓进行更加符合试验结果的考虑。

软件中考虑了大规格直径、螺距、温度等影响，对于热处理前搓丝的螺栓疲劳强度结果比VDI 2230标准结果会稍低一些，从这个大规格螺栓疲劳试验结果也可以看出，SD PRO的结果更加符合实际试验情况，保证疲劳设计的准确。软件中不仅会计算出VDI 2230标准的计算结果，也会根据尺寸、螺距、温度等的影响后的螺栓疲劳寿命。例如M64的螺栓VDI 2230的计算结果σast为40.242MPa，与VDI 2230标准计算结果一致。同时也会给出螺栓的实际疲劳寿命σaperm为32.194MPa。显然这个结果更加符合实际试验结果，保证螺栓设计的准确。

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作为德国领先紧固技术在中国的代言人，旨在通过引进最先进的紧固技术助推中国先进制造业的发展。兹懋是来自德国的Kistler Remscheid (原Schatz)、ECM Datensysteme、AFS先进连接技术研究所驻中国的全权代表机构。提供源自德国的螺纹紧固连接检测、校准、分析的仪器设备，以及紧固连接全寿命周期的解决方案，并定期举办专业的紧固培训研讨会，深受业内好评。

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