从一座瑞典风机的倒塌看VDI2230用于螺栓连接精确计算的重要性

一、写在前面

引言：在机械行业，螺栓是与轴承、齿轮齐名的三大最主要机械元素，而从应用广泛程度来看，相比于轴承和齿轮是有过之而无不及。无论是机械传动还是机械结构，都离不开螺栓，螺栓的身影于人类的生产和生活中无处不在。因此，对螺栓的深入研究非常有必要。

同时，在中国国内，对螺栓的研究并不广泛。德国工程师协会VDI一直在努力完善螺栓设计计算导则，而且已经取得了非常突出的成果，被欧美国家的相关用户广泛采纳。

本文就是在VDI 2230 基础上，结合工程实际中遇到的问题，阐述如何将VDI 2230应用到工程实际中，分享从中获得的收获。本着抛砖引玉的目的，以期与广大工程师同仁深入探讨、钻研。 

二、瑞典风机倒塌
 
2015年的圣诞夜，一座390英尺高的风机在瑞典的Lemnhult风场倒塌了。事故调查人员发现，风机倒塌源于位于塔筒最底部法兰的落100根M64螺栓失效。

调查报告结论中有价值信息可以提炼如下：

• 因为风力作用，螺栓法兰失效。其根源是螺栓在安装时候实际预紧没有达到设计给定的预紧力数值。

• 没有螺栓预紧力的监测手段和要求。

• 力矩工具没有维护到位。

• 螺栓紧固工人经验不足，紧固方法不合理。

• 雨天安装导致螺栓摩擦系数发生变化，导致预紧力降低。

上述内容是网上看到的一片文章的摘抄。作者在这里不想评论此文章内容详实与否，在此仅仅就其5条结论对此风机塔筒螺栓失效原因进行分析。
 
首先从5条结论中可以总结出，风机塔筒倒塌的原因其实只有结论1，即安装塔筒和塔筒之间连接螺栓时的预紧力不足。

本人没有接触过此塔筒倒塌事故调查的原始资料，但是忧郁风力发电机受力情况特别复杂，此实例可以作为一个应用VDI2230导则进行螺栓设计计算的绝佳范例。并可通过对调查结论的更深一步挖掘，作为巩固VDI2230知识的好的素材。

本文首先从风力发电机塔筒螺栓的受力分析出发，导出风力塔筒螺栓计算导则，然后再对上述5条瑞典风机倒塌的调查结论进行深入挖掘，以巩固和应用VDI2230知识点。
 
三、风力发电机塔筒螺栓计算导则
 
在根据VDI2230设计塔筒螺栓排布和计算螺栓安全系数时候，首先要对螺栓的载荷进行分析和分类。

首先，风机在风力的作用下，整个风机包括塔筒会承受剪力，而风机的其它部位如塔筒承载面非常大，而螺栓抵抗剪力的面积非常小，只有100个螺栓直径那么大，远远小于塔筒实体面积，因此，剪力也可能导致螺栓失效。

根据VDI2230-2可以推导出，用于抵抗风对风机的剪力而需要的螺栓的预紧力是相同的。但是，一般在设计风机的时候，都是计算出此横向力的作用，再根据VDI2230-1中第R2步计算出由此需要螺栓产生的拉力，然后根据VDI230-1标准计算流程进行后续计算。

最终得到需要的螺栓预紧力，而且可以根据VDI2230-1中第R12步计算出个螺栓抵抗风力剪切作用的安全系数。因此，如果螺栓在安装的时候被按照设计值进行有效预紧的话，螺栓收到风力作用而被剪切断裂这种可能性是不存在的。

对于抵抗塔筒连接失效、发生横向移动的安全系数，以及螺栓抗剪切的安全系数，要着重校核最上段塔筒的法兰面上的螺栓，原因是：由于塔筒的重力作用，越靠近地面的塔筒的法兰面受到上邻塔筒法兰面的压力越大，因此相接触的法兰面之间的摩擦力也越大，摩擦力发挥抵抗塔筒横向位置的作用就越大，对螺栓预紧力的要求就越小。

所以最上层塔筒法兰面之间的螺栓是抵抗此载荷的最薄弱环节。但必须强调，并不是说因此就可以以最上层塔筒法兰面之间的螺栓为最危险螺栓进行校核。因为螺栓不仅仅承受此横向风力，还有其它载荷作用。

对于工作载荷。也需要对载荷来源和性质进行分析和分类：

1、首先，风力发电机在发电状态，除了受到风力的作用和自身重力的作用，还有机舱中由于平衡电磁力矩导致的齿轮箱或是永磁发电机的扭力臂对主机架的力矩，而此力矩最终要由塔筒法兰面上的螺栓来承担。而承担此力矩的一整圈螺栓发挥的作用不尽相同，根据VDI2230-2可以推导出，与此瞬时风向垂直方向布置的两个螺栓此时承受的力最大，此塔筒法兰上其余螺栓的螺栓所承受的力按靠近此两个螺栓的距离远近而逐渐降低。

这是风机在工作状态由于电磁力矩引起塔筒同一个法兰面上螺栓受载不均，但是在不同的法兰面上，同一方位的螺栓理论上受到由于电磁力矩产生的螺栓载荷相同。但由于风向不是固定的，因此，同一法兰面上整圈的螺栓都有机会成为受载最大者。所以，在计算螺栓外载荷时，需要首先假设任意一个风向，然后根据VDI2230-2计算出受载最大螺栓的载荷值，然后将其赋予各个螺栓作为工作载荷分量之一，记为。

如果忽略每层塔筒法兰面螺栓个数的差异和分布圆直径的差异，可以认为所有塔筒螺栓收到的值相同。但如果精确计算，就要考虑每层塔筒法兰面螺栓个数的差异和分布圆直径的差异进行详细计算。 

2、其次，由于塔筒非常高，从几十米高到上百米高，因此风作用于风机上产生非常大的弯矩，也引起同一塔筒法兰面上的螺栓受载不等。根据VDI 2230-2可以推导出，与风向同方向布置的两个螺栓受到的力最大，此塔筒法兰上其余螺栓的螺栓所承受的力按靠近此两个螺栓的距离远近而逐渐降低。这是风机在工作状态由于塔筒高度产生的弯矩力矩引起塔筒法兰螺栓受载不均。

同样，但由于风向不是固定的，因此，同一法兰面上整圈的螺栓都有机会成为受载最大者，因此在计算螺栓外载荷时，需要首先假设任意一个风向，然后根据VDI2230-2计算出受载最大螺栓的载荷值，然后将其赋予各个螺栓作为工作载荷的另外一个分量。 

当然上述对工作载荷的分析和推导进行了部分简化，因为除了如上所述之外，还有机舱和叶轮重心位置产生的弯矩，机舱偏航动作时作用于塔筒法兰的横向的力，等等，由于篇幅所限，无法完全展开分析。后续有兴趣的读者可以和我联系，共同详细探讨。 

再完成对载荷的分析和分类之后，就可以根据VDI2230-1中的标准步骤进行计算了。关键是把载荷考虑全面，核心是把所需要的夹紧力和工作载荷进行区分和归类，前提是正确地把外载荷合理地根据VDI2230-2分配到单一螺栓上。这些工作完成后，再根据VDI2230-1计算最终得到的不仅仅是螺栓的各项安全系数，还得到螺栓需要的预紧力数值或是预紧力矩数值。
 
四、瑞典风力发电机倒塌调查报告解读

此调查报告给出的5条结论，其实最关键技术性结论只有第1条，因为风力作用，螺栓法兰失效。其根源是螺栓在安装时候实际预紧没有达到设计给定的预紧力数值。此结论说明，风机设计人员还是严格按照VDI2230导则进行详细并精确的计算了。

但是在安装塔筒预紧螺栓的过程中，没有做到位。从而说明只有设计人员懂VDI2230还是远远不够，安装操作人员也需要部分的了解VDI2230的内容。（因为VDI2230不仅仅设计到螺栓的计算，还有安装方法等方面的内容指导）
 
关于第2条和第3，没有预紧力的监测手段和要求。这也是明显地违背VDI2230的。因为塔筒螺栓是风机所有零部件中最重要的，整个风机的安危都系于每个塔筒螺栓的可靠连接。如此重要的螺栓安全等级为最高级，那么预紧工具当然至少是力矩扳手了，很多风机企业都采用螺栓拉伸器，甚至更精密的预紧工具。调查报告提到没有必要的预紧力监测手段和要求，显然是有违VDI2230-1中表A8的。
 
至于第4条，安装人员经验不足，紧固方法不合理。VDI2230-1中也有关于安装方法的论述，建议风场安装人员部分的学习这些内容。

第5条，雨天安装导致螺栓摩擦系数发生变化，导致预紧力降低。这一条只提到是摩擦系数发生变化。我们可以进一步解读出报告指的是摩擦系数变化其实是指变大，而且我们还能够跟第5条推断出安装人员当时才是的是保证预紧力矩的安装方法，如数显的力矩扳手等工具。比如报告说因为摩擦系数变化导致预紧力降低。

因为如果说明安装的时候，工人是采用螺栓拉伸器等工具或是监测螺栓伸长量的方式来安装螺栓，那么最终预紧力是与模型系数无关的。如果采用保证力矩的预紧方式，我们可以根据导则中的公式 

可以看出，如果摩擦系数变大，但是由于安装人员只保证预紧力矩为给定值，那么实际得到的预紧力值是比计算得到的要小，也就是预紧力降低。 

从上述分析可以看出，学好VDI2230不仅可以设计螺栓分布，计算螺栓安全系数和预紧力，还可以有效地进行故障分析。VDI2230是处理有关螺栓问题的绝佳的工具。

 
参考文献：

[1] VDI 2230

[2]《Mechanischelemente》G· Niemann, Germany

作者：螺栓设计老张，仿真秀专栏作者，著名齿轮箱设计研发专家。硕士毕业后，从事机械设计研发工作13年。师从德国齿轮箱研发大师Hans-Jügen和Michael Bachmann，为其三个关门弟 子之一。在深得日耳曼人精益求精的钻研精神同时也传承着中国知识分子的家国情怀。曾旅居德国，游历欧洲，涉猎古今，放眼世界。以复兴民族文化为己任，弘扬西方文明为使命。不辞鄙薄，砥砺而行。苟利国家生死以，岂因祸福避趋之？

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