用於製造優選用於離岸式風能設備的超重的管接頭的方法
2023-07-24 05:58:16 2
專利名稱：用於製造優選用於離岸式風能設備的超重的管接頭的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於簡單地、成本有利地製造在離岸式風能設備中的超重的管衍架結構、管結構和圓錐結構的部件的方法。
背景技術：
離岸式風能設備的承重結構和地基結構在各種情況下被實施為焊接的鋼結構或混泥土結構。例如在GB2182375中描述了混泥土地基結構。DE 102008003647描述了一種漂浮的混合結構，在該混合結構中鋼製衍架部件與
混泥土容器件組合。焊接的鋼結構典型地以管衍架或箱式結構的形式實施。一種作為箱式結構的地基結構是文獻DE202004020720U1的主題，該箱式結構由η角的支撐架組成。管衍架由於其連續地彎曲的表面而在防腐蝕和迎流阻力方面具有顯著優勢，這特別是在離岸應用中會起作用。問題是管衍架杆彼此間的連接設計。該連接幾乎完全通過焊接實行。文獻ΕΡ2067914描述了一種格柵結構形式的管衍架結構。直徑比較小的管這樣地接合成一個對稱的衍架，使得顯著地減少了連接點、即所謂的節點的幾何多樣性。節點是預製的並且在施工現場藉助簡單的圓焊縫與鄰近的管連接。由此能夠實現在節點內部載荷最大的區域中沒有焊縫延伸。還實現焊縫可以藉助軌道焊接方法自動化地或者至少機械化地製造。節點本身不是獨特件、而是標準件，具有接合面和預準備的焊池襯墊並且可以在其幾何形狀、其橫截面及其壁厚方面精確地與存在的力相協調。將這類節點製成為鑄造結構是容易想到的。這在文獻DE2519769中被提出。幾乎任意多的管軸線可以相交於一個點，而在鄰近的管之間不出現幹涉。鑄造的節點的缺點是設計靈活性小。由於所需的鑄造模型、無益的鑄模、比較費時的生產，經濟的節點製造僅在類似批量的製造中可行。節點不能現場製造並且必須從鑄造車間運輸到施工現場，這限制了其最大尺寸。節點製造的另一種可能性在GB2205915中描述。一個平的板材在凹模中首先被U 形地成形。然後通過芯棒在另一個凹模中獲得外翻部，該外翻部被打孔和切邊並且形成杆連接。ΕΡ0195063也描述了一種類似的解決方案。在該文獻中指出，在每個工作步驟之間需要熱處理。還提出，即便對於這些工作步驟的一部分而言構件也要置於加熱的狀態中。藉助這種的節點製造成功得到從節點至管接頭的連續的、少缺口的過渡。根據DE 1072581將該過程描述為車軸頸。構件中的力線不被中斷，力流不受幹擾。過渡區域可以圓錐形地設計。與鑄造的節點相比結構約束更多地有效，因為需要專門成形的模具和機器來施加成形力。對於每個交角以及對於每個接頭直徑需要其它的模具和芯棒。車軸頸的製造是強烈展現手工藝的活動，機械化或自動化看來是幾乎不可能的。相反總是需要人工的適配工作。管直徑越大，製造越困難。管節點可以設計成純粹的焊接連接。出發點是在各種情況下具有不同直徑的兩個圓柱形管段，它們從一個確定的直徑開始不能再無縫地軋制，而是由滾圓的板材製成，該滾圓的板材通過縱向焊縫成形為圓柱、即所謂的管段。直徑較小的、參與連接的管在其端部上具有被稱為穿透輪廓、切割輪廓或鞍形輪廓的形狀。該輪廓的計算基於空間三角學在使用計算機的情況下是比較簡單的並且也可以由任何現代的CAD系統執行。為了製造該輪廓，通常使用熱切斷方法，例如氣割和等離子切割。在鋼處理工業中廣泛流行的是人工地執行氣割或等離子燃燒器，其方式是部分地藉助靠模劃出或者衝眼出鞍形輪廓並且工人手動地沿著該軌跡操控燃燒器。以該方式自然不能製造出平整的切口側沿和定義的倒角形狀。使用管氣割機是用於製造鞍形輪廓的現有技術。管在該機器中被一個旋轉單元以程序控制的方式旋轉並且與位於12點鐘位置的、沿著管軸線以程序控制的方式運動的燃燒器配合作用形成鞍形輪廓。高效的管氣割機，例如在 EP180738中描述的技術方案除了製造鞍形輪廓外也能夠實現所謂的焊縫預加工部的製造。 焊縫預加工部用於在兩個要連接的管之間創造V形坡口，該坡口在裝配時用焊接金屬填滿並且兩個管彼此間的不可拆卸的連接導致形成管節點。D擬66144描述了一種方法，在製造大標稱寬度的管彎頭時步驟顛倒，S卩將外殼面展開到一個平面中，然後由板材切割出該平的切口形狀並且通過手工藝器件將該毛坯形狀成形為一個管彎頭。適配工作必然是需要的，因為從幾何觀點看管彎頭構成一個環面並且由此構成一個二維彎曲的構件，該構件僅允許以近似方式展開。該方法忽視了板厚和軋制時的塑性變形。風能設備的越來越大的尺寸要求具有極限尺寸的基礎和承重結構。該基礎和承重結構的零件由於其質量並且由於其尺寸而不適合公路運輸。整個加工必須在現場進行，所有必須的機器和設備必須在該現場可供使用。這在鞍形輪廓的製造方面是特別昂貴的。人工製造由於構件的尺寸和存在的質量要求而被排除在外。而管氣割機必須對於需要的管直徑進行設計，由此執行起來非常費勁並且構成一個明顯的成本因素。管氣割機不適合圓錐形的構件、例如離岸式風車和岸上式風車的柄軸的切割。發明任務本發明的任務是提供一種用於製造超重的管結構的部件的方法，使得滿足在配合精度、焊縫質量、連接部位上的切口效應和疲勞強度方面對風能行業的新的且非常嚴格的要求。提高部件製造的經濟性也是本發明的任務，其方式是，半成品的運輸被簡化或者說只有當部件的製造可通過在鋼處理企業中通常存在的設備總和實現時才被允許，並且捨棄了管氣割機的使用。
發明內容
根據本發明該任務按照權利要求1的特徵解決。首先創建構件的三維計算機模型，包括在兩個相交構件的連接部位上的從焊接技術的角度優化的焊縫預加工部。該焊縫預加工部必須這樣地實施，即整個構件橫截面通過對接焊縫與配對元件連接。這些配對元件中一個為此含有構造為V形坡口或K形坡口的焊縫預加工部。幾何結構條件(直徑比、配對元件軸線的交角等)在不利的情況下要求焊縫預加工部也必須相對配對元件的內側實施。作為3D模型存在的構件藉助幾何學和機械結構學的計算並且在軋制工藝變化過程的知識下以迭代過程轉換成一個平整的、板狀的具有變化倒角的切口側沿的構件模型。 此外，該3D模型(Mep_0)根據
圖1首先通過顯式的幾何變換以反變換的方式轉換成一個被稱為切口形狀的2D模型(Step_l)。反變換指的是，變換方向與製造流程相反地進行。相應地，正變換在此指的是，變換方向與製造流相同。切口形狀是一個具有不垂直於構件平面延伸的切口側沿的平整構件，該切口側沿由Mep_0的3D模型的切口輪廓的倒角變化曲線得出。但是該切口形狀首先不考慮材料在軋制時的塑化的影響。在該構件模型的周圍找到一個外接矩形並且該構件模型通過保持橋和連接條與該外接矩形錨定，就像位於3D模型的可能存在的切口和孔中的剩餘材料同時以相同的方式與該切口形狀連接一樣6tep_2)。這形成一個稱為管件的矩形板材件，該矩形板材件具有至少一個封閉的切口輪廓，該切口輪廓通過保持條和連接橋中斷。基於在構件上使用的鋼配料的材料特性(其優選通過拉伸試驗獲得)並且在使用數學方法例如廣泛使用的有限元方法(FEM)的條件下，在考慮軋制技術的參數(如使用三或四輥彎曲機或者多邊形翻鋼機、軋輥直徑或者稜邊半徑、軋制步驟的數量、軋輥內襯等等)的情況下該管件作為正變換(Step_3)被反算回三維的模型(Mep_4)並且求出該模型與乂印_0的3D模型的幾何差(Step_5)。如果乂印_0的模型與乂印_4的模型之間的幾何差小於行業常見的幾何公差，則可以中斷迭代過程並且乂印_2的管件可以被轉移到機器程序中並且被切割出6tep_8)，該幾何公差憑經驗在1至3mm之間。然後，該管件被軋制到其三維的形狀，該三維的形狀通常是一個圓柱，但是也可以是一個圓錐。該管件然後在其縱向方向上被定位焊接(乂印_10)。在最後的工藝步驟中人工地通過切斷連接條和保持橋來分離出切口形狀(乂印_11)，接下來的是常見的焊接技術的進一步處理。在相反的情況下，通過數字數學的方法，例如試位法獲得偏移值，這些偏移值被加到的切口形狀的切口輪廓的每個點上(Step_7)。以乂印_2重新開始該迭代過程。在目前的現有技術中，乂印_3中的計算程序(即正變換)對計算要求極高，需要遠遠超出個人計算機的常見工作能力的計算效率並且儘管如此仍需要以小時為數量級的計算時間。這對於實際應用是十分不利的。因此還提出創建一個資料庫，該資料庫不僅裝滿剛剛描述的數學計算的結果而且裝滿來自軋制的實際應用的經驗值和實驗結果，並且在專家資料庫的意義上不斷地用新的且改進的數據材料更新和改進。根據切口形狀的幾何結構相似性、壁厚、二維延展尺寸和彎曲半徑，可以由該資料庫獲得偏移值，這些偏移值為了精細化而通過資料庫中的數學方法被中間插補，這些偏移值被加到乂印_1的切口形狀上並且在圖1中描述的迭代至 Step_7)通過迭代步驟的減小而被縮短或者甚至變得完全多餘。該資料庫被離線地創建、即在該方法的工業使用之前創建，並且在線地、即在工業實踐中連續使用時從該資料庫中僅調用偏移值並且有選擇地加到3D模型本身上或者加到由該3D模型通過顯式的幾何變換計算出的切口形狀上。這得到一種根據圖2的簡化的、節省時間和成本的計算程序。關於所使用的附圖標記的總覽1資料庫
2桅杆段3框4縱向焊縫5框開口6三維的切口側沿7圓柱形地成形的板材段8二維的板材段9經變換的切口側沿10連接條
11廢料部分
12主管
13
14接管
15人
16焊縫預加工部
17換向點
18板形件
19切口側沿
20矩形的板材段
21管軸線
22圓焊縫
具體實施例方式本發明的其它設計方案應當藉助下面舉出的實施例進一步闡述。根據圖3的第一實施例示出一個在風能設備的圓錐形的桅杆段2與比較厚壁的、 橢圓形的框3之間的穿透部。該框3包圍一個門開口並且補償桅杆段橫截面的削弱。框3 是一個由板材軋制的、以縱向焊縫4封閉的橢圓並且自然具有顯著的公差。框3被插入到桅杆段2的框開口 5中，然後通過焊接與該桅杆段材料鎖合地連接。框3與桅杆段2的焊接通過對接焊縫實現，該對接焊縫構造為在框3與桅杆段2 上的為該框3製造的框開口 5之間的HV焊縫。為此在桅杆段2的該開口上構造一個三維的切口側沿6。傳統的製造流程在於用人工的手工藝方法來軋制桅杆段、在該段上繪出投射的框形狀以及切割和焊縫預加工。可達到的配合精度自然很低，為此的時間耗費很高。出於可接近性、存在的公差和惡劣的製造環境的原因，無法實行將工業機器人用於切割出框開口 5。相反根據上述方法測量該框3的真實的橫截面形狀，在CAD系統中作為平的輪廓建模，放置到圓柱形或圓錐形的段上並且計算出包括焊縫預加工部在內的穿透部。該工藝步驟可簡單且快速地執行。桅杆段2具有這樣大的直徑，以至於它在各種情況下不是由一個單個的、而是大量的板材通過縱向焊縫4和圓焊縫22接合而成。框開口 5應當這樣放置在桅杆段上，即為了避免焊縫交叉該框開口完全由一個板材段包圍。
該段根據圖4通過顯式的幾何變換轉換為一個平的部件，即二維的板材段8，包含一個經變換的切口側沿9。該二維的板材段8根據圖5設有連接條10，使得廢料部分11與二維的板材段8保持連接。這些連接條10優選接合在經變換的切口側沿9的這樣的部位上，在那裡在彎曲時產生的比較應力形成一個最大值。由資料庫1獲得補償在軋制時的塑性變形效果的幾何偏移值。這些偏移值被連接到平的構件上並且由此使該構件的理想的幾何形狀失真，如圖6以純定性方式並且以極大的比例誇大方式表示的那樣。然後將該段成形為一個殼，這可以在三或四輥彎曲機中、在翻鋼機中或者也在鍛模中進行，其中，成形工藝在種類和流程(所用機器的種類、內襯的程度、軋輥直徑等)方面必須與資料庫的設定值相符。在最後的加工步驟中，在成形工藝之後人工地打開連接條10，例如在使用角磨機或者手動切割燃燒器的情況下打開連接條，以及在需要時再加工並且打磨。根據圖7的第二實施例示出作為兩個直徑非常大的管的連接部的超重管節點的製造。為了說明，在圖7中示出了一個成年人15。在此，在鋼結構中常見的方法是，兩個參與管節點的管中的直徑較大的管(即主管1 保持不被加工，較小的管(即接管14)在布爾運算「差」的意義上從主管被切去，然後為了裝配被放置到主管12上。主管和接管14的連接通過焊接發生，為此在接管14上安設用於對接焊縫的焊縫預加工部16。在被兩個管、 即主管12和接管14包圍的鈍角區域中，焊縫預加工部位於接管14的外側並且在換向點17 處跳躍到接管14的內側。接管14在主管12上的連接以及在換向點17上從管外側跳躍到管內側的焊縫預加工部16的設計通過專門的、基於幾何學的軟體快速地且簡單地實現，但是也可以然而極其耗時地在三維CAD系統中逐點地求出。在接下來的步驟中，根據圖8將接管14的外殼面以顯式的幾何變換轉換成具有不平整的切口側沿19的板形件18。由於該接管14的尺寸很大，該板形件18不能由一個單個板材、而是必須由多個矩形的板材段20製成。此外，根據圖9這些板材段20這樣布置在板形件18上，即這些板材段20的兩個稜邊與管軸線21平行。它們也被這樣地布置，即避免焊縫交叉。切口側沿19應當這樣地插入到各個板材段20中，即它們分別與板材段20的兩個彼此相對的稜邊相交，但是儘管如此廢料材料的數量份額仍保持最小。對於每個板材段20由資料庫1獲得偏移值並且加到切口側沿19的點上。這至少對於每個板材段20的四個角點發生。切口側沿19的點的偏移值在沒有顯式地由資料庫1獲得的參數的情況下基於相鄰的偏移值直線地或者以樣條曲線插補。偏移值使每個板材段20的矩形形狀失真，但是以比板材段20的尺寸的程度失真。包含切口側沿19的部分的板材段20的由切口側沿的劃分通過插入連接條10這樣地被消除，使得連接條被插入到比較應力最大的部位上。它們也可以在每個板材段20的外輪廓的區域中以這樣的形狀插入，使得外輪廓不被中斷。目前完全在計算機工位上處理的數據在下一個步驟中以標準化的數據格式、例如 DSTV 格式(Standardbeschreibung von Stahlbau-Teilen fur die NC-Steuerung[XNC],Empfehlungen des DSTV-Arbeitsausschusses IT，第9期，2006年11 月)轉移到切割機中並且被切割出。該切割機必須具有至少四個數控軸，其中兩個用於燃燒器的定向。如果板材段20被切割出，那麼它們被軋制到接管14的半徑，其中，該軋制必須根據資料庫1的在所用的軋機及其參數(軋輥直徑、軋輥內襯等)方面的預定值進行。然後，經軋制的板材段20彼此間通過縱向焊縫4和圓焊縫22連接成接管14並且將該接管與主管12沿著焊縫預加工部16連接。
本發明的解決方案的優點本發明的解決方案的優點在於避免了使用管氣割機。該機器費用高並且極少被容器工人或者設備工人經濟地運行，特別是當它對於在此考慮的構件尺寸被設計時。服務企業的利用要求將圓柱形的管段運輸至服務提供商然後運回到製造企業。為此所需的運輸費用很高，公路運輸由於該尺寸甚至可能被排除。根據本發明的解決方案，僅需要那些對於所述構件的實現始終必須的機器，即一方面具有用於燃燒器擺動的倒角組件的氣割機，另一方面用於製造管段和殼的軋機。所有的加工步驟，從板材直到最終完成的管接頭，可以在現場進行。適配工作可更容易執行，因為在裝配時僅需要搬動單個的、質量比較輕且容易搬動的殼，而不是整個接管。
權利要求
1.用於製造超重的管接頭的方法，該管接頭由兩個在其軸線上交叉的、設有圓柱形、圓錐形或橢圓形外殼面的配對元件組成，即框C3)和桅杆段( 或者主管(1 和接管(14)， 其中，這些配對元件中的一個具有圓柱或圓錐形狀並且出現穿透部，其特徵在於，創建一個三維的計算機模型，在該計算機模型中這些配對元件這樣地接合，即從焊縫看去它們環繞地、彼此線形地接觸並且通過該配對元件交替地相對構件外側或構件內側形成一具有恆定的焊縫張角且具有至少40°的數值的V形坡口，但同時切割方法在最大可製造的45°倒角方面的技術極限不被超過；其上成形有V形坡口的配對元件由三維的計算機模型通過顯式的幾何變換轉換成一平整的板形的切口形狀，即具有相對於板材表面不垂直地延伸的切口側沿的板形件(18)， 使得所述切口側沿(19)作為彼此緊密相鄰的點的列表存在，這些點通過插補形成一軌跡曲線並且對於每個點一個在軌跡曲線的法線方向上延伸的、相對於板形件(18)的表面測得的角度補充所述列表；由一個裝滿為了精細化用適當的數學方法中間插補的修正值的資料庫(1)根據板形件(18)的幾何相似性、壁厚、二維延展尺寸和彎曲半徑獲得用於補償在軋制或彎曲時出現的塑性變形的偏置值並且通過將所述偏置值加到板形件(18)的輪廓上來獲得用於彎曲或軋制工藝的設定值。
2.根據權利要求1所述的用於製造超重的管接頭的方法，其特徵在於，找出一個外接所述板形件(18)的矩形形狀，使得兩個矩形側面平行於管軸線01)。
3.根據權利要求1和2所述的用於製造超重的管接頭的方法，其特徵在於，所述板形件(18)的切割通過一個數控的、至少配設有四個由計算機控制的運動軸的機器完成，這些運動軸中的兩個用於相對於垂直線的燃燒器定向，該機器所需的運動程序由所述切口側沿 (19)的被施加偏移值的點和角度列表獲得，並且由一個大於外接矩形的板材首先切割出所述板形件(18)，然後切割出所述外接矩形，在所述板形件(18)與所述外接矩形之間通過連接條(10)保持獲得固定的連接，並且使用一種產生相對於板材厚度僅小到可忽略的切割縫的切割方法。
4.根據權利要求1至3所述的用於製造超重的管接頭的方法，其特徵在於，帶有藉助連接條(10)固定地與其連接的外接矩形的所述板形件(18)或者在三或四輥彎曲機中或者在翻鋼機中以非常小的稜邊距離多邊形地倒圓並且所述倒圓程序的流程恰好符合來自所述資料庫(1)的設定值。
5.根據權利要求1至3所述的用於製造超重的管接頭的方法，其特徵在於，對於所述板形件(18)的相應尺寸，將所述板形件拆分成矩形的板材段(20)，使得在這些矩形的板材段(10)彼此間的連接稜邊上製成V形的焊縫預加工部，並且這些矩形的板材段00)這樣地配合成所述板形件(18)，使得所述板形件(18)的表面被這些矩形的板材段00)在排除焊縫交叉的情況下完全覆蓋並且每個矩形的板材段00)的一稜邊與所述管軸線平行地延伸。
6.根據權利要求1至5所述的用於製造超重的管接頭的方法，其特徵在於，在彎曲或軋制之後通過去掉所述連接條(10)將形成所述接管(1 的板形件(18)或者該板形件的部分從該或這些矩形的板材段OO)去除，並且通過焊接將其與所述主管(1 連接。
全文摘要
本發明涉及一種用於製造超重的管接頭的方法，所述管接頭例如用在離岸式行業中。該方法描述了如何在平整的、類似板材的構件上進行所有的切割加工並且由此免去了昂貴的管氣割機的使用。
文檔編號F03D11/00GK102414371SQ201080017934
公開日2012年4月11日 申請日期2010年4月21日 優先權日2009年4月23日
發明者R·施普雷克邁爾 申請人:Iag馬格南有限責任公司