用於電動機器的設備的製作方法

2023-05-03 20:35:46

本文中描述的實用新型大體涉及用於電動機器的設備，且特別地涉及用於具有軸的電動機器的設備。

背景技術：

風能被認為是目前可獲得的最潔淨且最環境友好的能源中的一種，並且在這點上風力渦輪機已獲得更多的關注。現代風力渦輪機典型地包括塔架、發電機、齒輪箱、機艙以及一個或更多個轉子葉片。轉子葉片使用已知的箔片原理從風中獲得動能，並且將動能通過旋轉能傳遞以轉動聯接至齒輪箱的軸，或者如果不使用齒輪箱，那麼直接傳遞至發電機。發電機然後將機械能轉換成可供應至公用電網的電能。

現代風力渦輪機可以是相當大的，其中，許多設計具有超過100米的轉子轂高度。在這點上，單獨的構件也是相當大的且重的。在風力渦輪機中的主軸必須支撐轉子和各種利用風的負載的重量。主軸可為3米長且重2噸或更多，並且典型地設計達20年的使用壽命。大(且重)部件典型地製造、船運和安裝是昂貴的。隨著渦輪機老化，它們必須被整修(並且恢復使用)或收回。顯然，從經濟和環境的觀點上將更期望整修(並再使用)儘可能多的部件來減低浪費。但是，現有的實踐將磨耗或受損的部件丟棄，而這使得整修的成本增加，因為需要附加的新部件來使風力渦輪機回到操作規範。

技術實現要素：

本實用新型是為了解決如上所述的技術問題而作出的，並且旨在消除軸的階梯區域處的應力，降低在風力渦輪機的使用壽命期間經歷的軸的磨損和撕裂。

在本實用新型的一方面中，用於加工軸的方法包括在軸的徑向表面和軸的軸向面朝凸緣部分之間的連接處將複合半徑加工到軸中的步驟。複合半徑具有彎曲表面，其帶有至少兩個不同的半徑。彎曲表面繞軸周向地延伸。

在本實用新型的一方面中，用於加工軸的方法包括檢查和加工的步驟。檢查步驟檢查軸缺陷的存在，並且通過如下至少一者執行：目視檢查、磁粉檢查、尺寸檢查、或滲透檢查。加工步驟在軸的徑向表面和軸的軸向面朝凸緣部分之間的連接處將複合半徑加工到軸中。複合半徑包括彎曲表面，其具有至少兩個不同的半徑，並且彎曲表面繞軸周向地延伸。軸是構造為適用於電動機器的主軸。

在本實用新型的另一方面中，用於電動機器的設備包括軸，其在軸的徑向表面和軸的軸向面朝凸緣部分之間的連接處具有複合半徑。複合半徑包括彎曲表面，其具有至少兩個不同的半徑，並且彎曲表面繞軸周向地延伸。這樣的彎曲表面具有期望的應力消除特性，有助於降低在風力渦輪機的使用壽命期間經歷的軸的磨損和撕裂。

本實用新型的第一技術方案提供了一種用於加工軸的方法，方法包括如下步驟：在軸的徑向表面和軸的軸向面朝凸緣部分之間的連接處將複合半徑加工到軸中；以及其中，複合半徑包括彎曲表面，其具有至少兩個不同的半徑，並且彎曲表面繞軸周向地延伸。

本實用新型的第二技術方案是在第一技術方案中，軸是構造為適用於電動機器的主軸。

本實用新型的第三技術方案是在第二技術方案中，還包括：檢查軸缺陷的存在。

本實用新型的第四技術方案是在第三技術方案中，檢查步驟還包括：通過如下中的至少一個來檢查軸：目視檢查、磁粉檢查、尺寸檢查、或滲透檢查。

本實用新型的第五技術方案是在第三技術方案中，執行尺寸檢查，並且如果尺寸檢查的結果是不令人滿意的，那麼執行如下中的至少一者：碾磨來移除凸點；通過雷射焊接、電鍍或高速氧燃料(HVOF) 噴霧隆起軸的表面來移除凹點。

本實用新型的第六技術方案是在第二技術方案中，加工步驟還包括：加工第一半徑，第一半徑具有大約30mm至大約50mm的半徑；以及加工第二半徑，第二半徑具有大約10mm至大約20mm的半徑。

本實用新型的第七技術方案是在第六技術方案中，第一半徑可加工使得第一角存在於軸的彎曲表面和徑向表面之間，並且第一角在大約5度和15度之間。

本實用新型的第八技術方案是在第六技術方案中，第二半徑可加工使得第二角存在於軸的彎曲表面和軸向面朝凸緣部分之間，並且第二角在大約50度和70度之間。

本實用新型的第九技術方案是在第六技術方案中，第一半徑的起點位於從軸的徑向表面徑向向外大約12％的軸半徑處，和從軸的軸向面朝凸緣部分軸向向內的大約8％的軸半徑處，而第二半徑的起點位於從軸的徑向表面徑向向外大約10％的軸半徑處，和從軸的軸向面朝凸緣部分軸向向內的大約1％的軸半徑處。

本實用新型的第十技術方案是在第九技術方案中，加工步驟還包括：加工第一半徑，第一半徑具有大約40mm的半徑；以及加工第二半徑，第二半徑具有大約15mm的半徑。

本實用新型的第十一技術方案提供了一種用於加工軸的方法，方法包括如下步驟：檢查軸缺陷的存在，檢查通過如下至少一者執行：目視檢查、磁粉檢查、尺寸檢查、或滲透檢查；在軸的徑向表面和軸的軸向面朝凸緣部分之間的連接處將複合半徑加工到軸中；以及其中，複合半徑包括彎曲表面，其具有至少兩個不同的半徑，並且彎曲表面繞軸周向地延伸，並且其中軸是構造為適用於電動機器的主軸。

本實用新型的第十二技術方案是在第十一技術方案中，加工步驟還包括：加工第一半徑，第一半徑具有大約30mm至大約50mm的半徑；以及加工第二半徑，第二半徑具有大約10mm至大約20mm的半徑；以及其中，第一半徑被加工使得第一角存在於軸的彎曲表面和徑向表面之間，並且第一角在大約5度和15度之間；以及第二半徑被加工使得第二角存在於軸的彎曲表面和軸向面朝凸緣部分之間，並且第二角在大約50度和70度之間。

本實用新型的第十三技術方案是在第十二技術方案中，第一半徑的起點位於從軸的徑向表面徑向向外大約12％的軸半徑處，和從軸的軸向面朝凸緣部分軸向向內的大約8％的軸半徑處，而第二半徑的起點位於從軸的徑向表面徑向向外大約10％的軸半徑處，和從軸的軸向面朝凸緣部分軸向向內的大約1％的軸半徑處。

本實用新型的第十四技術方案提供了一種用於電動機器的設備，設備包括：軸，其在軸的徑向表面和軸的軸向面朝凸緣部分之間的連接處具有複合半徑；以及其中，複合半徑包括彎曲表面，其具有至少兩個不同的半徑，並且彎曲表面繞軸周向地延伸。

本實用新型的第十五技術方案是在第十四技術方案中，軸為如下中的至少一個：主軸，其構造為適用於風力渦輪機；或轉子，其構造為適用於發電機、馬達、壓縮機或渦輪。

本實用新型的第十六技術方案是在第十五技術方案中，複合半徑還包括：第一半徑，其具有大約30mm至大約50mm的半徑；以及第二半徑，其具有大約10mm至大約20mm的半徑。

本實用新型的第十七技術方案是在第十六技術方案中，第一半徑具有大約40mm的半徑，而第二半徑具有大約15mm的半徑。

本實用新型的第十八技術方案是在第十六技術方案中，第一半徑定位使得第一角存在於軸的彎曲表面和徑向表面之間，並且第一角在大約5度和15度之間。

本實用新型的第十九技術方案是在第十六技術方案中，第二半徑定位使得第二角存在於軸的彎曲表面和軸向面朝凸緣部分之間，並且第二角在大約50度和70度之間。

本實用新型的第二十技術方案是在第十六技術方案中，第一半徑的起點位於從軸的徑向表面徑向向外大約12％的軸半徑處，和從軸的軸向面朝凸緣部分軸向向內的大約8％的軸半徑處，而第二半徑的起點位於從軸的徑向表面徑向向外大約10％的軸半徑處，和從軸的軸向面朝凸緣部分軸向向內的大約1％的軸半徑處。

附圖說明

圖1示出了示例性風力渦輪機的透視圖。

圖2示出了圖1的風力渦輪機的一部分的局部剖視透視圖。

圖3示出了軸的剖視圖。

圖4示出了根據本實用新型的一方面的利用應力消除修復的軸的階梯區域的局部、剖視圖。

圖5示出了根據本實用新型的一方面的利用應力消除修復的軸的階梯區域的局部、剖視圖。

圖6是根據本實用新型的一方面的用於加工軸的方法的流程圖。

部件列表

10風力渦輪機

12機艙

14轉子

16旋轉軸線

18塔架

20轂

22葉片

26發電機

28低速轉子軸

30高速轉子軸

32齒輪箱

40偏航系統

42旋轉軸線

44控制系統

46風速測定件

60底板

300軸

310轉子凸緣

320主軸承軸頸

322階梯區域

330中央部分

340收縮盤配合端部軸頸

400應力消除修復

402徑向表面

404軸向面朝凸緣部分

410彎曲表面

412起點

413第一半徑

414第一彎曲表面

416起點

417第二半徑

418第二彎曲表面

420角

428軸

500應力消除修復

502徑向表面

504軸向面朝凸緣部分

510彎曲表面

512起點

513第一半徑

514第一彎曲表面

516起點

517第二半徑

518第二彎曲表面

520角

522角

528軸

600方法

610檢查步驟

620修復步驟

630加工步驟。

具體實施方式

下面將描述本實用新型的一個或更多個具體方面/實施例。在提供這些方面/實施例的簡明描述的嘗試中，在說明書中可能未描述實際實施方式的全部特徵。應當了解的是，在任何這樣的實際實施方式的發展中，在任何工程或設計項目中時，必須作出許多實施方式特定決定以實現開發者的具體目標，諸如遵循可從一個實施方式至另一個而改變的涉及機器、涉及系統且涉及商業的約束。此外，應當了解，這樣的開發嘗試可能是複雜並且耗費時間的，但是對於具有本公開的益處的本領域技術人員仍然將是設計、製造以及加工的日常任務。

當介紹本實用新型的各種實施例的元件時，詞語「一」、「一個」以及「該」意圖指存在一個或更多個元件。術語「包括」、「包含」以及「具有」意圖是包含的並且指可存在除了列出的元件外的附加元件。操作參數和/或環境條件的任何實例不排除公開的實施例的其它參數/條件。此外，應當理解的是，對本實用新型的「一個實施例」、「一方面」或「實施例」或「方面」的引用不意圖被理解為排除也併入敘述的特徵的附加的實施例或方面的存在。

圖1是示例性風力渦輪機10的透視圖。風力渦輪機10是用於由風能產生電功率的風力發電機。在一些已知的風力渦輪機中，風力渦輪機10是任何類型的風力渦輪機，諸如但不限於風車(未顯示)。此外，風力渦輪機10包括水平軸線構造。在一些已知的風力渦輪機中，風力渦輪機10可包括豎直軸線構造(未顯示)。風力渦輪機10可聯接至電力負載(未顯示)，諸如但不限於，電力網(未顯示)，並且可從其接收電功率來驅動風力渦輪機10和/或它相關的構件的操作，和/或可供應由風力渦輪機10產生的電功率。

風力渦輪機10包括機艙12、和轉子(大體通過14指出)，該轉子聯接至機艙12以用於繞旋轉軸線16的相對機艙12的旋轉。在示例性實施例中，機艙12安裝在塔架18上。塔架18的高度是允許風力渦輪機10如本文中所描述地起作用的任何適當的高度。轉子14包括轂20和多個葉片22(有時稱為「翼形件」)，該葉片從轂20徑向向外延伸以用於將風能轉化成旋轉能。儘管轉子14在本文中描述和示出為具有三個葉片22，但是轉子14可包括任意數量的葉片22。

圖2是風力渦輪機10的一部分的局部剖視透視圖。風力渦輪機10包括電力發電機26，其聯接至轉子14以用於通過由轉子14產生的旋轉能產生電功率。發電機26是任何適當類型的電力發電機，諸如但不限於纏繞轉子感應或永磁體發電機。轉子14包括低速轉子軸28，其聯接至轉子轂20以用於隨著其的旋轉。發電機26聯接至高速轉子軸30，使得轉子軸28的旋轉驅動發電機轉子的旋轉，並因此驅動發電機26的操作。在示例性實施例中，高速轉子軸30通過齒輪箱32聯接至低速軸28，但是在其它實施例中，發電機轉子軸30直接聯接至轉子軸28。風力渦輪機14驅動發電機轉子，來由此從轉子14的旋轉產生可變頻率AC電功率。

在一些實施例中，風力渦輪機10包括制動系統(未顯示)以用於制動轉子14的旋轉。此外，在一些實施例中，風力渦輪機10包括偏航系統40，以用於繞旋轉軸線42旋轉機艙12來改變轉子14的偏航角。偏航系統40聯接至(多個)控制系統44並由其控制。在一些實施例中，風力渦輪機10包括風速測定件46以用於測定風速和/或風向。風速測定件46聯接至(多個)控制系統44，以用於發送測量值至(多個)控制系統以用於測量值的處理。在示例性實施例中，(多個)控制系統44安裝在機艙12內。備選地，一個或更多個控制系統44可遠離機艙12和/或風力渦輪機10的其它構件。(多個)控制系統44可用於但不限於整體系統監控，並且控制包括例如，節距和速度調節、高速軸和偏航制動應用、偏航和泵馬達應用、和/或錯誤監控。在一些實施例中可使用備選的分布式或集中式控制架構。

圖3示出了軸300的剖視圖。軸300可為構造為在風力渦輪機中使用的主軸，諸如如在圖2中顯示的軸28。軸300包括用於安裝至轂20的轉子凸緣310。主軸承軸頸320是置於主軸承(未顯示)上的軸300的一部分。主軸承安裝在主框架或底板60上。軸的中央部分330位於主軸承軸頸320和收縮盤配合端部軸頸340。端部軸頸340(即，軸300的後部分)可置於第二軸承(未顯示)上，或者其可直接聯接至齒輪箱32。軸300的軸頸區域320和340在風力渦輪機的使用壽命期間經歷大量的磨損和撕裂。由於磨損而尤其易受損壞的一個地區是用322指示的階梯區域。階梯區域322是在主軸承軸頸和凸緣310的開始之間的地區，並且其通常具有繞整個軸周向地延伸的直角的幾何形狀。在延長的使用時期(例如，大約20年)之後，階梯區域經受應力裂紋。

圖4示出了根據本實用新型的一方面的利用應力消除修復400的階梯區域322的局部、剖視圖。在修復之前，在徑向表面402和軸向面朝凸緣部分404之間的連接是直角。軸的加工和/或修復區域包括已經被加工到軸428中的複合半徑。修復400位於在軸的徑向表面402和軸的軸向面朝凸緣部分404直接的連接處。複合半徑形成彎曲表面410，其具有至少兩個不同的半徑，並且彎曲表面410繞軸428周向地延伸。僅作為實例，軸428可與圖2的軸28或圖3的軸300相似，並且軸428可為構造為與風力渦輪機一起使用的新或使用過的主軸。備選地，軸428可為構造為與發電機、馬達、壓縮機或渦輪一起的轉子。

複合半徑具有帶有起點412的第一半徑413和第一彎曲表面414。第二半徑417具有起點416和第二彎曲表面418。第一彎曲表面414 與第二彎曲表面418平滑地接合(或過渡)，並且彎曲表面414、418兩者形成彎曲表面410。第一彎曲表面414與徑向表面402平行(或共線)地延伸，並且第二彎曲表面與軸向面朝凸緣部分404一起形成角。例如，角420可在大約50至70度之間或大約60度。第一半徑413可為大約30mm至大約50mm，並且第二半徑417可為大約10mm至大約20mm。作為一個具體實例，第一半徑413可為大約40mm，而第二半徑417可為大約15mm。但是，在具體應用中可如所期望使用任何適當的半徑長度。

第一半徑413的起點412可位於從軸的徑向表面402徑向向外大約12％的軸半徑處，和從軸的軸向面朝凸緣部分404軸向向內的大約8％的軸半徑處。第二半徑的起點416可位於從軸的徑向表面402徑向向外大約10％的軸半徑處，和從軸的軸向面朝凸緣部分404軸向向內的大約1％的軸半徑處。例如，如果軸的中央部分330直徑為大約600mm，那麼將等於300mm半徑。第一起點412將位於在從徑向表面402徑向向外大約38mm處，和從軸向表面404軸向向內大約26mm處，而第二起點416將位於在從徑向表面402徑向向外大約29mm處，和從軸向表面404軸向向內大約3mm處。當然，任何具體空間位置可用於兩個起點，只要它們導致具有期望的應力消除特性的平滑彎曲表面410。

圖5示出了根據本實用新型的一方面的利用應力消除修復500的階梯區域322的局部、剖視圖。軸528的加工和/或修復區域包括已經被加工到軸528中的複合半徑。修復500位於在軸的徑向表面502和軸的軸向面朝凸緣部分504之間的連接處。複合半徑形成彎曲表面510，其具有至少兩個不同的半徑，並且彎曲表面510繞軸528周向地延伸。

複合半徑具有帶有起點512的第一半徑513，其形成第一彎曲表面514。第二半徑517具有起點516，其形成第二彎曲表面518。第一彎曲表面514與第二彎曲表面518平滑地接合(或過渡)，並且彎曲表面514、518兩者形成彎曲表面510。第一彎曲表面514與徑向表面502一起形成角度522，並且該角可在大約5度和大約15度之間。第二彎曲表面518與軸向面朝凸緣部分504一起形成角。例如，角520可在大約50至70度之間或為大約60度。第一半徑513可為大約30mm至大約50mm，並且第二半徑517可為大約10mm至大約20mm。作為一個具體實例，第一半徑513可為大約40mm，而第二半徑517可為大約15mm。

第一半徑513的起點512可位於從軸的徑向表面502徑向向外大約12％的軸半徑處，和從軸的軸向面朝凸緣部分504軸向向內的大約8％的軸半徑處。第二半徑的起點516可位於從軸的徑向表面502徑向向外大約10％的軸半徑處，和從軸的軸向面朝凸緣部分504軸向向內的大約1％的軸半徑處。例如，如果軸的中央部分330直徑為大約600mm，那麼將等於300mm半徑。第一起點512將位於在從徑向表面502徑向向外大約38mm處，和從軸向表面504軸向向內大約26mm處，而第二起點516將位於在從徑向表面502徑向向外大約29mm處，和從軸向表面504軸向向內大約3mm處。當然，任何具體空間位置可用於兩個起點，只要它們導致具有期望的應力消除特性的平滑彎曲表面510。

圖6是根據本實用新型的一方面的用於加工軸的方法600的流程圖。該方法包括如下步驟：為了任何缺陷或損壞而檢查610軸；通過碾磨凸點或隆起凹點來修復620軸，並且在期望的位置處將複合半徑加工630到軸中。檢查步驟610可包括目視檢查、磁粉檢查、尺寸檢查、滲透檢查以及任何其它適當的檢查方法。磁粉檢查是非破壞性(NDT)試驗工序，其用於探測鐵磁材料中表面和稍微表面下的間斷。材料中表面或表面下的間斷的存在允許磁通洩露，因為空氣不能支持如金屬那樣多的每單位體積的磁場。亞鐵微粒可然後施加至部件，並且如果呈現磁通洩露的地區，那麼顆粒將被吸引至該地區。顆粒將在洩露的地區處堆積，並且形成已知為指示的東西，並且該指示可然後被評估來確定它是什麼、什麼引起了它、並且如果存在那麼應當採取什麼動作。還可執行螢光滲透試驗，並且其為著色滲透檢查的一種，其中螢光著色被施加至軸的表面，以便探測可危及軸的整體性或質量的缺陷。可執行尺寸檢查來證實軸尺寸是在特定操作公差內。目視檢查可用來鑑別需要修復或維護的地區，並且可採用放大鏡(例如，10x放大倍數)來更接近地檢驗具體地區。如果期望，軸的大體清潔可在檢查工序之前執行，以移除可能妨礙檢查工序的任何材料(例如，油漆、刻度、鏽、油、油脂等)。

尺寸檢查可指示在具體區域中軸過高或者過低。如果結果不令人滿意，並且測量的區域過高，然後可碾磨軸來移除凸點。例如，車床、銼刀、磨石或磨床可用來加工掉凸點，直至它們返回公差水平內。同樣地，如果通過指示一些區域過低而使尺寸檢查不令人滿意，那麼然後這些區域可通過增加材料堆積回。例如，雷射焊接、電鍍或高速氧燃料(HVOF)噴霧、或者任何其它適當的增加材料過程可用來向軸增加材料來使凹點返回公差水平內。在碾磨凸點和/或隆起凹點的修復步驟620完成之後，可再次檢查軸來檢驗尺寸規格。如果軸通過檢查，那麼軸可移動至加工步驟630。

在加工步驟630中，複合半徑在期望的位置處加工到軸中。從這樣的特徵受益的軸的一個地區是主軸承軸頸。在該區域中，在軸的徑向表面和軸的軸向面朝凸緣部分之間的連接處、或在圖3中由322指示的區域處將複合半徑加工到軸中。複合半徑形成彎曲表面，其繞軸周向地延伸，並且複合半徑是具有至少兩個不同的半徑以有助於應力消除的彎曲表面。僅僅作為實例，第一半徑可具有導致第一周向地彎曲表面的大約30mm至大約50mm的半徑，而第二半徑可具有導致第二周向地彎曲表面中的大約10mm至大約20mm的半徑。如在圖4和5中所示，第一周向地彎曲表面平滑地過渡至第二周向地彎曲表面，使得兩者形成具有多個半徑的周向地彎曲表面。作為一個具體實例，第一半徑可為大約40mm，而第二半徑可為大約15mm。此外，第一半徑的起點可位於從軸的徑向表面徑向向外大約12％的軸半徑處，和從軸的軸向面朝凸緣部分軸向向內的大約8％的軸半徑處，而第二半徑的起點可位於從軸的徑向表面徑向向外大約10％的軸半徑處，和從軸的軸向面朝凸緣部分軸向向內的大約1％的軸半徑處。第一半徑可加工使得第一角存在於軸的彎曲表面和徑向表面之間，並且第一角在大約5度和15度之間。備選地，兩個表面可具有其中第一角可為0(或180)度的連接處。第二半徑可加工使得第二角存在於軸的彎曲表面和軸向面朝凸緣部分之間，並且第二角可在大約50度和70度之間。第一和第二角兩者有助於複合半徑彎曲表面的應力消除性質。

本書面說明使用實例以公開包括最佳模型式的本實用新型，並且還使任何本領域技術人員能夠實踐本實用新型，包括製造並且使用任何設備或系統並且實行任何併入的方法。本實用新型的可申請專利的範圍由權利要求限定，並且可包括由本領域技術人員想到的其他實例。如果這樣的其他實例包括沒有不同於權利要求的文字表達的結構元件，或者如果它們包括帶有與權利要求的文字表達無實質區別的等同結構元件，則它們意圖在權利要求的範圍內。