定心緊固件、其製作方法、使用方法及風力發電機組與流程

2023-12-10 00:57:06

本發明涉及緊固件連接技術領域，具體涉及一種定心緊固件、其製作方法、使用方法及風力發電機組。

背景技術：

緊固件作為一種通用連接件，通常裝在被連接件的安裝孔中使用，需具備一定的強度以抵抗來自外力的破壞。在風力發電機組中，螺栓(螺柱)作為一種主要連接緊固件，起著重要的定位連接作用，其強度直接影響著風機的穩定性和可靠性，機組運行時，由於工況複雜，關鍵大部件間的連接螺栓(螺柱)受載複雜且承受很大的變載荷，需要螺栓(螺柱)具備很高的疲勞強度，一般是在這些被連接件周邊均布大量的高強度連接螺栓，比如塔筒分段連接、偏航軸承與底座連接、變槳軸承與輪轂連接及葉片等部件的連接，然而，當被連接部件間的螺栓(螺柱)安裝孔定位效果不佳時，螺紋部分會和安裝孔接觸，安裝孔錯位嚴重時會使這些連接緊固件彎曲變形，產生彎曲應力，降低了螺栓(螺柱)的疲勞性能，因而螺栓(螺柱)等連接緊固件也需兼具良好的定位作用，通常的做法是，在連接主體上加工出一段變截面的結構作為定位段，這種一體結構在連接處易產生應力集中，事實上，連接部位因對正誤差仍存在剪切應力，會造成定位段上有壓痕，甚至壓傷螺栓(螺柱)的連接主體，影響連接緊固件的疲勞強度，從而降低了風力發電機的穩定性和可靠性。

實踐中，螺栓(螺柱)等連接緊固件的失效(斷裂)是風力發電機組的主要故障形式，其中，這些緊固件的設計、安裝問題是導致其失效的重要原因，因而，需提供一種定心緊固件、其製作方法、使用方法及風力發電機組。

技術實現要素：

本發明實施例提供了一種定心緊固件、其製作方法、使用方法及風力發電機組，能夠解決定心緊固件在定位連接的部位因應力集中而導致其疲勞失效的問題。

第一方面，提供了一種定心緊固件，包括：連接主體、緩衝內襯及定心構件，其中，連接主體為柱狀體，包括連接部和光杆部；緩衝內襯呈環狀包覆於至少部分所述光杆部；定心構件包覆在所述緩衝內襯的外表面；其中，至少在所述緩衝內襯的部位，所述光杆部與所述定心構件分離。

在第一種可能的實現方式中，所述定心構件為具有光滑表面的圓柱形筒狀結構。

結合上述可能的實現方式，在第二種可能的實現方式中，所述定心構件的端部漸縮成具有傾斜面的錐形引導部，所述傾斜面延伸至所述光杆部的外表面。

結合上述可能的實現方式，在第三種可能的實現方式中，所述定心構件的強度大於或等於所述連接主體的強度。

結合上述可能的實現方式，在第四種可能的實現方式中，所述定心構件為採用纖維增強樹脂基複合材料纏繞成型的圓柱形筒狀結構。

結合上述可能的實現方式，在第五種可能的實現方式中，所述纖維增強樹脂基複合材料包括玻璃纖維增強塑料或碳纖維增強塑料。

結合上述可能的實現方式，在第六種可能的實現方式中，所述緩衝內襯的彈性大於所述連接主體和/或所述定心構件的彈性。

結合上述可能的實現方式，在第七種可能的實現方式中，所述緩衝內襯採用彈簧鋼、橡膠、皮革或者有機纖維製作。

結合上述可能的實現方式，在第八種可能的實現方式中，所述連接主體為螺栓，所述連接部具有螺紋結構，所述定心構件的外徑大於所述螺紋結構的外徑。

結合上述可能的實現方式，在第九種可能的實現方式中，所述螺栓為兩端均有所述螺紋結構且中間有所述光杆部的雙頭螺栓，所述光杆部的直徑小於所述螺紋結構的外徑。

第二方面，提供了一種以上任一實施方式的定心緊固件的製作方法，包括：

在至少部分所述光杆部的外表面包裹一層所述緩衝內襯；

在所述緩衝內襯的外表面覆蓋定成型所述定心構件。

在第一種可能的實現方式中，所述在至少部分所述光杆部的外表面包裹一層所述緩衝內襯的方法包括，採用彈簧鋼、橡膠、皮革或者有機纖維的材料包裹在所述光杆段的外表面。

結合上述可能的實現方式，在第二種可能的實現方式中，所述在所述緩衝內襯的外表面覆蓋成型所述定心構件的方法包括：

採用玻璃纖維或碳纖維浸漬樹脂；

用所述浸漬樹脂的玻璃纖維或碳纖維在所述緩衝內襯的外表面纏繞成圓柱形結構；

將固化後的所述圓柱體結構加工成光滑表面的圓柱形的定心構件；

在所述圓柱形的定心構件的兩端加工出錐形傾斜面，使所述圓柱面靠近端面的直徑漸縮。

結合上述可能的實現方式，在第三種可能的實現方式中，所述用所述浸漬樹脂的玻璃纖維或碳纖維在所述緩衝內襯的外表面纏繞成圓柱形結構的方法包括，將所述浸漬樹脂的玻璃纖維或者碳纖維進行交錯纏繞形成網狀纖維結構。

第三方面，提供了一種定心緊固件的使用方法，採用第一方面的任一種實施方式所述的定心緊固件，將所述定心緊固件安裝在被連接件的安裝孔中，採用間隙配合，使所述緩衝內襯處於所述被連接件之間的連接處。

第四方面，提供了一種風力發電機組，包括第一方面的任一種實施方式的定心緊固件，所述定心緊固件用於底座、塔筒、偏航軸承、變槳軸承、輪轂和/或葉片的被連接件的連接，其中，每組所述被連接件的連接處均布設有2個或2個以上所述定心緊固件，所述定心緊固件安裝在所述被連接件的相應安裝孔中，使所述緩衝內襯處於所述連接處。

綜上，本發明的一種定心緊固件，通過中間層的緩衝內襯將連接主體的光杆部與定心構件分離，通過由外到內的定心構件、緩衝內襯和連接主體形成分層的定位連接結構，定心緊固件的定位段在連接處所受外力由外到內也隨之逐層減弱，在實現定位連接的同時，還能保護連接主體，有效解決了連接主體因受應力集中而疲勞失效的問題。

附圖說明

圖1是本發明實施例一的一種定心緊固件結構的局部剖視圖；

圖1a和圖1b分別是實施例一中不同形式錐形引導部的示意圖；

圖2是本發明實施例二的一種定心緊固件的結構局部剖視圖；

圖3是本發明實施例的一種風力發電機組中變槳軸承和輪轂的連接示意圖。

圖中，1：雙頭螺栓；2：變槳軸承；3：輪轂；101：連接主體；102：定心構件；103：緩衝內襯；101a：連接部；101b：光杆部。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

圖1為本發明實施例一提供的一種定心緊固件結構的局部示意圖。

參考圖1，本實施例中的定心緊固件可用於在被連接件之間的定位連接，該定心緊固件包括連接主體101、緩衝內襯103及定心構件102，其中，連接主體101為柱狀體，包括連接部101a和光杆部101b；緩衝內襯103呈環狀包覆於至少部分光杆部101b；定心構件102包覆在緩衝內襯103的外表面呈筒狀結構；其中，至少在緩衝內襯103的部位，光杆部101b與定心構件102分離。連接部101a實現了緊固連接作用，光杆部101b實現了定位連接作用，在連接主體101的光杆部101b由內到外依次設置了緩衝內襯103和定心構件102，緩衝內襯103將連接主體101和定心結構102分離，當被連接件因對正誤差產生剪切力時，定心構件102會受到來自被連接件的壓力，向內傳遞至緩衝內襯103後得到減弱，當傳到光杆段101b的連接主體101上時，連接主體101上承受的力被大大降低，可有效減弱連接主體101在連接部位的應力集中，一定程度上提高了連接緊固件的疲勞強度，從而保護了連接主體101。

因此，本發明的定心緊固件，通過由外到內的定心構件102、緩衝內襯103和連接主體101形成分層的定位連接結構，定心緊固件在連接處所受外力由外到內也隨之逐層減弱，相比現有技術的一體結構，不僅能實現定位連接的功能，還有效解決了緊固件的連接主體101在連接處因應力集中而導致疲勞失效斷裂的問題。

定心構件102為具有光滑表面的圓柱形筒狀結構，由於通常安裝孔為圓形，相應的，定心構件102設計成圓柱形筒狀結構能更好的與安裝孔匹配安裝，光滑的表面能使受力均勻，避免了粗糙表面導致的應力集中，且，光滑表面的定心構件102與安裝孔接觸時摩擦力小，有利於導向、安裝和拆卸。

定心構件102的端部漸縮成具有傾斜面的錐形引導部，該傾斜面延伸至光杆部101b的外表面。錐形引導部具有導向作用，其中引導部的傾斜面延伸至光杆部101b的外表面形成良好的過渡導向結構，進一步增強導向效果，同時還便於加工和拆裝。

需要說明的是，本實施例中，作為一種優選實施方式，參考圖1a所示，錐形引導部的傾斜面延伸至光杆部101b的外表面形成良好的過渡導向結構，而作為另一變形實施方式，參考圖1b所示，定心構件102的錐形引導面也可以是完全與連接主體101分離的，其中，定心構件102的錐形引導部的傾斜面延伸至緩衝內襯103而非必須引導至光杆部101b，也在本發明的技術方案範圍內，只要連接主體101和定心構件102至少有一部分是被緩衝內襯103分離即可。

定心構件102的強度大於或等於連接主體101的強度，由於定心構件102在連接處會直接接觸被連接件，因而承受的力最大，強度不足時，抵抗外力破壞的能力差，易因受力太大而失效，因此，定心構件102有足夠大的強度以抵抗連接處的破壞，能更好的起到定位導向及保護連接主體101的作用。

可選的，定心構件102為採用纖維增強樹脂基複合材料纏繞成型的圓柱形筒狀結構，相比一般材料，纖維增強樹脂基複合材料具有高比強度、高比剛度、耐疲勞、耐腐蝕、低密度等一系列的力學性能優勢，能夠滿足定心構件102的高強度等要求，以抵抗外力破壞。

進一步地，纖維增強樹脂基複合材料包括玻璃纖維或者碳纖維的增強樹脂基複合材料。其中，玻璃纖維或者碳纖維的增強樹脂基複合材料具有質輕、強度高、耐疲勞和耐腐蝕等優點。

緩衝內襯103的彈性大於連接主體101和/或定心構件102的彈性，緩衝內襯103具有良好的彈性時可有效緩衝由定心構件102傳來的壓力，當緩衝內襯103的彈性比連接主體101和定心構件102的彈性大時，對壓力的緩衝效果更好，能減弱連接主體101的光杆部101b的受力，更進一步保護了連接主體101不會因壓力太大而疲勞失效。

緩衝內襯103採用彈簧鋼、橡膠、皮革或者有機纖維製作，一般的，彈簧鋼、橡膠、皮革或者有機纖維具有良好的彈性，可有效緩衝由被連接件經定心構件102傳到連接主體101的力，從而降低連接主體101上的受力，有效保護了連接主體101。需要說明的是，具體操作時，不限於本發明列舉的材料，本領域的技術人員能想到的其他等同替換材料，只要能實現緩衝內襯103將連接主體101和定心構件102分離的同時起到緩衝作用，以降低連接主體101的受力，均在本發明的技術範圍之內。

需要說明的是，本發明的定心緊固件的連接主體101可以是螺栓、螺柱、銷軸等，只要能實現將被連接件定位連接的緊固件，均能在本發明的技術方案原理範圍內實現。

圖2為本發明實施例二提供的一種定心緊固件的結構示意圖。

參考圖1和圖2，實施例二與實施例一的結構相同，不同之處在於連接主體101具體為螺栓，因而本實施例二的定位緊固件可理解為是一種定位螺栓，該螺栓的連接部101a具有螺紋結構，定心構件102的外徑大於螺紋結構的外徑，在螺栓連接主體101的至少一部分光杆部101b由內到外包裹緩衝內襯103和定心構件102後形成定心導向的結構，由於安裝孔與該定心導向結構適配的間隙越小，定位連接效果會越好，安裝孔是根據連接緊固件的尺寸設計，而要實現連接，螺紋部分需能穿進安裝孔內，也就是安裝孔徑需大於螺紋孔，為了在連接處定位連接效果更好，將定心構件102的外徑設計成小於但儘可能接近安裝孔徑，因此，本發明中定心構件的外徑大於螺紋結構的外徑，定位連接效果最佳。

作為一種可行實施例，本發明的螺栓為兩端均有螺紋結構且中間有光杆部101b的雙頭螺栓1，光杆部101b的直徑小於螺紋結構的外徑，這種細長頸的雙頭螺栓1的定心緊固件可用於較大部件的連接，例如用於風力發電機組設備中關鍵部件之間的連接，相比現有技術，能夠有效提高設備的可靠性。

第二方面，本發明提供了一種以上實施方式的定心緊固件的製作方法，包括：在至少部分光杆部101b的外表面包裹一層緩衝內襯103；在緩衝內襯103的外表面覆蓋成型定心構件102。通常，緩衝內襯103為厚度為0.5mm-1mm的一層較薄環狀結構，既能達到緩衝目的，又不致降低整體硬度，具體厚度可根據連接主體101(比如螺栓)的規格設計。

製作時，在光杆部101b的外表面包裹一層緩衝內襯103的方法包括，採用彈簧鋼、橡膠、皮革或者有機纖維的材料包裹在光杆部101b的外表面。取材方便，成本低，能滿足對緩衝內襯103需具備良好彈性性能的要求，

進一步地，在緩衝內襯103的外表面覆蓋成型定心構件102的方法包括：首先，採用玻璃纖維或碳纖維浸漬樹脂；然後，用浸漬樹脂的玻璃纖維或碳纖維在緩衝內襯103的外表面纏繞成圓柱體結構；之後，將固化後的圓柱體結構加工成光滑表面的圓柱形定心構件102；最後，在圓柱形定心構件102的兩端加工出錐形引導部，使圓柱體靠近端面的直徑漸縮。具體製作中，可藉助纖維增強樹脂纏繞技術設備進行，在固化過程中，可自然固化也可通過加熱或通風等措施加快固化過程，最後，在固化後的定心構件102的毛坯表面加工過程中，可藉助工具機進行車削、銑削等機加工處理，獲得滿足預定直徑及表面要求的定心構件102。

更進一步地，纏繞的方法包括，將浸漬樹脂的玻璃纖維或者碳纖維進行交錯纏繞形成網狀纖維結構，具體地，可按照繞8字形的方式進行交錯纏繞形成網狀纖維結構，能獲得更高強度和穩定性的定心構件102。

第三方面，本發明還提供了一種定心緊固件的使用方法，採用本發明第一方面實施例的一種定心緊固件，將定心緊固件安裝在被連接件的安裝孔中，採用間隙配合方式，使緩衝內襯103處於被連接件之間的連接處，採用間隙配合的裝配方式便於安裝和拆卸，尤其在大型設備中，需大量使用螺栓和螺柱等連接緊固件，便捷的拆裝方式很大程度能提高工作效率，此外，緩衝內襯103處在連接處，能緩衝來自被連接件的力，達到了保護連接主體101的效果。

第四方面，提供了一種風力發電機組，參考圖3，包括第一方面實施例的以螺栓為連接主體101的定心緊固件，該定心緊固件用於底座、塔筒、偏航軸承、變槳軸承、輪轂和/或葉片的被連接件的連接，其中，每組被連接件的連接處均布設有2個或2個以上本發明的定心緊固件，定心緊固件安裝在被連接件的相應安裝孔中，使緩衝內襯處於連接處。

參考圖3所示，以變槳軸承2和輪轂3的連接為例說明，採用了實施例二的一種細長頸的雙頭螺栓1作為變槳軸承2和輪轂3之間的連接緊固件，由於變槳軸承2和輪轂3的厚度較大，相應的採用這種細長頸雙頭螺栓1能較好的實現定位連接作用，且，該螺栓1上由外到內的定心構件102、緩衝內襯103和連接主體101形成分層的定位連接結構，螺栓1在變槳軸承2和輪轂3連接處所受外力由外到內也隨之逐層減弱，既實現了較好的定位連接效果，還有效解決了螺栓1的連接主體101在連接處因應力集中而導致疲勞失效斷裂的問題。

需要說明的是，圖3是以變槳軸承2和輪轂3之間連接用的細長頸雙頭螺栓1為示例說明，本發明的風力發電機組中可根據實際情況採用以不同形式為連接主體1的定心緊固件作為其他部件間的連接使用，具體操作可參考圖3實現，在此不做贅述。

由於在風電機組中，關鍵大部件間的連接處受力複雜，螺栓(螺柱)等連接緊固件受力較大，通常採用高強度螺栓(螺柱)，因此，採用本發明的定心緊固件時，由於彈性較好的緩衝內襯103將連接主體101和定心構件102分離，在實現定位連接的同時還能將連接主體101在連接處的受力減弱，有效解決了連接主體101因被連接件的對正誤差引起的應力集中而導致疲勞失效的問題，相比現有技術，該風力發電機組在一定程度上具有更高的穩定性和可靠性，並且，只需在連接處均布2-3個本發明的以螺栓為連接主體的定心緊固件進行定位連接，就能解決現有技術的螺栓疲勞失效的問題，而其他連接孔處仍然可以採用通常的高強度螺栓連接，本發明的風力發電機組兼顧了較高的力學性能和降低經濟成本的要求。

需要說明的是，緊固件作為一種通用連接件，裝在被連接件的安裝孔中使用，本發明的實施例示意性的以一般緊固件和細頸雙頭螺栓為例說明，但不限於實施例中的緊固件形式，還可以是以其他類型的螺栓、螺柱或者銷軸等形式作為連接主體的定心緊固件，均在本發明的技術方案保護範圍內，而在大型設備中，特別是風力發電機組中的高強度連接螺栓，應用本發明定心緊固件的方案原理，尤其能解決：當螺栓受力較大時，因現有技術中設計和安裝缺陷而導致疲勞失效引起風電機組出現故障的問題。

綜上所述，本發明的定心緊固件，通過中間層的緩衝內襯103將處於最內層的連接主體101和最外層的定心構件102分離，形成了「硬-軟-硬」分層的定心導向結構，當被連接件在連接處因對正誤差而對連接主體101產生剪切力時，由定心構件102傳遞到緩衝內襯103時，剪切力被緩衝內襯減弱，傳遞到連接主體101時，進一步被大大減弱，使連接主體101受力降低，達到了保護連接主體101的效果，本發明的定心緊固件在實現定位連接的同時，還能有效解決連接主體因受外力太大時導致疲勞失效的問題，同時還具有結構精簡、便於安裝和拆卸、經濟性好、應用範圍廣的優點。

雖然已經參考優選實施例對本發明進行了描述，但在不脫離本發明的範圍的情況下，可以對其進行各種改進並且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結構衝突，各個實施例中所提到的各項技術特徵均可以任意方式組合起來。本發明並不局限於文中公開的特定實施例，而是包括落入權利要求的範圍內的所有技術方案。