专利名称：用于制造优选用于离岸式风能设备的超重的管接头的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于简单地、成本有利地制造在离岸式风能设备中的超重的管衍架结构、管结构和圆锥结构的部件的方法。
背景技术：
离岸式风能设备的承重结构和地基结构在各种情况下被实施为焊接的钢结构或混泥土结构。例如在GB2182375中描述了混泥土地基结构。DE 102008003647描述了一种漂浮的混合结构，在该混合结构中钢制衍架部件与
混泥土容器件组合。焊接的钢结构典型地以管衍架或箱式结构的形式实施。一种作为箱式结构的地基结构是文献DE202004020720U1的主题，该箱式结构由η角的支撑架组成。管衍架由于其连续地弯曲的表面而在防腐蚀和迎流阻力方面具有显著优势，这特别是在离岸应用中会起作用。问题是管衍架杆彼此间的连接设计。该连接几乎完全通过焊接实行。文献ΕΡ2067914描述了一种格栅结构形式的管衍架结构。直径比较小的管这样地接合成一个对称的衍架，使得显著地减少了连接点、即所谓的节点的几何多样性。节点是预制的并且在施工现场借助简单的圆焊缝与邻近的管连接。由此能够实现在节点内部载荷最大的区域中没有焊缝延伸。还实现焊缝可以借助轨道焊接方法自动化地或者至少机械化地制造。节点本身不是独特件、而是标准件，具有接合面和预准备的焊池衬垫并且可以在其几何形状、其横截面及其壁厚方面精确地与存在的力相协调。将这类节点制成为铸造结构是容易想到的。这在文献DE2519769中被提出。几乎任意多的管轴线可以相交于一个点，而在邻近的管之间不出现干涉。铸造的节点的缺点是设计灵活性小。由于所需的铸造模型、无益的铸模、比较费时的生产，经济的节点制造仅在类似批量的制造中可行。节点不能现场制造并且必须从铸造车间运输到施工现场，这限制了其最大尺寸。节点制造的另一种可能性在GB2205915中描述。一个平的板材在凹模中首先被U 形地成形。然后通过芯棒在另一个凹模中获得外翻部，该外翻部被打孔和切边并且形成杆连接。ΕΡ0195063也描述了一种类似的解决方案。在该文献中指出，在每个工作步骤之间需要热处理。还提出，即便对于这些工作步骤的一部分而言构件也要置于加热的状态中。借助这种的节点制造成功得到从节点至管接头的连续的、少缺口的过渡。根据DE 1072581将该过程描述为车轴颈。构件中的力线不被中断，力流不受干扰。过渡区域可以圆锥形地设计。与铸造的节点相比结构约束更多地有效，因为需要专门成形的模具和机器来施加成形力。对于每个交角以及对于每个接头直径需要其它的模具和芯棒。车轴颈的制造是强烈展现手工艺的活动，机械化或自动化看来是几乎不可能的。相反总是需要人工的适配工作。管直径越大，制造越困难。管节点可以设计成纯粹的焊接连接。出发点是在各种情况下具有不同直径的两个圆柱形管段，它们从一个确定的直径开始不能再无缝地轧制，而是由滚圆的板材制成，该滚圆的板材通过纵向焊缝成形为圆柱、即所谓的管段。直径较小的、参与连接的管在其端部上具有被称为穿透轮廓、切割轮廓或鞍形轮廓的形状。该轮廓的计算基于空间三角学在使用计算机的情况下是比较简单的并且也可以由任何现代的CAD系统执行。为了制造该轮廓，通常使用热切断方法，例如气割和等离子切割。在钢处理工业中广泛流行的是人工地执行气割或等离子燃烧器，其方式是部分地借助靠模划出或者冲眼出鞍形轮廓并且工人手动地沿着该轨迹操控燃烧器。以该方式自然不能制造出平整的切口侧沿和定义的倒角形状。使用管气割机是用于制造鞍形轮廓的现有技术。管在该机器中被一个旋转单元以程序控制的方式旋转并且与位于12点钟位置的、沿着管轴线以程序控制的方式运动的燃烧器配合作用形成鞍形轮廓。高效的管气割机，例如在 EP180738中描述的技术方案除了制造鞍形轮廓外也能够实现所谓的焊缝预加工部的制造。 焊缝预加工部用于在两个要连接的管之间创造V形坡口，该坡口在装配时用焊接金属填满并且两个管彼此间的不可拆卸的连接导致形成管节点。D拟66144描述了一种方法，在制造大标称宽度的管弯头时步骤颠倒，S卩将外壳面展开到一个平面中，然后由板材切割出该平的切口形状并且通过手工艺器件将该毛坯形状成形为一个管弯头。适配工作必然是需要的，因为从几何观点看管弯头构成一个环面并且由此构成一个二维弯曲的构件，该构件仅允许以近似方式展开。该方法忽视了板厚和轧制时的塑性变形。风能设备的越来越大的尺寸要求具有极限尺寸的基础和承重结构。该基础和承重结构的零件由于其质量并且由于其尺寸而不适合公路运输。整个加工必须在现场进行，所有必须的机器和设备必须在该现场可供使用。这在鞍形轮廓的制造方面是特别昂贵的。人工制造由于构件的尺寸和存在的质量要求而被排除在外。而管气割机必须对于需要的管直径进行设计，由此执行起来非常费劲并且构成一个明显的成本因素。管气割机不适合圆锥形的构件、例如离岸式风车和岸上式风车的柄轴的切割。发明任务本发明的任务是提供一种用于制造超重的管结构的部件的方法，使得满足在配合精度、焊缝质量、连接部位上的切口效应和疲劳强度方面对风能行业的新的且非常严格的要求。提高部件制造的经济性也是本发明的任务，其方式是，半成品的运输被简化或者说只有当部件的制造可通过在钢处理企业中通常存在的设备总和实现时才被允许，并且舍弃了管气割机的使用。
发明内容
根据本发明该任务按照权利要求1的特征解决。首先创建构件的三维计算机模型，包括在两个相交构件的连接部位上的从焊接技术的角度优化的焊缝预加工部。该焊缝预加工部必须这样地实施，即整个构件横截面通过对接焊缝与配对元件连接。这些配对元件中一个为此含有构造为V形坡口或K形坡口的焊缝预加工部。几何结构条件(直径比、配对元件轴线的交角等)在不利的情况下要求焊缝预加工部也必须相对配对元件的内侧实施。作为3D模型存在的构件借助几何学和机械结构学的计算并且在轧制工艺变化过程的知识下以迭代过程转换成一个平整的、板状的具有变化倒角的切口侧沿的构件模型。 此外，该3D模型(Mep_0)根据
图1首先通过显式的几何变换以反变换的方式转换成一个被称为切口形状的2D模型(Step_l)。反变换指的是，变换方向与制造流程相反地进行。相应地，正变换在此指的是，变换方向与制造流相同。切口形状是一个具有不垂直于构件平面延伸的切口侧沿的平整构件，该切口侧沿由Mep_0的3D模型的切口轮廓的倒角变化曲线得出。但是该切口形状首先不考虑材料在轧制时的塑化的影响。在该构件模型的周围找到一个外接矩形并且该构件模型通过保持桥和连接条与该外接矩形锚定，就像位于3D模型的可能存在的切口和孔中的剩余材料同时以相同的方式与该切口形状连接一样6tep_2)。这形成一个称为管件的矩形板材件，该矩形板材件具有至少一个封闭的切口轮廓，该切口轮廓通过保持条和连接桥中断。基于在构件上使用的钢配料的材料特性(其优选通过拉伸试验获得)并且在使用数学方法例如广泛使用的有限元方法(FEM)的条件下，在考虑轧制技术的参数(如使用三或四辊弯曲机或者多边形翻钢机、轧辊直径或者棱边半径、轧制步骤的数量、轧辊内衬等等)的情况下该管件作为正变换(Step_3)被反算回三维的模型(Mep_4)并且求出该模型与乂印_0的3D模型的几何差(Step_5)。如果乂印_0的模型与乂印_4的模型之间的几何差小于行业常见的几何公差，则可以中断迭代过程并且乂印_2的管件可以被转移到机器程序中并且被切割出6tep_8)，该几何公差凭经验在1至3mm之间。然后，该管件被轧制到其三维的形状，该三维的形状通常是一个圆柱，但是也可以是一个圆锥。该管件然后在其纵向方向上被定位焊接(乂印_10)。在最后的工艺步骤中人工地通过切断连接条和保持桥来分离出切口形状(乂印_11)，接下来的是常见的焊接技术的进一步处理。在相反的情况下，通过数字数学的方法，例如试位法获得偏移值，这些偏移值被加到的切口形状的切口轮廓的每个点上(Step_7)。以乂印_2重新开始该迭代过程。在目前的现有技术中，乂印_3中的计算程序(即正变换)对计算要求极高，需要远远超出个人计算机的常见工作能力的计算效率并且尽管如此仍需要以小时为数量级的计算时间。这对于实际应用是十分不利的。因此还提出创建一个数据库，该数据库不仅装满刚刚描述的数学计算的结果而且装满来自轧制的实际应用的经验值和实验结果，并且在专家数据库的意义上不断地用新的且改进的数据材料更新和改进。根据切口形状的几何结构相似性、壁厚、二维延展尺寸和弯曲半径，可以由该数据库获得偏移值，这些偏移值为了精细化而通过数据库中的数学方法被中间插补，这些偏移值被加到乂印_1的切口形状上并且在图1中描述的迭代至 Step_7)通过迭代步骤的减小而被缩短或者甚至变得完全多余。该数据库被离线地创建、即在该方法的工业使用之前创建，并且在线地、即在工业实践中连续使用时从该数据库中仅调用偏移值并且有选择地加到3D模型本身上或者加到由该3D模型通过显式的几何变换计算出的切口形状上。这得到一种根据图2的简化的、节省时间和成本的计算程序。关于所使用的附图标记的总览1数据库
2桅杆段3框4纵向焊缝5框开口6三维的切口侧沿7圆柱形地成形的板材段8二维的板材段9经变换的切口侧沿10连接条
11废料部分
12主管
13
14接管
15人
16焊缝预加工部
17换向点
18板形件
19切口侧沿
20矩形的板材段
21管轴线
22圆焊缝
具体实施例方式本发明的其它设计方案应当借助下面举出的实施例进一步阐述。根据图3的第一实施例示出一个在风能设备的圆锥形的桅杆段2与比较厚壁的、 椭圆形的框3之间的穿透部。该框3包围一个门开口并且补偿桅杆段横截面的削弱。框3 是一个由板材轧制的、以纵向焊缝4封闭的椭圆并且自然具有显著的公差。框3被插入到桅杆段2的框开口 5中，然后通过焊接与该桅杆段材料锁合地连接。框3与桅杆段2的焊接通过对接焊缝实现，该对接焊缝构造为在框3与桅杆段2 上的为该框3制造的框开口 5之间的HV焊缝。为此在桅杆段2的该开口上构造一个三维的切口侧沿6。传统的制造流程在于用人工的手工艺方法来轧制桅杆段、在该段上绘出投射的框形状以及切割和焊缝预加工。可达到的配合精度自然很低，为此的时间耗费很高。出于可接近性、存在的公差和恶劣的制造环境的原因，无法实行将工业机器人用于切割出框开口 5。相反根据上述方法测量该框3的真实的横截面形状，在CAD系统中作为平的轮廓建模，放置到圆柱形或圆锥形的段上并且计算出包括焊缝预加工部在内的穿透部。该工艺步骤可简单且快速地执行。桅杆段2具有这样大的直径，以至于它在各种情况下不是由一个单个的、而是大量的板材通过纵向焊缝4和圆焊缝22接合而成。框开口 5应当这样放置在桅杆段上，即为了避免焊缝交叉该框开口完全由一个板材段包围。
该段根据图4通过显式的几何变换转换为一个平的部件，即二维的板材段8，包含一个经变换的切口侧沿9。该二维的板材段8根据图5设有连接条10，使得废料部分11与二维的板材段8保持连接。这些连接条10优选接合在经变换的切口侧沿9的这样的部位上，在那里在弯曲时产生的比较应力形成一个最大值。由数据库1获得补偿在轧制时的塑性变形效果的几何偏移值。这些偏移值被连接到平的构件上并且由此使该构件的理想的几何形状失真，如图6以纯定性方式并且以极大的比例夸大方式表示的那样。然后将该段成形为一个壳，这可以在三或四辊弯曲机中、在翻钢机中或者也在锻模中进行，其中，成形工艺在种类和流程(所用机器的种类、内衬的程度、轧辊直径等)方面必须与数据库的设定值相符。在最后的加工步骤中，在成形工艺之后人工地打开连接条10，例如在使用角磨机或者手动切割燃烧器的情况下打开连接条，以及在需要时再加工并且打磨。根据图7的第二实施例示出作为两个直径非常大的管的连接部的超重管节点的制造。为了说明，在图7中示出了一个成年人15。在此，在钢结构中常见的方法是，两个参与管节点的管中的直径较大的管(即主管1 保持不被加工，较小的管(即接管14)在布尔运算“差”的意义上从主管被切去，然后为了装配被放置到主管12上。主管和接管14的连接通过焊接发生，为此在接管14上安设用于对接焊缝的焊缝预加工部16。在被两个管、 即主管12和接管14包围的钝角区域中，焊缝预加工部位于接管14的外侧并且在换向点17 处跳跃到接管14的内侧。接管14在主管12上的连接以及在换向点17上从管外侧跳跃到管内侧的焊缝预加工部16的设计通过专门的、基于几何学的软件快速地且简单地实现，但是也可以然而极其耗时地在三维CAD系统中逐点地求出。在接下来的步骤中，根据图8将接管14的外壳面以显式的几何变换转换成具有不平整的切口侧沿19的板形件18。由于该接管14的尺寸很大，该板形件18不能由一个单个板材、而是必须由多个矩形的板材段20制成。此外，根据图9这些板材段20这样布置在板形件18上，即这些板材段20的两个棱边与管轴线21平行。它们也被这样地布置，即避免焊缝交叉。切口侧沿19应当这样地插入到各个板材段20中，即它们分别与板材段20的两个彼此相对的棱边相交，但是尽管如此废料材料的数量份额仍保持最小。对于每个板材段20由数据库1获得偏移值并且加到切口侧沿19的点上。这至少对于每个板材段20的四个角点发生。切口侧沿19的点的偏移值在没有显式地由数据库1获得的参数的情况下基于相邻的偏移值直线地或者以样条曲线插补。偏移值使每个板材段20的矩形形状失真，但是以比板材段20的尺寸的程度失真。包含切口侧沿19的部分的板材段20的由切口侧沿的划分通过插入连接条10这样地被消除，使得连接条被插入到比较应力最大的部位上。它们也可以在每个板材段20的外轮廓的区域中以这样的形状插入，使得外轮廓不被中断。目前完全在计算机工位上处理的数据在下一个步骤中以标准化的数据格式、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)转移到切割机中并且被切割出。该切割机必须具有至少四个数控轴，其中两个用于燃烧器的定向。如果板材段20被切割出，那么它们被轧制到接管14的半径，其中，该轧制必须根据数据库1的在所用的轧机及其参数(轧辊直径、轧辊内衬等)方面的预定值进行。然后，经轧制的板材段20彼此间通过纵向焊缝4和圆焊缝22连接成接管14并且将该接管与主管12沿着焊缝预加工部16连接。
本发明的解决方案的优点本发明的解决方案的优点在于避免了使用管气割机。该机器费用高并且极少被容器工人或者设备工人经济地运行，特别是当它对于在此考虑的构件尺寸被设计时。服务企业的利用要求将圆柱形的管段运输至服务提供商然后运回到制造企业。为此所需的运输费用很高，公路运输由于该尺寸甚至可能被排除。根据本发明的解决方案，仅需要那些对于所述构件的实现始终必须的机器，即一方面具有用于燃烧器摆动的倒角组件的气割机，另一方面用于制造管段和壳的轧机。所有的加工步骤，从板材直到最终完成的管接头，可以在现场进行。适配工作可更容易执行，因为在装配时仅需要搬动单个的、质量比较轻且容易搬动的壳，而不是整个接管。
权利要求
1.用于制造超重的管接头的方法，该管接头由两个在其轴线上交叉的、设有圆柱形、圆锥形或椭圆形外壳面的配对元件组成，即框C3)和桅杆段( 或者主管(1 和接管(14)， 其中，这些配对元件中的一个具有圆柱或圆锥形状并且出现穿透部，其特征在于，创建一个三维的计算机模型，在该计算机模型中这些配对元件这样地接合，即从焊缝看去它们环绕地、彼此线形地接触并且通过该配对元件交替地相对构件外侧或构件内侧形成一具有恒定的焊缝张角且具有至少40°的数值的V形坡口，但同时切割方法在最大可制造的45°倒角方面的技术极限不被超过；其上成形有V形坡口的配对元件由三维的计算机模型通过显式的几何变换转换成一平整的板形的切口形状，即具有相对于板材表面不垂直地延伸的切口侧沿的板形件(18)， 使得所述切口侧沿(19)作为彼此紧密相邻的点的列表存在，这些点通过插补形成一轨迹曲线并且对于每个点一个在轨迹曲线的法线方向上延伸的、相对于板形件(18)的表面测得的角度补充所述列表；由一个装满为了精细化用适当的数学方法中间插补的修正值的数据库(1)根据板形件(18)的几何相似性、壁厚、二维延展尺寸和弯曲半径获得用于补偿在轧制或弯曲时出现的塑性变形的偏置值并且通过将所述偏置值加到板形件(18)的轮廓上来获得用于弯曲或轧制工艺的设定值。
2.根据权利要求1所述的用于制造超重的管接头的方法，其特征在于，找出一个外接所述板形件(18)的矩形形状，使得两个矩形侧面平行于管轴线01)。
3.根据权利要求1和2所述的用于制造超重的管接头的方法，其特征在于，所述板形件(18)的切割通过一个数控的、至少配设有四个由计算机控制的运动轴的机器完成，这些运动轴中的两个用于相对于垂直线的燃烧器定向，该机器所需的运动程序由所述切口侧沿 (19)的被施加偏移值的点和角度列表获得，并且由一个大于外接矩形的板材首先切割出所述板形件(18)，然后切割出所述外接矩形，在所述板形件(18)与所述外接矩形之间通过连接条(10)保持获得固定的连接，并且使用一种产生相对于板材厚度仅小到可忽略的切割缝的切割方法。
4.根据权利要求1至3所述的用于制造超重的管接头的方法，其特征在于，带有借助连接条(10)固定地与其连接的外接矩形的所述板形件(18)或者在三或四辊弯曲机中或者在翻钢机中以非常小的棱边距离多边形地倒圆并且所述倒圆程序的流程恰好符合来自所述数据库(1)的设定值。
5.根据权利要求1至3所述的用于制造超重的管接头的方法，其特征在于，对于所述板形件(18)的相应尺寸，将所述板形件拆分成矩形的板材段(20)，使得在这些矩形的板材段(10)彼此间的连接棱边上制成V形的焊缝预加工部，并且这些矩形的板材段00)这样地配合成所述板形件(18)，使得所述板形件(18)的表面被这些矩形的板材段00)在排除焊缝交叉的情况下完全覆盖并且每个矩形的板材段00)的一棱边与所述管轴线平行地延伸。
6.根据权利要求1至5所述的用于制造超重的管接头的方法，其特征在于，在弯曲或轧制之后通过去掉所述连接条(10)将形成所述接管(1 的板形件(18)或者该板形件的部分从该或这些矩形的板材段OO)去除，并且通过焊接将其与所述主管(1 连接。
全文摘要
本发明涉及一种用于制造超重的管接头的方法，所述管接头例如用在离岸式行业中。该方法描述了如何在平整的、类似板材的构件上进行所有的切割加工并且由此免去了昂贵的管气割机的使用。
文档编号F03D11/00GK102414371SQ201080017934
公开日2012年4月11日 申请日期2010年4月21日 优先权日2009年4月23日
发明者R·施普雷克迈尔 申请人:Iag马格南有限责任公司