定心紧固件、其制作方法、使用方法及风力发电机组与流程

本发明涉及紧固件连接技术领域，具体涉及一种定心紧固件、其制作方法、使用方法及风力发电机组。

背景技术：

紧固件作为一种通用连接件，通常装在被连接件的安装孔中使用，需具备一定的强度以抵抗来自外力的破坏。在风力发电机组中，螺栓(螺柱)作为一种主要连接紧固件，起着重要的定位连接作用，其强度直接影响着风机的稳定性和可靠性，机组运行时，由于工况复杂，关键大部件间的连接螺栓(螺柱)受载复杂且承受很大的变载荷，需要螺栓(螺柱)具备很高的疲劳强度，一般是在这些被连接件周边均布大量的高强度连接螺栓，比如塔筒分段连接、偏航轴承与底座连接、变桨轴承与轮毂连接及叶片等部件的连接，然而，当被连接部件间的螺栓(螺柱)安装孔定位效果不佳时，螺纹部分会和安装孔接触，安装孔错位严重时会使这些连接紧固件弯曲变形，产生弯曲应力，降低了螺栓(螺柱)的疲劳性能，因而螺栓(螺柱)等连接紧固件也需兼具良好的定位作用，通常的做法是，在连接主体上加工出一段变截面的结构作为定位段，这种一体结构在连接处易产生应力集中，事实上，连接部位因对正误差仍存在剪切应力，会造成定位段上有压痕，甚至压伤螺栓(螺柱)的连接主体，影响连接紧固件的疲劳强度，从而降低了风力发电机的稳定性和可靠性。

实践中，螺栓(螺柱)等连接紧固件的失效(断裂)是风力发电机组的主要故障形式，其中，这些紧固件的设计、安装问题是导致其失效的重要原因，因而，需提供一种定心紧固件、其制作方法、使用方法及风力发电机组。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种定心紧固件、其制作方法、使用方法及风力发电机组，能够解决定心紧固件在定位连接的部位因应力集中而导致其疲劳失效的问题。

第一方面，提供了一种定心紧固件，包括：连接主体、缓冲内衬及定心构件，其中，连接主体为柱状体，包括连接部和光杆部；缓冲内衬呈环状包覆于至少部分所述光杆部；定心构件包覆在所述缓冲内衬的外表面；其中，至少在所述缓冲内衬的部位，所述光杆部与所述定心构件分离。

在第一种可能的实现方式中，所述定心构件为具有光滑表面的圆柱形筒状结构。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述定心构件的端部渐缩成具有倾斜面的锥形引导部，所述倾斜面延伸至所述光杆部的外表面。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述定心构件的强度大于或等于所述连接主体的强度。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述定心构件为采用纤维增强树脂基复合材料缠绕成型的圆柱形筒状结构。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述纤维增强树脂基复合材料包括玻璃纤维增强塑料或碳纤维增强塑料。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述缓冲内衬的弹性大于所述连接主体和/或所述定心构件的弹性。

结合上述可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述缓冲内衬采用弹簧钢、橡胶、皮革或者有机纤维制作。

结合上述可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述连接主体为螺栓，所述连接部具有螺纹结构，所述定心构件的外径大于所述螺纹结构的外径。

结合上述可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，所述螺栓为两端均有所述螺纹结构且中间有所述光杆部的双头螺栓，所述光杆部的直径小于所述螺纹结构的外径。

第二方面，提供了一种以上任一实施方式的定心紧固件的制作方法，包括：

在至少部分所述光杆部的外表面包裹一层所述缓冲内衬；

在所述缓冲内衬的外表面覆盖定成型所述定心构件。

在第一种可能的实现方式中，所述在至少部分所述光杆部的外表面包裹一层所述缓冲内衬的方法包括，采用弹簧钢、橡胶、皮革或者有机纤维的材料包裹在所述光杆段的外表面。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述在所述缓冲内衬的外表面覆盖成型所述定心构件的方法包括：

采用玻璃纤维或碳纤维浸渍树脂；

用所述浸渍树脂的玻璃纤维或碳纤维在所述缓冲内衬的外表面缠绕成圆柱形结构；

将固化后的所述圆柱体结构加工成光滑表面的圆柱形的定心构件；

在所述圆柱形的定心构件的两端加工出锥形倾斜面，使所述圆柱面靠近端面的直径渐缩。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述用所述浸渍树脂的玻璃纤维或碳纤维在所述缓冲内衬的外表面缠绕成圆柱形结构的方法包括，将所述浸渍树脂的玻璃纤维或者碳纤维进行交错缠绕形成网状纤维结构。

第三方面，提供了一种定心紧固件的使用方法，采用第一方面的任一种实施方式所述的定心紧固件，将所述定心紧固件安装在被连接件的安装孔中，采用间隙配合，使所述缓冲内衬处于所述被连接件之间的连接处。

第四方面，提供了一种风力发电机组，包括第一方面的任一种实施方式的定心紧固件，所述定心紧固件用于底座、塔筒、偏航轴承、变桨轴承、轮毂和/或叶片的被连接件的连接，其中，每组所述被连接件的连接处均布设有2个或2个以上所述定心紧固件，所述定心紧固件安装在所述被连接件的相应安装孔中，使所述缓冲内衬处于所述连接处。

综上，本发明的一种定心紧固件，通过中间层的缓冲内衬将连接主体的光杆部与定心构件分离，通过由外到内的定心构件、缓冲内衬和连接主体形成分层的定位连接结构，定心紧固件的定位段在连接处所受外力由外到内也随之逐层减弱，在实现定位连接的同时，还能保护连接主体，有效解决了连接主体因受应力集中而疲劳失效的问题。

附图说明

图1是本发明实施例一的一种定心紧固件结构的局部剖视图；

图1a和图1b分别是实施例一中不同形式锥形引导部的示意图；

图2是本发明实施例二的一种定心紧固件的结构局部剖视图；

图3是本发明实施例的一种风力发电机组中变桨轴承和轮毂的连接示意图。

图中，1：双头螺栓；2：变桨轴承；3：轮毂；101：连接主体；102：定心构件；103：缓冲内衬；101a：连接部；101b：光杆部。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一提供的一种定心紧固件结构的局部示意图。

参考图1，本实施例中的定心紧固件可用于在被连接件之间的定位连接，该定心紧固件包括连接主体101、缓冲内衬103及定心构件102，其中，连接主体101为柱状体，包括连接部101a和光杆部101b；缓冲内衬103呈环状包覆于至少部分光杆部101b；定心构件102包覆在缓冲内衬103的外表面呈筒状结构；其中，至少在缓冲内衬103的部位，光杆部101b与定心构件102分离。连接部101a实现了紧固连接作用，光杆部101b实现了定位连接作用，在连接主体101的光杆部101b由内到外依次设置了缓冲内衬103和定心构件102，缓冲内衬103将连接主体101和定心结构102分离，当被连接件因对正误差产生剪切力时，定心构件102会受到来自被连接件的压力，向内传递至缓冲内衬103后得到减弱，当传到光杆段101b的连接主体101上时，连接主体101上承受的力被大大降低，可有效减弱连接主体101在连接部位的应力集中，一定程度上提高了连接紧固件的疲劳强度，从而保护了连接主体101。

因此，本发明的定心紧固件，通过由外到内的定心构件102、缓冲内衬103和连接主体101形成分层的定位连接结构，定心紧固件在连接处所受外力由外到内也随之逐层减弱，相比现有技术的一体结构，不仅能实现定位连接的功能，还有效解决了紧固件的连接主体101在连接处因应力集中而导致疲劳失效断裂的问题。

定心构件102为具有光滑表面的圆柱形筒状结构，由于通常安装孔为圆形，相应的，定心构件102设计成圆柱形筒状结构能更好的与安装孔匹配安装，光滑的表面能使受力均匀，避免了粗糙表面导致的应力集中，且，光滑表面的定心构件102与安装孔接触时摩擦力小，有利于导向、安装和拆卸。

定心构件102的端部渐缩成具有倾斜面的锥形引导部，该倾斜面延伸至光杆部101b的外表面。锥形引导部具有导向作用，其中引导部的倾斜面延伸至光杆部101b的外表面形成良好的过渡导向结构，进一步增强导向效果，同时还便于加工和拆装。

需要说明的是，本实施例中，作为一种优选实施方式，参考图1a所示，锥形引导部的倾斜面延伸至光杆部101b的外表面形成良好的过渡导向结构，而作为另一变形实施方式，参考图1b所示，定心构件102的锥形引导面也可以是完全与连接主体101分离的，其中，定心构件102的锥形引导部的倾斜面延伸至缓冲内衬103而非必须引导至光杆部101b，也在本发明的技术方案范围内，只要连接主体101和定心构件102至少有一部分是被缓冲内衬103分离即可。

定心构件102的强度大于或等于连接主体101的强度，由于定心构件102在连接处会直接接触被连接件，因而承受的力最大，强度不足时，抵抗外力破坏的能力差，易因受力太大而失效，因此，定心构件102有足够大的强度以抵抗连接处的破坏，能更好的起到定位导向及保护连接主体101的作用。

可选的，定心构件102为采用纤维增强树脂基复合材料缠绕成型的圆柱形筒状结构，相比一般材料，纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比刚度、耐疲劳、耐腐蚀、低密度等一系列的力学性能优势，能够满足定心构件102的高强度等要求，以抵抗外力破坏。

进一步地，纤维增强树脂基复合材料包括玻璃纤维或者碳纤维的增强树脂基复合材料。其中，玻璃纤维或者碳纤维的增强树脂基复合材料具有质轻、强度高、耐疲劳和耐腐蚀等优点。

缓冲内衬103的弹性大于连接主体101和/或定心构件102的弹性，缓冲内衬103具有良好的弹性时可有效缓冲由定心构件102传来的压力，当缓冲内衬103的弹性比连接主体101和定心构件102的弹性大时，对压力的缓冲效果更好，能减弱连接主体101的光杆部101b的受力，更进一步保护了连接主体101不会因压力太大而疲劳失效。

缓冲内衬103采用弹簧钢、橡胶、皮革或者有机纤维制作，一般的，弹簧钢、橡胶、皮革或者有机纤维具有良好的弹性，可有效缓冲由被连接件经定心构件102传到连接主体101的力，从而降低连接主体101上的受力，有效保护了连接主体101。需要说明的是，具体操作时，不限于本发明列举的材料，本领域的技术人员能想到的其他等同替换材料，只要能实现缓冲内衬103将连接主体101和定心构件102分离的同时起到缓冲作用，以降低连接主体101的受力，均在本发明的技术范围之内。

需要说明的是，本发明的定心紧固件的连接主体101可以是螺栓、螺柱、销轴等，只要能实现将被连接件定位连接的紧固件，均能在本发明的技术方案原理范围内实现。

图2为本发明实施例二提供的一种定心紧固件的结构示意图。

参考图1和图2，实施例二与实施例一的结构相同，不同之处在于连接主体101具体为螺栓，因而本实施例二的定位紧固件可理解为是一种定位螺栓，该螺栓的连接部101a具有螺纹结构，定心构件102的外径大于螺纹结构的外径，在螺栓连接主体101的至少一部分光杆部101b由内到外包裹缓冲内衬103和定心构件102后形成定心导向的结构，由于安装孔与该定心导向结构适配的间隙越小，定位连接效果会越好，安装孔是根据连接紧固件的尺寸设计，而要实现连接，螺纹部分需能穿进安装孔内，也就是安装孔径需大于螺纹孔，为了在连接处定位连接效果更好，将定心构件102的外径设计成小于但尽可能接近安装孔径，因此，本发明中定心构件的外径大于螺纹结构的外径，定位连接效果最佳。

作为一种可行实施例，本发明的螺栓为两端均有螺纹结构且中间有光杆部101b的双头螺栓1，光杆部101b的直径小于螺纹结构的外径，这种细长颈的双头螺栓1的定心紧固件可用于较大部件的连接，例如用于风力发电机组设备中关键部件之间的连接，相比现有技术，能够有效提高设备的可靠性。

第二方面，本发明提供了一种以上实施方式的定心紧固件的制作方法，包括：在至少部分光杆部101b的外表面包裹一层缓冲内衬103；在缓冲内衬103的外表面覆盖成型定心构件102。通常，缓冲内衬103为厚度为0.5mm-1mm的一层较薄环状结构，既能达到缓冲目的，又不致降低整体硬度，具体厚度可根据连接主体101(比如螺栓)的规格设计。

制作时，在光杆部101b的外表面包裹一层缓冲内衬103的方法包括，采用弹簧钢、橡胶、皮革或者有机纤维的材料包裹在光杆部101b的外表面。取材方便，成本低，能满足对缓冲内衬103需具备良好弹性性能的要求，

进一步地，在缓冲内衬103的外表面覆盖成型定心构件102的方法包括：首先，采用玻璃纤维或碳纤维浸渍树脂；然后，用浸渍树脂的玻璃纤维或碳纤维在缓冲内衬103的外表面缠绕成圆柱体结构；之后，将固化后的圆柱体结构加工成光滑表面的圆柱形定心构件102；最后，在圆柱形定心构件102的两端加工出锥形引导部，使圆柱体靠近端面的直径渐缩。具体制作中，可借助纤维增强树脂缠绕技术设备进行，在固化过程中，可自然固化也可通过加热或通风等措施加快固化过程，最后，在固化后的定心构件102的毛坯表面加工过程中，可借助机床进行车削、铣削等机加工处理，获得满足预定直径及表面要求的定心构件102。

更进一步地，缠绕的方法包括，将浸渍树脂的玻璃纤维或者碳纤维进行交错缠绕形成网状纤维结构，具体地，可按照绕8字形的方式进行交错缠绕形成网状纤维结构，能获得更高强度和稳定性的定心构件102。

第三方面，本发明还提供了一种定心紧固件的使用方法，采用本发明第一方面实施例的一种定心紧固件，将定心紧固件安装在被连接件的安装孔中，采用间隙配合方式，使缓冲内衬103处于被连接件之间的连接处，采用间隙配合的装配方式便于安装和拆卸，尤其在大型设备中，需大量使用螺栓和螺柱等连接紧固件，便捷的拆装方式很大程度能提高工作效率，此外，缓冲内衬103处在连接处，能缓冲来自被连接件的力，达到了保护连接主体101的效果。

第四方面，提供了一种风力发电机组，参考图3，包括第一方面实施例的以螺栓为连接主体101的定心紧固件，该定心紧固件用于底座、塔筒、偏航轴承、变桨轴承、轮毂和/或叶片的被连接件的连接，其中，每组被连接件的连接处均布设有2个或2个以上本发明的定心紧固件，定心紧固件安装在被连接件的相应安装孔中，使缓冲内衬处于连接处。

参考图3所示，以变桨轴承2和轮毂3的连接为例说明，采用了实施例二的一种细长颈的双头螺栓1作为变桨轴承2和轮毂3之间的连接紧固件，由于变桨轴承2和轮毂3的厚度较大，相应的采用这种细长颈双头螺栓1能较好的实现定位连接作用，且，该螺栓1上由外到内的定心构件102、缓冲内衬103和连接主体101形成分层的定位连接结构，螺栓1在变桨轴承2和轮毂3连接处所受外力由外到内也随之逐层减弱，既实现了较好的定位连接效果，还有效解决了螺栓1的连接主体101在连接处因应力集中而导致疲劳失效断裂的问题。

需要说明的是，图3是以变桨轴承2和轮毂3之间连接用的细长颈双头螺栓1为示例说明，本发明的风力发电机组中可根据实际情况采用以不同形式为连接主体1的定心紧固件作为其他部件间的连接使用，具体操作可参考图3实现，在此不做赘述。

由于在风电机组中，关键大部件间的连接处受力复杂，螺栓(螺柱)等连接紧固件受力较大，通常采用高强度螺栓(螺柱)，因此，采用本发明的定心紧固件时，由于弹性较好的缓冲内衬103将连接主体101和定心构件102分离，在实现定位连接的同时还能将连接主体101在连接处的受力减弱，有效解决了连接主体101因被连接件的对正误差引起的应力集中而导致疲劳失效的问题，相比现有技术，该风力发电机组在一定程度上具有更高的稳定性和可靠性，并且，只需在连接处均布2-3个本发明的以螺栓为连接主体的定心紧固件进行定位连接，就能解决现有技术的螺栓疲劳失效的问题，而其他连接孔处仍然可以采用通常的高强度螺栓连接，本发明的风力发电机组兼顾了较高的力学性能和降低经济成本的要求。

需要说明的是，紧固件作为一种通用连接件，装在被连接件的安装孔中使用，本发明的实施例示意性的以一般紧固件和细颈双头螺栓为例说明，但不限于实施例中的紧固件形式，还可以是以其他类型的螺栓、螺柱或者销轴等形式作为连接主体的定心紧固件，均在本发明的技术方案保护范围内，而在大型设备中，特别是风力发电机组中的高强度连接螺栓，应用本发明定心紧固件的方案原理，尤其能解决：当螺栓受力较大时，因现有技术中设计和安装缺陷而导致疲劳失效引起风电机组出现故障的问题。

综上所述，本发明的定心紧固件，通过中间层的缓冲内衬103将处于最内层的连接主体101和最外层的定心构件102分离，形成了“硬-软-硬”分层的定心导向结构，当被连接件在连接处因对正误差而对连接主体101产生剪切力时，由定心构件102传递到缓冲内衬103时，剪切力被缓冲内衬减弱，传递到连接主体101时，进一步被大大减弱，使连接主体101受力降低，达到了保护连接主体101的效果，本发明的定心紧固件在实现定位连接的同时，还能有效解决连接主体因受外力太大时导致疲劳失效的问题，同时还具有结构精简、便于安装和拆卸、经济性好、应用范围广的优点。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。