CN102278352A - 分段螺纹和连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分段螺纹和连接装置。具体而言，提供了一种连接装置。该连接装置包括螺栓(120)、分段螺纹块(130)和紧固件(140)，螺栓(120)带有至少一个具有紧固部分(121)的端部，其中，该紧固部分(121)具有渐缩形的形状；分段螺纹块(130)在外侧上具有螺纹并且适合于在锁紧位置适配螺栓(120)的紧固部分(121)；紧固件(140)在内侧上具有螺纹，其中，该紧固件(140)适合于被拧紧到分段螺纹块上。

Description

分段螺纹和连接装置

技术领域

本文公开的主题涉及一种分段螺纹块(segmented thread block)和一种用于使螺栓紧固的连接装置。更具体地说，本文公开的主题涉及具有改进的抗疲劳强度的连接装置和连接系统，以及适合于在该连接装置中使用的分段螺纹块。

背景技术

紧固连接通常使用形式闭合(form closure)，以便在两个或更多不同的部件之间提供紧密连接。这样的紧固连接可由螺纹件、钉子、螺栓、铆钉等等提供。这些连接的作用在于，确保被连接的部件的合适阻挡(halt)，以及传递施加于被连接部件上的力。

特别而言，螺纹连接(screw connection)是一种通用并且受欢迎的以最少的成本提供良好的连接效果的方式。因此，螺纹件对于技术上关注的几乎每种连接都是可用的。例如，将凸缘连接拧紧以便连接两个近似圆形的构件。

通常，螺纹件必须提供良好并且可靠的作用以避免来自分离的构件的任何损害。尤其是在非常大的应用(例如风能系统)中，螺纹连接必须满足高安全性的要求。风能系统的凸缘连接也被拧紧，并且通过利用大的螺纹件实现所需要的强度。由于可能暴露于高负载下的结构和材料，对于这些连接而言总是有遗留风险。此外，任何技术情况下，螺纹件的尺寸设定都会在安全性与成本之间折衷。

发明内容

鉴于上述情况，提供了连接装置、分段螺纹块和连接系统，以及使螺栓紧固的方法。

根据第一方面，提供了一种分段螺纹块。该分段螺纹块包括至少两个适合于适配在一起的部分，其中，处于打开情形下的这至少两个部分至少可移动到一起，以便将分段螺纹块转变为在闭合情形下；该至少两个部分在闭合位置下提供大体上圆柱形的外表面；并且，其中，所述至少两个部分在闭合位置下提供内孔，该孔具有第一段和第二段，第一段具有至少一个第一直径，第二段具有至少一个第二直径。

根据另一方面，提供了一种连接装置。该连接装置包括螺栓、分段螺纹块和紧固件，该螺栓带有至少一个具有紧固部分的端部，其中，该紧固部分具有渐缩形的形状；该分段螺纹块在外侧上具有螺纹，并且适合于在锁紧位置适配螺栓的紧固部分；该紧固件在内侧上具有螺纹，其中，该紧固件适合于被拧紧到分段螺纹块上。

根据另一方面，提供了一种用于凸缘的连接系统。该连接系统包括螺栓、分段螺纹销(segment thread cotter)和螺母，该螺栓在其一端带有适合于与分段螺纹销适配的紧固部分，其中，该紧固部分具有渐缩形的形状；该分段螺纹销具有至少两个段和一个适合于夹紧螺栓的保持部分，其中，该分段螺纹销的各个段在外侧上具有螺纹，并且在内侧上具有容许在锁紧状态下与螺栓的紧固部分适配的形状；该螺母在内侧上具有螺纹，其中，该螺母适合于通过与该至少两个段的外侧上的连续螺纹适配而被拧紧到分段螺纹销栓上，从而在分段螺纹以及螺栓的紧固部分之间提供形式闭合。

本发明的进一步的方面、优点和特征从从属权利要求、描述和附图中是显而易见的。

附图说明

在说明书的其余部分中更详细地阐述了本发明对于本领域普通技术人员而言的完全和充分的公开(包括其最佳方式)，包括对附图的参考，其中：

图1a显示了根据本文所述实施例的分段螺纹块的透视图；

图1b显示了根据本文所述实施例的分段螺纹块的透视图；

图2a显示了根据本文所述实施例的图1b的分段螺纹块在打开情形下的顶视图；

图2b显示了根据本文所述实施例的图1b的分段螺纹块在闭合情形下的顶视图；

图2c显示了根据本文所述的其它实施例的图1b的分段螺纹块在打开情形下的顶视图；

图2d显示了根据本文所述的其它实施例的图1b的分段螺纹决在闭合情形下的顶视图；

图3显示了根据本文所述实施例的连接装置的示意性分解图；

图4显示了根据本文所述实施例的安装的连接装置在紧固之前的示意图；

图5显示了根据本文所述实施例的安装的连接装置在紧固之后的示意图；以及

图6显示了根据本文所述的其它实施例的安装的连接装置在紧固之后的示意图。

具体实施方式

现在将对本发明的不同实施例进行详细参考，在附图中展示了其中一个或多个示例。各示例通过对本发明进行说明的方式而提供，并且不意图作为对本发明的限制。例如，作为一个实施例的部分而展示或描述的特征可用在其它实施例上，或者与其它实施例结合使用，以便产生更进一步的实施例。本发明意图包括这样的修改和变型。

螺纹连接的强度取决于不同的条件。这些条件包括材料、大小、组装顺序、负载、位置等等。由于螺纹件的几何形状原因，螺纹件一方面容许紧密连接，并且另一方面可造成凹口应力(notch stress)。凹口应力出现在带有凹口几何形状的装置中。当装置受到拉伸、弯曲、扭转和/或剪切的应力作用时，在几何形状上具有急剧变化的凹口(例如螺纹等等)会造成装置中的应力峰值。这些应力峰值降低装置的强度，并且可缩短寿命。

凹口应力可构成螺纹件-螺母连接的弱点。随着其它因素的增加(例如材料弱性)，凹口应力可具有严重的后果。因此，必须以合适的方式将螺纹件定尺寸，并且必须增加待使用的螺纹件的尺寸用以确保合适的作用。否则，螺纹件的寿命周期会缩短，并且可能必须更频繁地更换螺纹件。螺纹件的更换可导致高的成本，尤其是因为螺纹连接在机械内可能只有利用相当大的努力才能到达。

例如，螺纹具有锐利的凹口。锐利的凹口在具有螺纹的螺栓中导致高度疲劳。此外，锐利的凹口以负面方式影响穿过螺纹的负载传递。结果，在具有螺纹的螺栓的寿命期间可出现裂纹，其开始于螺纹中的凹口处。该裂纹可发展并可导致整个螺栓报废。

本文所述的连接装置避免了这些问题，并提供了能够减小凹口应力的装置。因此，本文所述的主题提供了一种具有改善的疲劳性能的螺栓-螺母连接。根据本文所述实施例的连接装置和连接系统中的螺栓-螺母连接具有改进的几何形状，其有助于增加螺栓的抗疲劳性，并且因此与本领域中已知的螺纹连接相比可增加连接的寿命周期和安全性。

用语“连接装置”和“连接系统”在本文中被同义地使用。

图1a显示了处于打开情形下的分段螺纹块130。分段螺纹块130包括两个部分或螺纹段131，其可挠曲至预定的程度。分段螺纹块130在图1a中被显示为处于打开情形下。当这两个螺纹段131朝彼此移动时，它们可提供闭合情形。在闭合情形下，螺纹段的上端138适配在一起，并且另一端弯曲，从而使得这两个螺纹段131在闭合情形下可在螺纹段块130的外侧上建立周向螺纹。在闭合位置下还提供了孔136，其中，螺纹段块130的内侧上的孔136具有带有第一直径的第一部分以及带有第二直径的第二部分。

分段螺纹块130在图1b中被显示处于打开情形。根据一些实施例，这种分段螺纹块130可被用在连接装置中以用于改善疲劳性能。分段螺纹块130具有接合部分132，其适合于保持不同的部分，例如分段螺纹块130的段131。在图1中可看到段131从接合部分132延伸。在图1的透视图中可示例性地看到三个段131。如下面更详细说明的那样，段131设计得在分段螺纹块130处于闭合情形下时，段131的表面提供螺纹。此外，该至少两个段131在闭合情形下在内侧上提供限定形状的孔136，并且，其中，段131在径向方向上是柔性的。

通常，分段螺纹块130的段131在打开情形下以彼此限定的距离放置。段131之间的距离在段131之间提供了间隔135。该距离可沿分段螺纹块130的中心轴线134变化。例如，在图1中可看出，段131之间的距离在更靠近保持部分132的区域中更小，并且在离保持部分132更远的位置变得更大。根据一些实施例，该距离可以是恒定的。

根据示例性地在图1b中显示的一些实施例，分段螺纹块130由整件材料制成，并且在内侧和外侧具有预定的几何形状之后被分开。通常，分段螺纹块130的部分131未完全被分开，从而使这些部分仍被接合部分132保持在一起。接合部分132(其也可被称为保持部分)可具有圆形或环形的形状，分段螺纹块130的不同部分从其开始。

图2a显示了图1b的分段螺纹块130的顶视图。分段螺纹块130被显示为处于打开情形下，打开情形意味着段131之间存在间隔135。在该顶视图中，可看到在段131的外侧上的螺纹137。

图2a示例性地显示了四个段131。分段螺纹块被分成至少两部分，例如分段螺纹块130可具有三个、四个、五个或多于五个部分。在一个实施例中，分段螺纹块130具有六个部分以及一个接合部分132。接合部分132能将分段螺纹块130的这些部分保持在一起。

根据一些实施例，分段螺纹块130的不同部分131可弹性变形至一定程度。例如，这些部分131可沿径向方向移动到一起，从而在闭合情形下提供围绕分段螺纹块130的连续螺纹，如可在图2b中看到的那样。因此，与图2a的打开情形相比，在图2b中，当部分131弹性变形并移动到一起时，在部分131之间所有间隔135都闭合了。

换而言之，段131是柔性的，以便至少沿径向方向移动到一起。因此，围绕段131的外侧的虚圆的外径在打开情形下比在闭合情形下更大。这还可从图2a与图2b之间的比较中看出。

根据还有其它的实施例，当这些部分131被移动到一起时，它们可塑性变形。可塑变形可容许部分131在挠曲到一起之后再次挠曲分开。

通常，当部分131塑性地或弹性地移动到一起时，部分131一起提供限定的内部几何形状。因此，挠曲部分填充了间隔135，该间隔135在未挠曲位置或打开位置下出现在部分131之间。由于分段螺纹块130的几何形状，该至少两个螺纹段131的内侧能在闭合位置下提供限定形状的孔。根据一些实施例，内孔136的形状可与螺栓等等的紧固部分的形状适配。通常，分段螺纹块130的内孔136的形状在闭合情形下可为圆柱形或渐缩形的等等。

根据可与本文所述的其它实施例相结合的一些实施例，孔136的几何形状可具有从第一直径到第二直径的梯级式变化。在图2c和2d中可看出，在第一直径与第二直径之间示例性地有一个梯级139。通常，可具有多于一个梯级，例如两个、三个或甚至多于三个梯级。在其它实施例中，从第一直径到第二直径的变化可以是基本上平稳的。

根据进一步的实施例，保持部分132可具有孔136。通常，在闭合位置下由段131的内侧形成的孔136延续保持部分132的孔。

根据本文所述的一些实施例，分段螺纹块可以是分段螺纹销，其能通过为螺栓的紧固部分提供压力而夹紧螺栓。

图3中显示了根据本文所述实施例的连接装置100的示意性分解图。连接装置100包括螺栓120。螺栓120被放置在待连接的装置110中。装置可以是板、凸缘等等。通常，螺栓120具有至少一个具有紧固部分121的端部。

根据一些实施例，紧固部分121可具有一定的几何形状。通常，紧固部分121的形状是沿某一方向倾斜或渐缩的。因此，紧固部分121和螺栓120的几何形状被设计得使负载的传递是连续的并且在螺栓120的横截面上大致恒定。

通常，改进的负载传递可被描述为装置的横截面上的负载分布的改进。例如，与其上带有螺纹的螺栓相比，根据本文所述实施例的带有紧固部分的螺栓具有改进的负载传递，因为紧固部分具有限定的形状，其防止出现应力峰值。例如，改进的负载传递特征在于应力量的平稳变化。在应力分布中没有锐利的拐角、峰值等等出现。

通过螺栓120的紧固部分121的消除应力的几何形状可提供改进的负载传递。消除应力的几何形状可被描述为平滑的几何形状，其在螺栓120的轴向方向上不设有突然的变化。典型地，平滑的几何形状提供几何形状方面微小的改进以及整体几何形状方面少量的变化。根据一些实施例，该消除应力的几何形状在至少两个部分之间是可区分(differentiable)的。在一些实施例中，该消除应力的几何形状可基本上连续地可区分。

紧固部分的消除应力的几何形状可减小螺栓120中的凹口应力。与具有锐利的凹口和凹陷或在至少两个部分之间具有不可区分的几何形状的螺栓相比，带有消除应力的几何形状的螺栓120的凹口应力可减小。

此外，连接装置100提供分段螺纹块130。根据一些实施例，分段螺纹块130可以是图1的分段螺纹块并且在外侧上具有螺纹。典型地，分段螺纹块130适合于在闭合情形下适配螺栓120的紧固部分121。如下面更详细说明的那样，连接装置100被紧固件锁紧。因此，当紧固件140围绕分段螺纹块130时，分段螺纹块130处于闭合情形下。

根据一些实施例，分段螺纹块130可为夹紧构件，其将螺栓120夹紧在预定位置。

如可在图3中看到的那样，提供了紧固件140。紧固件140在内侧上具有螺纹，其适合于与分段螺纹块130的外侧上的螺纹适配。此外，紧固件140具有内径，其容许紧固件140将分段螺纹块130紧固。例如，紧固件140可将分段螺纹块130的该至少两个部分紧固。此外，在图3中提供了垫圈150。

根据一些实施例，紧固件140可为螺母等等。该螺母适合于通过将分段螺纹块130的不同部分压到螺栓120的紧固部分121上而将分段螺纹块130紧固到螺栓120的紧固部分121上。

图4中显示了根据本文所述实施例的连接系统100。连接系统100在截面图中显示了以部分安装的方式的图3的连接装置100。

螺栓被插入构件部分110中，构件部分110可以是例如凸缘。分段螺纹块130围绕螺栓放置，从而使保持部分132的起始处在紧固部分121的渐缩形部分的端部与螺栓120的直的部分叠接。在图4中，紧固件140被放置在分段螺纹块130之上，以便紧固该装置。

在图5中，示意图显示了根据本文所述实施例的被安装和紧固的连接装置100。紧固件140贴靠在分段螺纹块130上。因此，分段螺纹块130的部分被压在一起。通过使该紧固件140紧固，在螺栓120的紧固部分与分段螺纹块130的内侧之间提供了形式闭合。此外，在分段螺纹块130与紧固件140之间提供了形式闭合。垫圈150被用来分配紧固件140的负载。

根据一些实施例，分段螺纹块130由螺栓上的压配合的摩擦力保持。典型地，通过尺寸公差可调节该压配合的压力。因此，本领域技术人员可选择分段螺纹块的尺寸以及相伴随的紧固件，以便提供螺栓的预张力和紧密阻挡。此外，本领域技术人员可根据负载情况、连接类型、待连接的装置等等来选择尺寸。

根据本文所述的一些实施例，可提供连接装置100以用于凸缘110。凸缘连接被用于连接例如管凸缘，其中两个管相互连接。凸缘连接的另一应用是两个梁的连接。典型地，本文所述的连接装置适合于被用于风能系统中。

根据还进一步的实施例，凸缘110可为风能系统的一部分。例如，凸缘连接可被用于风能系统中，用以将风能系统的塔架锁到地面上。

根据一些实施例，螺栓的紧固部分可沿任何方向呈渐缩形，这取决于负载情况和连接装置所用于的应用。例如，如果负载如图6中所示那样被施加(这意味着沿方向170从螺栓120朝紧固部分121的方向施加负载)，那么螺栓的较小的横截面首先来到，并且螺栓的横截面然后沿朝螺栓120端部的方向增加。

图6显示了连接系统的另一实施例。在该实施例中，分段螺纹块被保持装置160保持。根据一些实施例，保持装置160可以是例如弹簧，尤其是圆弹簧。典型地，该实施例中的螺栓和分段螺纹块适合于容纳弹簧160。

根据一些实施例，螺栓120可在每端均具有紧固部分，以便在每个方向上紧固螺栓。根据还进一步的实施例，与具有螺纹、凹槽或凹口的螺栓的几何形状相比，位于螺栓的相对端的第二紧固部分还可具有带有消除应力的几何形状的渐缩形部分。

根据一些实施例，提供了一种用于使螺栓紧固的方法。该方法包括下列步骤：提供待连接的两个部分，以及将螺栓插入这两个部分中的孔中。该螺栓具有带有渐缩形部分的紧固部分，如上面所述的那样。

螺栓的紧固部分被分段螺纹包围，该分段螺纹可以是例如夹紧构件。根据一些实施例，该分段螺纹可具有两个或多个部分或段，它们通过分段螺纹的保持部分而保持在一起。分段螺纹围绕螺栓放置。分段螺纹可以是如上面根据本文所述任何实施例而描述的分段螺纹块或分段螺纹销。

提供了紧固件。该紧固件的内侧与分段螺纹适配，并且其能在分段螺纹的外侧与紧固件之间提供形式闭合。通过使紧固件紧固，在螺栓的紧固部分与分段螺纹之间提供了进一步的形式闭合。因此，分段螺纹的段被压到一起，并且，处于这样的锁紧位置下的分段螺纹的内侧适合适配螺栓的紧固部分的形状。因此，螺栓被紧固并可被保持在预定位置。

根据一些实施例，分段螺纹可包括保持部分，其包围螺栓的上部分。螺栓的上部分被沿中心线170的方向的在紧固部分之上并具有与紧固部分的直径不同的直径的部分限定。图6中示例性地显示了该中心线。

通过这些形式闭合，待连接部件被螺栓连接。因此，螺栓被中间元件夹紧并且被紧固件上紧。在这种方式下，可防止螺栓移动，并且可将待连接的部件保持在一起。

通过根据本文所述实施例的连接装置还可将本领域中已知的螺纹的拉-剪切负载组合转变为压-剪切负载。上面所述的连接系统使得能提高抗疲劳强度。此外，上面所述的实施例可利用已知的用于安装连接系统的安装方法。例如，该连接系统容许利用已知的上紧方法以用于使紧固件紧固。此外，通过已知的方法还可计算预张力，该预张力被用来确保连接装置的合适作用。因此，可应用公知的安装或计算方法以用于使用上面的系统和方法。

根据一些实施例，上面的构造给出了对于螺栓和螺纹使用不同材料的可能性。例如，在非常高负载的情况下可使用钛来替代钢螺纹。因此，对于每种负载情况可以很容易地改变连接装置的尺寸。

该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还允许本领域技术人员来实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种分段螺纹块(130)，包括：

至少两个螺纹段(131)，所述至少两个螺纹段(131)适合于在闭合情形下适配在一起，其中，

处于打开情形下的所述至少两个螺纹段至少能被移动到一起，用以将所述分段螺纹块转变为处于闭合情形下；

所述至少两个螺纹段在闭合位置下提供大体上圆柱形的外表面；

所述至少两个分段螺纹的所述外表面在闭合情形下提供螺纹(137)；并且，其中，

所述至少两个螺纹段在闭合位置下提供内孔(136)，所述孔包括第一段和第二段，所述第一段包括至少一个第一直径，所述第二段包括至少一个第二直径。

2.根据权利要求1所述的分段螺纹块，其特征在于，还包括接合部分(132)，所述至少两个部分从所述接合部分(132)延伸。

3.根据前述权利要求中任一项所述的分段螺纹块，其特征在于，所述至少两个螺纹段(131)能弹性变形。

4.根据前述权利要求中任一项所述的分段螺纹块，其特征在于，所述分段螺纹块(130)适合于被使用在用于使螺栓紧固的连接装置中。

5.一种连接装置(100)，包括：

a)螺栓(120)，所述螺栓(120)带有至少一个具有紧固部分(121)的端部，其中，所述紧固部分具有渐缩形的形状；

b)分段螺纹块(130)，所述分段螺纹块(130)在闭合情形下在外侧上包括螺纹(137)，并且适合于在闭合情形下适配所述螺栓的所述紧固部分；以及，

c)紧固件(140)，所述紧固件(140)在内侧上包括螺纹，其中，所述紧固件适合于被拧紧在所述分段螺纹块上。

6.根据权利要求5所述的连接装置，其特征在于，所述分段螺纹块(130)是根据权利要求1到4中任一项所述的分段螺纹块。

7.根据权利要求5到6中任一项所述的连接装置，其特征在于，所述螺栓(120)在每个端部包括紧固部分。

8.根据权利要求5到7中任一项所述的连接装置，其特征在于，所述紧固部分(121)在任何方向上呈渐缩形。

9.根据权利要求5到8中任一项所述的连接装置，其特征在于，所述连接装置是适合于凸缘连接的连接装置。

10.根据权利要求5到9中任一项所述的连接装置，其特征在于，所述连接装置被用于风能系统中。

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