CN116877555A - 风电机组叶片根部连接用双头螺柱及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种风电机组叶片根部连接用双头螺柱及其加工方法，属于双头螺柱技术领域。双头螺柱螺纹段的外螺纹为圆弧螺纹，圆弧螺纹的公称直径d公称＝36mm～40mm，圆弧螺纹的螺距Pr＝(0.153～0.192)d公称，圆弧螺纹的牙高hr＝(0.37～0.44)Pr，圆弧螺纹的小径d1r＝d公称‑0.8746Pr。本发明的双头螺柱采用大螺距、大牙顶及牙底圆弧半径，减少牙底应力集中；通过采用大直径钢丸抛丸处理、低温无铬锌铝涂层防腐处理，强化螺纹表面应力，避免防腐处理温度对疲劳性能的影响；降低安装和使用过程中螺牙及涂层的破坏引起锈蚀的可能性；综合从螺纹结构及加工方法提高双头螺柱的抗疲劳性能，更好地适应风电机组叶根联接使用工况。

Description

风电机组叶片根部连接用双头螺柱及其加工方法
技术领域
本发明涉及一种风电机组叶片根部连接用双头螺柱及其加工方法，属于双头螺柱技术领域。
背景技术
在风电机组中，风电叶片通常采用T型螺栓连接、预埋螺栓连接、植入式螺栓连接等方式，将叶片固定在风机轮毂上。无论采用哪种连接方式，均需要通过双头螺柱固定，同时也将作用在叶片上的载荷传递到轮毂上，是叶片与轮毂连接的唯一“中介”。如图1所示，是现有技术中风力发电机组叶片根部T型螺栓连接方式的结构图，叶片根部1上设置有周向均布有多个圆螺母3，双头螺柱2的一端与圆螺母3螺纹连接。现有双头螺柱的结构如图2所示，双头螺柱2的两端为螺纹段21，中间为光杆段22。
风电机组在运行过程中，叶片根部双头螺柱受到冲击、振动，形成交变载荷，所以，在双头螺柱设计时，既要保证双头螺柱在最大载荷下不会发生静强度断裂，更要考虑双头螺柱在周期性高应力作用下不会疲劳断裂。大多数情况下，双头螺柱断裂是交变载荷下疲劳失效引起的断裂，通常在螺柱螺纹处、收尾处断裂，且断面多位于螺纹牙底(连接螺柱啮合起始位置最容易发生疲劳断裂，螺纹连接前3扣)。针对双头螺柱疲劳断裂的问题，通常采取的技术手段有：调整材料配方提高抗疲劳性能，螺纹滚压加工表面强化、激光表面淬火提高表面残余压应力等。双头螺柱的螺纹通常为米制螺纹或米制MJ螺纹，从GB/T196、GJB3.1A和授权公告号为CN201439785U的中国实用新型专利可知，螺纹大径与螺距比值为9.0以上，普通米制螺纹牙底圆弧半径不小于0.125P(P为螺距)，牙底的应力集中突出，容易发生疲劳断裂。MJ螺纹在螺纹螺距不变的情况下，增大牙底圆弧，同时使MJ螺纹应力面积大于普通螺纹，牙底圆弧控制在0.1501P～0.18042P的范围内。由授权公告号为CN201439785U的中国实用新型专利的说明书第[0025]段可知，施必牢螺纹通过采用更大牙底圆弧结构来提高疲劳强度，其螺纹应力面积要大于MJ螺纹和普通螺纹。
圆弧螺纹连接副相对于普通米制螺纹、MJ螺纹等来说，在加工制造、结构强度以及抗疲劳性能等方面都有着很大的优势，例如申请公布号为CN109967982A的中国发明专利申请公开的一种风力发电机组用圆弧螺纹锚栓组件的制备方法，其中，锚栓上的外螺纹为连续的圆弧螺纹，包括依次连接的牙顶圆弧、直线段、牙底圆弧、直线段，直线段分别与牙顶圆弧、牙底圆弧相切，由于圆弧螺纹采用大螺距和非等宽齿厚，不仅轴向配合间隙大，而且可以降低应力集中、提高抗疲劳性能。另外，授权公告号为CN209818480U的中国实用新型专利公开了一种高强度圆弧螺纹连接副，圆弧螺纹连接副采用圆弧螺纹牙型，内螺纹与外螺纹为面接触，受力均匀，可以有效地降低螺纹承载时的应力集中，抗疲劳性能好。该专利公开了螺纹大径为42和48的两种圆弧螺纹结构，螺距分别为6.35和8.5，圆弧螺纹螺距与大径的比值分别为0.151和0.177，圆弧螺纹应力截面积均高于普通螺纹应力截面积。
圆弧螺纹连接副在风力发电组塔架螺栓连接、锚栓连接应用中提高了抗疲劳性能，但风电机组叶片根部连接用双头螺柱的应用环境更为复杂，承受冲击和振动交变应力载荷，由于安装空间受限，以及叶片整体强度的考虑，外螺纹大径一般不超过40mm，对于抗疲劳性能有着更高的要求，现有的通过改变螺纹结构的技术手段主要有增大牙底圆弧半径、采用现有圆弧螺纹结构、增大螺纹应力面积等措施来提高疲劳性能，十分有限。此外，叶片根部用双头螺柱通常采用达克罗进行表面处理，达克罗是一种经一定温度和时间烘烤反应固化的表面处理工艺，烘烤温度一般为300℃以上，达克罗涂层无氢脆风险，分为锌铬涂层和锌铝涂层两种类型，在双头螺柱表面防腐处理时，固化温度会影响涂层的防腐性能和疲劳性能。
在风电叶片双头螺柱领域，通常双头螺柱疲劳载荷要远小于其最大工作载荷，一般要求在规定疲劳应力幅下，疲劳寿命达到5×106次即可认为实现全寿命，在双头螺柱的静强度和疲劳强度都满足要求下，如何设计风电机组叶片根部连接用双头螺柱螺纹牙型及加工方法，进一步提高双头螺柱的抗疲劳性能，保证风力发电机组的安全稳定运行，是目前本领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适合风电机组叶片连接用的抗疲劳性能更高的风电机组叶片根部连接用双头螺柱；本发明的目的还在于提供一种上述风电机组叶片根部连接用双头螺柱的加工方法，以保证双头螺柱的抗疲劳性能。
为实现上述目的，本发明中的风电机组叶片根部连接用双头螺柱采用如下技术方案：
风电机组叶片根部连接用双头螺柱，包括两端的螺纹段和中间的光杆段，螺纹段的外螺纹为圆弧螺纹，圆弧螺纹包括依次连接的牙顶圆弧、直线段、牙底圆弧和直线段，直线段分别与牙顶圆弧、牙底圆弧相切，圆弧螺纹的公称直径d公称＝36mm～40mm，圆弧螺纹的螺距Pr＝(0.153～0.192)d公称，圆弧螺纹的牙高hr＝(0.37～0.44)Pr，圆弧螺纹的小径d1r＝d公称-0.8746Pr。
上述技术方案的有益效果在于：圆弧螺纹的公称直径(螺纹大径的名义值)d公称＝36mm～40mm，适合于风电机组叶片连接用的安装空间受限的场合；因双头螺柱疲劳破坏载荷远低于抗拉载荷，圆弧螺纹的螺距Pr＝(0.153～0.192)d公称，圆弧螺纹的牙高hr＝(0.37～0.44)Pr，圆弧螺纹的小径d1r＝d公称-0.8746Pr，采用大规格的螺距、牙顶圆弧及牙底圆弧，过渡更加平滑，从而降低了应力集中；同时，摒弃现有“增大牙底圆弧半径+增大螺纹应力面积”的技术手段，使圆弧螺纹的应力截面积比普通螺纹的应力面积稍小，略微降低极限承载力，但是能够在保证双头螺柱基本承载性能的前提下，大幅提高疲劳性能。
进一步地，螺纹段的外螺纹为单线螺纹，牙型角为60°。
上述技术方案的有益效果在于：方便加工制造和使用。
为实现上述目的，本发明中的风电机组叶片根部连接用双头螺柱的加工方法采用如下技术方案：
风电机组叶片根部连接用双头螺柱的加工方法，包括下料、热处理、车外形、螺纹加工、表面清理及表面防腐处理。
上述技术方案的有益效果在于：通过热处理保证双头螺柱的强度指标和硬度性能；通过表面清理及表面防腐处理保证耐腐蚀性和抗疲劳性能。
进一步地，热处理后双头螺柱的材料硬度为300-350HB，材料延伸率不低于12％。
上述技术方案的有益效果在于：材料本身具备一定的强度和硬度，同时材料延伸率不低于12％，方便后续通过滚压加工使螺纹表面产生较大的塑形变形，提高螺纹表面残余应力，进而提高双头螺柱的抗疲劳性能。
进一步地，螺纹加工时，采用轴向或径向滚压的方式加工出圆弧螺纹。
上述技术方案的有益效果在于：采用轴向或径向滚压，在大螺距+圆弧螺纹结构+高强度材料的共同作用下，螺纹表面在滚压力的作用下，塑性变形量大，滚制形成的螺纹晶粒流完好，不易开裂，使螺纹表面残余应力显著增大，可以大幅提高双头螺柱的抗疲劳性能。
进一步地，表面清理时，对双头螺柱进行抛丸处理，抛丸的钢丸直径d钢丸＝(0.1015～0.125)Pr。
上述技术方案的有益效果在于：相比普通螺纹抛丸处理，钢丸直径比较大，有利于强化表面应力，进一步提高双头螺柱的抗疲劳性能。
进一步地，表面防腐处理时，采用喷涂或浸涂的方式对双头螺柱整体涂覆无铬锌铝涂层。
上述技术方案的有益效果在于：无铬锌铝涂层属于环保达克罗，可以有效起到保护涂层不被破坏的作用，同时相比渗锌和热镀锌等表面方式，减少温度对螺纹残余压应力的影响，保证双头螺柱的抗疲劳性能。
进一步地，无铬锌铝涂层为双层结构，包括底涂层和面涂层，底涂层为溶剂型涂层，面涂层为水性封闭剂或溶剂型涂层，底涂层和面涂层的固化温度均为180-220℃，涂层总厚度为8-25um。
上述技术方案的有益效果在于：涂层固化温度低于现有技术中锌铝涂层的固化温度300℃，可进一步降低温度对螺纹残余压应力的影响，进一步提高双头螺柱的抗疲劳性能。
进一步地，无铬锌铝涂层为双层结构，包括底涂层和面涂层，底涂层为低温快速固化涂层，底涂层固化温度为20-80℃，涂层总厚度为8-25um。
上述技术方案的有益效果在于：涂层固化温度更低，可进一步降低温度对螺纹残余压应力的影响，进一步提高双头螺柱的抗疲劳性能。
附图说明
图1为现有技术中风力发电机组叶片根部T型螺栓连接方式的结构图；
图2为图1中双头螺柱的结构图；
图3为本发明中双头螺柱的圆弧螺纹的局部结构图；
图中：1、叶片根部；2、双头螺柱；21、螺纹段；211、牙顶圆弧；212、直线段；213、牙底圆弧；214、中心轴线；22、光杆段；3、圆螺母；θ、牙型角；dr、圆弧螺纹的大径；Pr、圆弧螺纹的螺距；hr、圆弧螺纹的牙高；R、牙顶圆弧和牙底圆弧的半径。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明中风电机组叶片根部连接用双头螺柱(以下简称双头螺柱)的实施例1：本实施例中的双头螺柱规定了圆弧螺纹的大径范围，适合于风电机组叶片连接用的安装空间受限的场合，并且采用大螺距、大牙顶及牙底圆弧半径，减少了牙底应力集中及螺纹应力截面积，使得双头螺柱不容易发生疲劳断裂，提高了抗疲劳性能。
如图2所示，双头螺柱2包括两端的螺纹段21和中间的光杆段22，如图3所示，螺纹段21的外螺纹为单线的圆弧螺纹，圆弧螺纹包括依次连接的牙顶圆弧211、直线段212、牙底圆弧212和直线段212，直线段212分别与牙顶圆弧211、牙底圆弧213相切，牙顶圆弧211和牙底圆弧212的半径相同，均为R。两个直线段212之间的夹角，即牙型角θ为60°。
在本发明中，圆弧螺纹的公称直径(螺纹大径的名义值)d公称＝36mm～40mm，适合于风电机组叶片连接用的安装空间受限的场合。同时，圆弧螺纹的螺距Pr＝(0.153～0.192)d公称，圆弧螺纹的牙高hr＝(0.37～0.44)Pr，圆弧螺纹的小径d1r＝d公称-0.8746Pr。在大螺距且限制牙高的情况下，将会增大牙顶圆弧211和牙底圆弧213的半径R，过渡更加平滑，从而降低了应力集中，使得双头螺柱不容易发生疲劳断裂，提高了抗疲劳性能。并且，采用大规格的螺距、牙顶圆弧及牙底圆弧，过渡更加平滑，从而降低了应力集中；同时，设定圆弧螺纹的小径，摒弃现有“增大牙底圆弧半径+螺纹应力面积”的技术手段，使圆弧螺纹的应力截面积比普通螺纹的应力面积稍小，略微降低极限承载力，因双头螺柱疲劳破坏载荷远低于抗拉载荷，所以能够在保证双头螺柱基本承载性能的前提下，大幅提高疲劳性能。
本发明双头螺柱的圆弧螺纹在设计时，如图3所示，保持牙型角、单线螺纹不变，增大螺纹螺距使Pr＝(0.153～0.192)d公称，牙高h＝(0.37～0.44)Pr，选取系数，得到螺纹结构的螺距Pr和牙高h，绘制螺距Pr、牙高h，以螺纹的牙高为起点向右画30°角，以螺纹牙底为起点向左画30°角，再做两30°角侧边平行线，且使该平行线到30°角边距离相等，再画牙顶及牙底圆弧与该平行线相切，根据圆弧螺纹的小径d1r＝d公称-0.8746Pr，计算出双头螺柱圆弧螺纹小径，画双头螺柱圆弧螺纹的中心轴线214，即可得出本发明双头螺柱圆弧螺纹结构。
根据ISO3800-1993和GB/T13682-1992规定，通过轴向载荷疲劳试验机对公称直径为36mm、39mm的双头螺柱普通螺纹、本发明螺纹及本发明之外螺纹结构的双头螺柱进行疲劳试验；依据ISO3800的表1中的应力截面积As计算方法计算不同螺纹结构螺纹处应力截面积；按照第四强度理论及双头螺柱结构等数据可计算得出静强度安全系数。公称直径为36mm、39mm双头螺柱普通螺纹、本发明螺纹及本发明之外螺纹结构参数及性能对比如表1、表2所示。
表1公称直径36mm普通螺纹、本发明螺纹及发明之外螺纹的结构参数/性能对比
表2公称直径39mm普通螺纹、本发明螺纹及发明之外螺纹的结构参数/性能对比
如表1、2所示，在双头螺柱指定全寿命5×106次循环下，本发明采用大规格的螺距、牙顶圆弧及牙底圆弧，大幅提高双头螺柱的抗疲劳性能，双头螺柱不断裂；但随着螺距的增大，圆弧螺纹的应力截面积减小，静强度性能逐渐减小，为保证静强度安全系数不小于许用安全系数[n]＝1.1，本发明双头螺柱结构参数能够在保证双头螺柱基本承载性能的前提下，大幅提高疲劳性能。
在风电机组叶片根部连接用双头螺柱的其他实施例中：圆弧螺纹的牙型角也可以是其他合适的度数。
本发明中风电机组叶片根部连接用双头螺柱的加工方法的实施例1：
双头螺柱的加工方法包括以下步骤：
①下料：根据双头螺柱的长度截取所需长度的棒材；
②热处理：使棒料硬度300-350HB，材料延伸率不低于12％；
③车外形：车两端面、倒角及双头螺柱外形；
④螺纹加工：两端圆弧螺纹采用轴向或径向滚压加工；
⑤表面清理：对双头螺柱进行抛丸处理，抛丸的钢丸直径d钢丸＝(0.1015～0.125)Pr；
⑥表面防腐处理：采用喷涂或浸涂的方式对双头螺柱整体涂覆无铬锌铝涂层。
其中，步骤④中采用滚压加工，在大螺距+圆弧螺纹结构+高强度材料的共同作用下，螺纹表面在滚压力的作用下，产生塑性变形，相比普通螺纹，使螺纹表面残余应力显著增大，可以大幅提高双头螺柱的抗疲劳性能。结合滚压力计算公式：
式中：E——滚压力，kN；
P——工件螺距，mm；
HB——工件的材料硬度；
δ——工件材料延伸率；
K——滚丝轮头数；
L——工件螺纹长度，mm；
F——滚压力修正系数，60°米制螺纹F＝1，对半圆形螺纹F＝1.5，对矩形螺纹F＝2；
Z——工件材料冷作硬化系数，高强度合金钢1-2；
例如，HB＝330，δ＝14％，Z＝1.2，本发明双头螺柱的圆弧螺纹与普通螺纹的结构的滚压力对比如表3所示。
表3HB＝330，δ＝14％，Z＝1.2，本发明圆弧螺纹与普通螺纹结构的滚压力对比
例如，HB＝130，δ＝25％，Z＝0.2，本发明双头螺柱的圆弧螺纹与普通螺纹的结构的滚压力对比如表4所示。
表4HB＝130，δ＝25％，Z＝0.2本发明圆弧螺纹与普通螺纹结构的滚压力对比
需要说明的是，如表3所示，针对高强度材料，螺纹滚压力不能太大，滚压力太大时螺纹表面产生加工硬化产生裂纹。如表4所示，针对材料强度不高的材料，螺纹滚压力太小时，螺纹表面加工强化的效果要差一些。所以，针对本发明所述的村料硬度300-350HB，材料延伸率不低于12％，采用所述的大螺距+圆弧螺纹结构(Pr＝(0.153～0.192)d公称)，可以增强表面滚压强化效果，大幅提升双头螺柱疲劳寿命。
本发明采用大螺距螺纹结构，步骤⑤中采用较大直径的钢丸进行抛丸，有利于强化表面应力，进一步提高双头螺柱的抗疲劳性能。步骤⑥中在进行表面防腐处理时，由于本发明圆弧螺纹的牙顶及牙底圆弧半径相比普通米制螺纹或米制MJ螺纹增大，涂层更容易均匀涂覆，减少露底等涂层缺陷的产生，保证双头螺柱的耐腐蚀性，同时由于牙顶及牙底圆弧半径相等，过渡更加平滑且无尖角，可以涂覆更厚的涂层，保证耐腐蚀性，同时避免双头螺柱安装过程中螺纹及防腐涂层磕碰、损坏、划伤。
另外，步骤⑥中的无铬锌铝涂层属于环保达克罗，且为双层结构，包括底涂层和面涂层，本实施例中的底涂层为溶剂型涂层，底涂层涂覆3-4遍，面涂层为水性封闭剂，底涂层和面涂层固化温度均为180-220℃，涂层总厚度为8-20um，固化温度比较低，减小高温对残余压应力的影响，保证双头螺柱的抗疲劳性能。
综上所述，本发明的双头螺柱采用大螺距、大牙顶及牙底圆弧半径，减少牙底应力集中及螺纹应力截面积；通过采用大直径钢丸抛丸处理、低温无铬锌铝涂层防腐处理，强化螺纹表面残余压应力，避免防腐处理温度对抗疲劳性能的影响；降低施工过程中螺牙及涂层的破坏引起锈蚀的可能性；综合从螺纹结构及加工方法提高双头螺柱的抗疲劳性能，更好地适应风机叶根联接使用工况。
本发明中风电机组叶片根部连接用双头螺柱的加工方法的实施例2：与实施例1的不同之处在于，本实施例中的面涂层为溶剂型涂层，底涂层和面涂层固化温度均为180-220℃，涂层总厚度为8-25um。
本发明中风电机组叶片根部连接用双头螺柱的加工方法的实施例3：与实施例1的不同之处在于，采用喷涂的方式对双头螺柱整体涂覆无铬锌铝涂层，无铬锌铝涂层的底涂层为低温快速固化涂层，底涂层固化温度为20-80℃，涂层总厚度为8-25um。
本发明中风电机组叶片根部连接用双头螺柱的加工方法的实施例4：本实施例提供不同的表面防腐处理方式，与实施例1的不同之处在于，达克罗涂层为锌铬涂层。当然在其他实施例中，也可以是渗锌、热浸锌、特氟龙、万氟陆PTEE中的其中一种。
本发明中风电机组叶片根部连接用双头螺柱的加工方法的实施例5：本实施例提供不同的表面清理方式，与实施例1的不同之处在于，表面清理方式为喷砂。
本发明中风电机组叶片根部连接用双头螺柱的加工方法的实施例6：本实施例提供不同的螺纹加工方式，与实施例1的不同之处在于，螺纹加工方式为车削。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.风电机组叶片根部连接用双头螺柱，包括两端的螺纹段和中间的光杆段，螺纹段的外螺纹为圆弧螺纹，圆弧螺纹包括依次连接的牙顶圆弧、直线段、牙底圆弧和直线段，直线段分别与牙顶圆弧、牙底圆弧相切，其特征在于，圆弧螺纹的公称直径d公称＝36mm～40mm，圆弧螺纹的螺距Pr＝(0.153～0.192)d公称，圆弧螺纹的牙高hr＝(0.37～0.44)Pr，圆弧螺纹的小径d1r＝d公称-0.8746Pr。
2.根据权利要求1所述的风电机组叶片根部连接用双头螺柱，其特征在于，螺纹段的外螺纹为单线螺纹，牙型角为60°。
3.如权利要求1所述的风电机组叶片根部连接用双头螺柱的加工方法，其特征在于，包括下料、热处理、车外形、螺纹加工、表面清理及表面防腐处理。
4.根据权利要求3所述的风电机组叶片根部连接用双头螺柱的加工方法，其特征在于，热处理后双头螺柱的材料硬度为300-350HB，材料延伸率不低于12％。
5.根据权利要求3或4所述的风电机组叶片根部连接用双头螺柱的加工方法，其特征在于，螺纹加工时，采用轴向或径向滚压的方式加工出圆弧螺纹。
6.根据权利要求3或4所述的风电机组叶片根部连接用双头螺柱的加工方法，其特征在于，表面清理时，对双头螺柱进行抛丸处理，抛丸的钢丸直径d钢丸＝(0.1015～0.125)Pr。
7.根据权利要求3或4所述的风电机组叶片根部连接用双头螺柱的加工方法，其特征在于，表面防腐处理时，采用喷涂或浸涂的方式对双头螺柱整体涂覆无铬锌铝涂层。
8.根据权利要求7所述的风电机组叶片根部连接用双头螺柱的加工方法，其特征在于，无铬锌铝涂层为双层结构，包括底涂层和面涂层，底涂层为溶剂型涂层，面涂层为水性封闭剂或溶剂型涂层，底涂层和面涂层的固化温度均为180-220℃，涂层总厚度为8-25um。
9.根据权利要求7所述的风电机组叶片根部连接用双头螺柱的加工方法，其特征在于，无铬锌铝涂层为双层结构，包括底涂层和面涂层，底涂层为低温快速固化涂层，底涂层固化温度为20-80℃，涂层总厚度为8-25um。
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