风电叶片根部连接用螺栓套及其预埋强度提升方法

1.本发明属于新能源技术领域，涉及风力发电机组中叶片的连接技术，特别是涉及一种风电叶片根部连接用螺栓套及其预埋强度提升方法。


背景技术：

2.作为风能转换的主要途径，风力发电目前已经成为解决能源危机的重要手段之一。风力发电机叶片是风力发电机中的关键部件之一，通过叶片的旋转将风能转换为机械能，再带动发电机发电。为了提高风能利用率和机组的年发电量，相同功率风电机组的叶片长度越来越长，叶片重量越来越重，风电叶片叶根连接也越来越多的采用预埋型螺栓套连接技术。
3.为了提高预埋螺栓套与叶根基体的连接强度，通常在预埋螺栓套外表面加工出波浪状或齿状环形凸起装螺纹沟槽结构，并表面喷砂处理以提高表面的清洁度和粗糙度，使用前再根据叶根基体材料的不同使用连续玻璃纤维束、连续碳纤维束、粗砂等材料缠绕填平螺纹沟槽。预埋螺栓套通过与叶根基体之间的粘接力和嵌入预埋螺栓套外部沟槽的缠绕层的剪切强度提供连接强度。
4.然而，为了保证螺栓套的强度，螺栓套外表面的沟槽深度必须控制在一定范围内，这就限制了螺栓套与外部沟槽缠绕层之间的连接强度，进而影响了预埋螺栓套与整个叶根基体之间的连接强度。因此，有必要对目前预埋螺栓套的设计及其预埋方式进行改进，以满足叶片大型化带来的日益增大的叶片的根部连接载荷需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种风电叶片根部连接用螺栓套及其预埋强度提升方法，其通过提升螺栓套与外部沟槽缠绕层之间的连接强度，来解决现有螺栓套无法满足叶片大型化带来的日益增大的叶片根部连接载荷需求的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种风电叶片根部连接用螺栓套的强度提升方法，包括步骤：s1、在螺栓套的外螺纹沟槽的表面加工微沟槽结构；s2、在所述微沟槽结构和所述外螺纹沟槽内缠绕线束缠绕填充材料进行填充；s3、采用树脂预埋所述螺栓套，并利用真空压力使所述树脂填充进所述微沟槽结构和所述外螺纹沟槽。
7.可选的，所述微沟槽结构采用激光加工，且所述步骤s2具体包括：将线束缠绕填充材料先缠绕填充至所述微沟槽结构内，再缠绕填充在所述外螺纹沟槽内。
8.可选的，所述步骤s1包括步骤：s11、保持激光光源位置固定，并驱动所述螺栓套转动，以在所述外螺纹沟槽的表面加工出单圈微沟槽结构；s12、相对所述激光光源将所述螺栓套轴向移动一段距离后，重复步骤s11，直至在
整个所述螺栓套的所述外螺纹沟槽的表面间隔加工出多个所述单圈微沟槽结构。
9.可选的，所述激光光源为激光器，所述激光器发射的激光脉冲宽度为10fs~连续，激光波长为100 nm~10.6μm，激光功率为0.1 w~5000w，重复频率为1 hz~50 mhz。
10.可选的，步骤s11中，将所述螺栓套装夹在激光旋转加工平台上，所述激光旋转加工平台的转速为1rpm ~360 rpm，旋转圈数为1圈~500圈，所述单圈微沟槽结构的槽宽为1μm~ 500μm，槽深为1μm~ 500μm。
11.可选的，步骤s12中，所述激光旋转加工平台安装在直线移动平台上，每加工出一个所述单圈微沟槽结构，所述直线移动平台将所述激光旋转加工平台沿所述螺栓套的轴向移动10μm~1000μm。
12.可选的，所述微沟槽结构采用激光加工，且所述步骤s1包括：保持激光光源位置固定，转动所述螺栓套的同时驱动所述螺栓套轴向移动，以在所述外螺纹沟槽的表面加工出连续螺旋状微沟槽结构。
13.可选的，步骤s1中，将所述螺栓套装夹在激光旋转加工平台上，所述激光旋转加工平台安装在直线移动平台上；所述激光旋转加工平台的转速为1rpm ~360 rpm，所述直线移动平台以5 mm/s的速度匀速驱动所述激光旋转加工平台移动；所述连续螺旋状微沟槽结构的槽宽为1μm~ 500μm，槽深为1μm~ 500μm。
14.可选的，还包括步骤：s3、采用树脂预埋所述螺栓套，并利用真空压力使所述树脂填充进微沟槽结构和所述外螺纹沟槽。
15.可选的，所述螺栓套为碳钢螺栓套、不锈钢螺栓套或铜螺栓套。
16.可选的，所述线束缠绕填充材料为连续玻璃纤维束、连续碳纤维束或粗砂。
17.本发明还提出一种基于上述风电叶片根部连接用螺栓套的预埋强度提升方法制造的风电叶片根部连接用螺栓套，其特征在于，螺栓套的外表面设置有外螺纹沟槽；所述外螺纹沟槽的表面设置有所述微沟槽结构，所述微沟槽结构包括连续螺旋状微沟槽结构或多个间隔分布的环状微沟槽结构。
18.可选的，所述螺栓套为碳钢螺栓套、不锈钢螺栓套或铜螺栓套。
19.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明提出的风电叶片根部连接用螺栓套的预埋强度提升方法，通过在传统风机叶片预埋用螺栓套的宏观外螺纹沟槽结构表面加工出微观沟槽结构，可以使得线束缠绕填充材料在缠绕填充宏观外螺纹沟槽时，进一步填充至微观沟槽结构内，从而在保障螺栓套强度的前提下，增大了由线束缠绕填充材料形成的外部沟槽缠绕层与螺栓套之间的连接强度和疲劳强度，在螺栓套预埋时，便可以满足目前叶片大型化带来的日益增大的叶片根部连接载荷需求。
20.此外，本发明通过旋转激光加工平台在螺栓套外螺纹沟槽表面加工出微观沟槽结构，并可根据不同螺栓套外螺纹沟槽结构进行不同尺寸与分布的微观沟槽结构加工，工艺可操作性强，自动化程度高，生产效率高，适用范围广。
21.在本发明提出的一些技术方案中，通过加压树脂预埋螺栓套时，在螺栓套预埋成型后，树脂也可进一步填充到加工的微沟槽结构内。通过螺栓套外表面加工出的宏微观结合的沟槽结构，经过线束材料缠绕及预埋成型后，线束及树脂均可同时填充在宏、微观沟槽
结构内，大大增强了预埋螺栓套的连接及疲劳强度。
22.本发明提出的风电叶片根部连接用螺栓套，具有宏观的外螺纹沟槽和设置于外螺纹沟槽表面的微沟槽结构，实现了宏微观沟槽结构的结合，经过线束材料缠绕及预埋成型后，线束及树脂均可同时填充在宏观的外螺纹沟槽和微沟槽结构内，有效增强了预埋螺栓套的连接及疲劳强度，突破了传统螺栓套中外螺纹沟槽的槽深限制螺栓套与外部沟槽缠绕层之间连接强度的技术瓶颈。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例所公开的宏微观沟槽结构结合的风电叶片根部连接用螺栓套的结构示意图；图2为本发明实施例所公开的风电叶片根部连接用螺栓套的预埋完成后的截面示意图。
25.其中，附图标记为：1、螺栓套；11、外螺纹沟槽；12、微沟槽结构；2、线束缠绕填充材料；3、树脂。
具体实施方式
26.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。
27.本发明的目的之一是提供一种风电叶片根部连接用螺栓套的预埋强度提升方法，其通过提升螺栓套与外部沟槽缠绕层之间的连接强度，来解决现有螺栓套无法满足叶片大型化带来的日益增大的叶片根部连接载荷需求的问题。
28.本发明的另一目的还在于提供一种风电叶片根部连接用螺栓套，其通过宏微观沟槽结构的结合，来解决现有螺栓套无法满足叶片大型化带来的日益增大的叶片根部连接载荷需求的问题。
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
30.实施例一如图1所示，本实施例提供一种风电叶片根部连接用螺栓套的预埋强度提升方法，主要包括步骤：s1、在螺栓套1的外螺纹沟槽11的表面加工微沟槽结构12；s2、在微沟槽结构12和外螺纹沟槽11内缠绕线束缠绕填充材料2进行填充。实际操
作中，一般是将线束缠绕填充材料2先缠绕填充至微沟槽结构12内，再缠绕填充在外螺纹沟槽11内，从而形成预埋螺栓根部预制件；本实施例中，在步骤s2之后，还可进行步骤s3，即采用树脂3预埋步骤s2中形成的预埋螺栓根部预制件，预埋螺栓根部预制件在预埋成型时，可利用真空压力使树脂3填充进微沟槽结构12和外螺纹沟槽11。实际操作中，步骤s3的操作可如下：在叶片模具内部铺放叶片纤维增强体（比如纤维预浸料），安放步骤s2制备好的预埋螺栓根部预制件，铺放上层的叶片纤维增强体（比如纤维预浸料），最后建立导流和真空系统，利用真空灌注工艺导入树脂，树脂浸透纤维，并填充进微沟槽结构12和外螺纹沟槽11，树脂冷却成型后预埋螺栓根部预制件与叶片根部形成一个整体。
31.本实施例中，微沟槽结构12采用激光加工，主要包括步骤：s11、保持激光光源位置固定，并驱动螺栓套1绕螺栓套1的轴线自转，以在外螺纹沟槽11的表面加工出单圈微沟槽结构；s12、相对激光光源将螺栓套1轴向移动一段距离后，重复上述步骤s11，直至在整个螺栓套1的外螺纹沟槽11的表面间隔加工出多个单圈微沟槽结构。
32.本实施例中，激光光源优选为激光器，激光器发射的激光脉冲宽度为10fs~连续，激光波长为100 nm~10.6μm，激光功率为0.1 w~5000w，重复频率为1 hz~50 mhz。
33.本实施例中，步骤s11中，将螺栓套1装夹在激光旋转加工平台上，激光旋转加工平台的转速为1rpm ~360 rpm，旋转圈数为1圈~500圈，每个单圈微沟槽结构的槽宽为1μm~ 500μm，槽深为1μm~ 500μm。
34.本实施例中，步骤s12中，激光旋转加工平台安装在直线移动平台上，每加工出一个单圈微沟槽结构，直线移动平台将激光旋转加工平台沿螺栓套1的轴向移动10μm~1000μm。作为优选方式，直线移动平台可为丝杆滑块机构、电动伸缩杆或液压缸，以直线移动平台为丝杆滑块机构为例，其包括丝杆、与丝杆螺纹连接的螺母滑块以及与螺母滑块滑动配合的导轨，丝杆一端连接驱动电机，激光旋转加工平台安装在螺母滑块上，驱动电机驱动丝杆转动，可带动螺母滑块沿导轨直线移动。实际操作中，优选任意相邻两个单圈微沟槽结构之间的轴向间隔是相同的，即直线移动平台每次将激光旋转加工平台轴向移动相同的距离。其中，激光旋转加工平台为常规具有旋转功能的加工平台，常见的有由电机驱动的转轴、由电机驱动的转盘等，螺栓套1装夹在转轴或转盘上。
35.本实施例中，螺栓套1的材质优选为碳钢、不锈钢或铜等其他风机叶片预埋螺栓套常用材质。
36.本实施例中，线束缠绕填充材料2优选为连续玻璃纤维束、连续碳纤维束或粗砂等风机叶片复合材料常用的增强材料。
37.本实施例中，风机叶片材质为玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂或玻璃纤维增强环氧树脂等其他风机叶片常用材质。
38.下面结合两个具体示例，对本实施例上述风电叶片根部连接用螺栓套的强度提升方法作具体实施方式以及实施原理说明。
39.示例一、利用激光器在螺栓套1的外螺纹沟槽11的表面设置间隔分布的环状微沟槽，主要包括：
步骤s1、在螺栓套1的外螺纹沟槽11的表面加工微沟槽结构12，主要包括如下步骤：步骤s11、将螺栓套1装夹在激光旋转加工平台上，调整激光器的激光焦距使光斑聚焦在螺栓套1外表面的轴向一端，设置激光器发射的激光波长为1030 nm、脉宽（即脉冲宽度）为200 fs、激光功率为20 w、重复频率为100khz；启动激光器，同时激光旋转加工平台以10 rpm的转速带动螺栓套1进行旋转5圈数后，关闭激光器，在螺栓套1的外螺纹沟槽11表面上加工出一圈槽宽为20 μm、槽深为30 μm的微沟槽结构12；步骤s12、启动直线移动平台的驱动电机，使其带动激光旋转加工平台以及其上的螺栓套1，相对固定位置的激光器沿螺栓套1的轴向移动，以使光斑向螺栓套1的轴向另一端移动50 μm，重复执行步骤s11中“启动激光器，同时激光旋转加工平台以10 rpm的转速带动螺栓套1进行旋转5圈数后，关闭激光器，在螺栓套1的外螺纹沟槽11表面上加工出一圈槽宽为20 μm、槽深为30 μm的微沟槽结构12”操作，加工出另一圈槽宽为20 μm、槽深为30 μm的微沟槽结构12；重复循环步骤s12，直至螺栓套1的外螺纹沟槽11表面每轴向间隔25 μm分布一槽宽为20 μm、槽深为30 μm的微沟槽结构12；步骤s2、采用碳纤维束对激光加工好的螺栓套1进行缠绕填充，使得螺栓套1表面的外螺纹沟槽11和微沟槽结构12内都填充有碳纤维束；步骤s3、使用merican3311a环氧树脂进行传统的预埋螺栓工艺操作，螺栓套1在预埋成型时，可利用真空压力使树脂3填充进微沟槽结构12和外螺纹沟槽11，从而获得高性能的叶片根部预埋螺栓件。
40.示例二、利用激光器在螺栓套1的外螺纹沟槽11的表面设置间隔分布的环状微沟槽，主要包括：步骤s1、在螺栓套1的外螺纹沟槽11的表面加工微沟槽结构12，主要包括如下步骤：步骤s11、将螺栓套1装夹在激光旋转加工平台上，调整激光器的激光焦距使光斑聚焦在螺栓套1外表面的轴向一端，设置激光器发射的激光波长为1064nm、脉宽（即脉冲宽度）为10 ns、激光功率为50 w、重复频率为1000khz；启动激光器，同时激光旋转加工平台以30 rpm的转速带动螺栓套1进行旋转20圈数后，关闭激光器，在螺栓套1的外螺纹沟槽11表面上加工出一圈槽宽为50 μm、槽深为90 μm的微沟槽结构12；步骤s12、启动直线移动平台的驱动电机，使其带动激光旋转加工平台以及其上的螺栓套1，相对固定位置的激光器沿螺栓套1的轴向移动，以使光斑向螺栓套1的轴向另一端移动80 μm，重复执行步骤s11中“启动激光器，同时激光旋转加工平台以30 rpm的转速带动螺栓套1进行旋转20圈数后，关闭激光器，在螺栓套1的外螺纹沟槽11表面上加工出一圈槽宽为50 μm、槽深为90 μm的微沟槽结构12”操作，加工出另一圈槽宽为50 μm、槽深为90 μm的微沟槽结构12；重复循环步骤s12，直至螺栓套1的外螺纹沟槽11表面每轴向间隔80 μm分布一槽宽为50 μm、槽深为90 μm的微沟槽结构12；步骤s2、采用玻璃纤维束对激光加工好的螺栓套1进行缠绕填充，使得螺栓套1表面的外螺纹沟槽11和微沟槽结构12内都填充有玻璃纤维束；步骤s3、使用merican3311b环氧树脂进行传统的预埋螺栓工艺操作，螺栓套1在预埋成型时，可利用真空压力使树脂3填充进微沟槽结构12和外螺纹沟槽11，从而获得高性能
的叶片根部预埋螺栓件。
41.综上所述，本技术方案公开的风电叶片根部连接用螺栓套的预埋强度提升方法，实质也为一种超大风机叶片根部螺栓套高强连接激光制备方法，首先通过激光在预埋螺栓套的外螺纹沟槽表面上加工出微沟槽结构，从而在螺栓套外表面获得宏微观沟槽结合的复合沟槽结构。再使用叶片复材增强基体（即线束缠绕填充材料）对螺栓套缠绕填平，复合沟槽内即可全部缠绕进复材增强基体，从而增强了螺栓套与外部沟槽缠绕层之间的连接强度，进而提升了螺栓套与叶片根部基体的连接强度。螺栓套预埋成型时，树脂基体在真空压力的作用下，可填充至复合沟槽缠绕孔隙内，从而进一步增加了螺栓套与叶片根部基体的连接强度和疲劳强度。本技术方案的超大风机叶片根部螺栓套高强连接激光制备方法，工艺设计合理、可操作性强、适用范围广，可有效解决螺栓套与叶片根部连接强度低、抗疲劳性能差、螺栓套拔出等问题，可实现超大风机叶片高负荷、长时间安全运行。
42.实施例二本实施例提出一种风电叶片根部连接用螺栓套的预埋强度提升方法，其与实施例一的区别在于，本实施例的步骤s1中，微沟槽结构12采用激光加工，且具体的步骤s1为：保持激光光源位置固定，转动螺栓套1的同时驱动螺栓套1轴向移动，以在外螺纹沟槽11的表面加工出连续螺旋状微沟槽结构，即相对实施例一的间断式环形微沟槽结构，本实施例的微沟槽结构12为连续螺旋线。
43.作为优选方式，上述步骤s1中，将螺栓套1装夹在激光旋转加工平台上，激光旋转加工平台安装在直线移动平台上；直线移动平台可为丝杆滑块机构、电动伸缩杆或液压缸，以直线移动平台为丝杆滑块机构为例，其包括丝杆、与丝杆螺纹连接的螺母滑块以及与螺母滑块滑动配合的导轨，丝杆一端连接驱动电机，激光旋转加工平台安装在螺母滑块上，驱动电机驱动丝杆转动，可带动螺母滑块沿导轨直线移动。实际操作中，激光旋转加工平台的转速优选为1rpm ~360 rpm，直线移动平台则驱动激光旋转加工平台以5 mm/s的速度匀速移动；形成的连续螺旋状微沟槽结构的槽宽为1μm~ 500μm，槽深为1μm~ 500μm。其中，激光旋转加工平台为常规具有旋转功能的加工平台，常见的有由电机驱动的转轴、由电机驱动的转盘等，螺栓套1装夹在转轴或转盘上。
44.下面结合一个具体示例，对本实施例上述风电叶片根部连接用螺栓套的强度提升方法作具体实施方式以及实施原理说明。
45.示例一、利用激光器在螺栓套1的外螺纹沟槽11的表面设置连续螺旋状微沟槽结构，主要包括：步骤s1、在螺栓套1的外螺纹沟槽11的表面加工微沟槽结构12，主要包括如下步骤：将螺栓套1装夹在激光旋转加工平台上，调整激光器的激光焦距使光斑聚焦在螺栓套1外表面的轴向一端，设置激光器发射的激光波长为532 nm、脉宽（即脉冲宽度）为5 ps、激光功率为30 w、重复频率为50khz；启动激光器，同时激光旋转加工平台以20 rpm的转速带动螺栓套1进行旋转，同时，启动直线移动平台的驱动电机，使其带动激光旋转加工平台以及其上的螺栓套1，相对固定位置的激光器沿螺栓套1的轴向，以5 mm/s的速度匀速移动，从而使光斑以5 mm/s的速度匀速向螺栓套1的轴向另一端移动；待光斑从螺栓套1的轴向一端移动至轴向另一端后，关闭激光器，最终使得螺栓套1的宏观外螺纹沟槽11表面分布
着槽宽300 μm、槽深50 μm的连续螺旋状微沟槽结构；步骤s2、采用碳纤维束对激光加工好的螺栓套1进行缠绕填充，使得螺栓套1表面的外螺纹沟槽11和连续螺旋状微沟槽结构内都填充有碳纤维束；步骤s3、使用聚酰胺树脂进行传统的预埋螺栓工艺操作，螺栓套1在预埋成型时，可利用真空压力使树脂3填充进连续螺旋状微沟槽结构和外螺纹沟槽11，从而获得高性能的叶片根部预埋螺栓件。
46.综上所述，本技术方案公开的风电叶片根部连接用螺栓套的预埋强度提升方法，实质也为一种超大风机叶片根部螺栓套高强连接激光制备方法，首先通过激光在预埋螺栓套的外螺纹沟槽表面上加工出连续螺旋状微沟槽结构，从而在螺栓套外表面获得宏微观沟槽结合的复合沟槽结构。再使用叶片复材增强基体（即线束缠绕填充材料）对螺栓套缠绕填平，复合沟槽内即可全部缠绕进复材增强基体，从而增强了螺栓套与外部沟槽缠绕层之间的连接强度，进而提升了螺栓套与叶片根部基体的连接强度。螺栓套预埋成型时，树脂基体在真空压力的作用下，可填充至复合沟槽缠绕孔隙内，从而进一步增加了螺栓套与叶片根部基体的连接强度和疲劳强度。本技术方案的超大风机叶片根部螺栓套高强连接激光制备方法，工艺设计合理、可操作性强、适用范围广，可有效解决螺栓套与叶片根部连接强度低、抗疲劳性能差、螺栓套拔出等问题，可实现超大风机叶片高负荷、长时间安全运行。
47.实施例三本实施例还提出一种风电叶片根部连接用螺栓套1，包括套状基体，套状基体的外表面设置有外螺纹沟槽11，外螺纹沟槽11的表面设置有连续螺旋状微沟槽或多个间隔分布的环状微沟槽。
48.风电叶片根部连接用螺栓套1的材质可为碳钢、不锈钢或铜等其他风机叶片预埋螺栓套常用材质。
49.本技术方案提出的风电叶片根部连接用螺栓套，具有宏观的外螺纹沟槽和设置于外螺纹沟槽表面的微沟槽结构，实现了宏微观沟槽结构的结合，经过线束材料缠绕及预埋成型后，线束及树脂均可同时填充在宏观的外螺纹沟槽和微沟槽结构内，有效增强了预埋螺栓套的连接及疲劳强度，突破了传统螺栓套中外螺纹沟槽的槽深限制螺栓套与外部沟槽缠绕层之间连接强度的技术瓶颈。
50.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
51.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。