[發明專利]一種設有加強層的風電主軸及其加工工藝

有效

• 申請號: 201711236567.9
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN107989885B
• 公開（公告）日: 2023-10-17
• 發明（設計）人: 蘭駒;趙建興;戚振華;楊春
• 申請（專利權）人: 振宏重工（江蘇）股份有限公司
• 主分類號: F16C3/02
• 分類號: F16C3/02;B23P15/14
• 代理公司: 無錫義海知識產權代理事務所(普通合伙) 32247
• 代理人: 杜興

技術領域

本發明涉及風力發電機中主軸加工術領域，具體涉及一種設有加強層的風電主軸及其加工工藝。

背景技術

近年來，由于自然資源的不斷匱乏，人們對于新能源，尤其是清潔能源的開發利用也越來越積極，其中，風力發電因其清潔環保，可再生、無污染、能量大、前景廣等優點，成為世界各國的戰略選擇。

目前，風力發電機的風輪直徑越做越大，重量也在不斷的增加，這樣就造成風機主軸上與風機輪轂相鄰的連接法蘭的尺寸加大，風機主軸的軸徑也相應加大；另外隨著人們對主軸軸承的局部Hertz接觸應力的不斷重視，風力發電機的主軸軸承漸漸傾向于選擇內徑更大的多列單軸承，風機主軸上設置有供風機軸承安裝的軸承安裝環臺，這樣就造成風機主軸承連接法蘭和軸承安裝環臺的直徑較大、而連接法蘭與軸承安裝環臺之間及兩側的直徑較小的復雜結構。這種結構的風電主軸，采用曲軸鍛造工藝難以實現，同時又因合金鋼較難加工，對風機主軸采用整體鍛打而后加工的方法也存在很多難題，雖然出現了分體式的風電主軸，但是兩段分開的主軸會出現徑向跳動更為嚴重的情況。如何在確保風電主軸在具有足夠強度的前提下，將其結構尺寸大幅度的縮小，已成為本領域技術人員有待解決的技術問題。

發明內容

本發明的目的之一是在于，克服現有技術中存在的缺陷，提供一種可大幅度減小風力發電機主軸的結構尺寸，既可以減輕主軸的重量，又可以提高主軸強度的一種設有加強層的風電主軸。

為實現上述目的，本發明的技術方案是設計一種設有加強層的風電主軸，所述風電主軸包括芯軸和套軸，在芯軸與套軸之間設有碳纖維模套層或碳纖維網層，風電主軸設有軸向中心孔，風電主軸的一端設有法蘭盤。

碳纖維是一種含碳量在95％以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內剛”，質量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性。碳纖維兼具碳材料強抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征，碳纖維是一種的力學性能優異的新材料。碳纖維拉伸強度約為2到7GPa，拉伸模量約為200到700GPa。密度約為1.5到2.0克每立方厘米，這除與原絲結構有關外，主要決定于炭化處理的溫度。一般經過高溫3000℃石墨化處理，密度可達2.0克每立方厘。再加上它的重量很輕，它的比重比鋁還要輕，不到鋼的1/4，比強度是鐵的20倍。碳纖維的熱膨脹系數與其它纖維不同，它有各向異性的特點。碳纖維的比熱容一般為7.12。熱導率隨溫度升高而下降平行于纖維方向是負值(0.72到0.90)，而垂直于纖維方向是正值(32到22)。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關，在25℃時，高模量為775，高強度碳纖維為每厘米1500。這使得碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強度和比模量。同鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，碳纖維在物理性能上具有強度大、模量高、密度低、線膨脹系數小等特點，可以稱為新材料之王。因此將其夾持在風力發電機的主軸內部，可以使其抗彎曲，抗扭據的前度得到大幅度的提升。

為了便于將碳纖維絲或碳纖維膜夾持在風電主軸的內部，使其與風電主軸構成一整體結構，優選的技術方案是，在所述芯軸的表面設有軸向凹槽或螺旋凹槽，在芯軸的端部和法蘭的環面上分別設有環形凹槽，環形凹槽內裝配有彈簧漲圈，彈簧漲圈上均布有穿線孔，用碳纖維絲穿過第一彈簧漲圈上的穿線孔，碳纖維絲一端的端部通過系扣卡在第一彈簧漲圈一側的穿線孔外，碳纖維絲的另一端穿過設置在芯軸另一端部的第二彈簧漲圈，再穿過設置在法蘭盤環面上的環形凹槽內的第三彈簧漲圈，并通過系扣卡在第三彈簧漲圈一側的穿線孔外。

為了使得碳纖維絲在風電主軸的內部既可以提高抗彎曲的拉應力，又可以提高抗扭去的剪應力，進一步優選的技術方案還有，所述螺旋凹槽包括若干條左螺旋凹槽和/或若干條右螺旋凹槽，所述碳纖維絲緊密地嵌入在若干條左螺旋凹槽和/或若干條右螺旋凹槽內。由于碳纖維絲是呈螺旋狀的被鑲嵌在凹槽內，碳纖維絲上每一點的受力都可以被分解為軸向的拉應力和切線方向的剪應力。當拉應力與剪應力均得到提高后就可以大幅度的減小風力發電機主軸的結構尺寸，這樣既可以減輕風力發電機主軸的重量，又可以節省原材料。

為了便于碳纖維絲在嵌入凹槽后在芯軸上產生一定的預緊力，優選的技術方案還有，在所述軸端部的環形凹槽為設置在螺母外表面上的凹槽或臺階，螺母與設置在芯軸端部的螺紋段螺紋配合。