制造用于纖維增強結構元件中的組件的方法
【技術領域】
[0001]本發明總的涉及制造大型纖維增強結構元件的技術，特別是涉及使螺栓固定裝置或螺栓固定在纖維增強結構元件中的技術。
【背景技術】
[0002]在本文中，術語纖維增強結構元件被解釋為通用術語，其包括借助纖維而纖維增強的樹脂或塑料基材料制造的任何結構元件，例如由樹脂材料(如聚酯、乙烯基酯、苯酚、環氧樹脂或聚氨酯)制造的玻璃纖維、碳纖維或凱芙拉(kevlar)纖維增強的結構元件。進一步地，結構元件本身可以構成承載元件或支撐元件，如建筑結構的元件、建筑物立面元件、橋、風車的部件、船的部件(如甲板部件)。
[0003]在本文中，術語螺栓固定裝置、螺栓和配件應被解釋為包括諸如螺栓、螺栓的軸、螺母、鉤、帶外螺紋的銷、止動元件(例如壓配合或搭扣配合封閉元件)等等的任何元件的通用術語，其用于與另一固定元件例如相合的或配合的固定元件合作以便固定結構元件，其中結構元件支撐螺栓固定裝置、螺栓或配件，或包括內螺紋的配件，或包括突出的外螺紋部分或用于接收螺栓的螺紋的內螺紋的不同地構造的主體。
[0004]行業內，纖維增強結構元件的使用已在過去的幾十年中迅速增加，這基本上是由在風車行業內成功地使用這些元件所引起。除了風車部件如風車的葉片之外，纖維增強結構元件還在房屋建筑業和造船業內甚至在傳統上使用金屬結構的某些技術領域中獲得了成功。作為例子，在化學工業或鍍鋅和鋅涂層工業中，由于過度的腐蝕影響，傳統的金屬結構常常具有比較短的使用壽命，而包括容器、樓梯、支撐元件等等的纖維增強結構元件可以經受暴露于腐蝕性環境而沒有任何顯著程度的劣化或毀壞。
[0005]在下面的專利申請和專利中描述了結構元件和使各種部件固定在結構元件內的技術的例子，參考這些專利申請和專利并且其中的美國專利在此并入本申請中作為參考。參考文獻包括:EP0170886, EP1467853，US4892462，US4339230，US4278401，FR2758594，FR2670956，US5664820，US3372073，US7357725，GB2119472 和 DE 19625426。
[0006]申請人公司已經認識到，使螺栓固定裝置、螺栓和/或配件嵌入和固定在纖維增強元件內的技術可能施加某些問題，特別是就螺栓固定裝置、螺栓或配件的正確和精確的定位而言。盡管常規技術已經涉及螺栓固定裝置、螺栓或配件在纖維增強結構元件內的簡單定位以在生產過程中被機加工、擠壓或拉擠，但申請人公司已經認識到這個常規的和簡單的技術不容許螺栓固定裝置、螺栓或配件以業界內所需的必要精度定位并且對用于結構元件制造的纖維增強技術的進一步的商業開發存在強制性規定。

【發明內容】

[0007]本發明的目的是提供一種新穎技術，其容許螺栓、螺栓固定裝置或配件在預定位置或地方且以行業內可接受的精度簡單且精確地定位在纖維增強結構元件內，所述行業包括房屋建筑、造船和風車行業，所述精度例如為特定螺栓、螺栓固定裝置或配件的位置的+/-1mm偏差或甚至更低的偏差，如+/-0.5毫米的偏差。
[0008]本發明的一個特征是，根據本發明的新穎技術改善了通過螺栓固定裝置、螺栓或配件朝向和來自纖維增強結構元件的力和沖擊的傳遞，從而容許減小纖維增強結構的尺寸，即減少了纖維增強結構的重量或在替代方案中減少了用于纖維增強結構元件的材料。
[0009]本發明的另一特征是，根據本發明的方法和技術容許將螺栓固定裝置、螺栓或配件位于特定位置且固定在堅固且高承載的殼體中的纖維增強結構元件內。
[0010]本發明的一個特別優點是，將螺栓固定裝置、螺栓或配件定位和固定在纖維增強結構元件內的新技術容許使用高承載殼體以定位螺栓固定裝置、螺栓或配件，并使螺栓固定裝置、螺栓或配件容易地定位在通過對支撐螺栓固定裝置、螺栓或固定裝置的承載殼體特別地進行構形而產生的特定幾何構形或形狀內。
[0011]關于已知的螺栓固定裝置組件和螺栓組件，其包括芯部、附接到芯部的螺栓或螺栓固定裝置和覆蓋芯部和螺栓或螺栓固定裝置的纖維增強材料的殼體，申請人公司已經注意到，非常高的應力發生在芯部和螺栓或螺栓固定裝置之間的最外徑向交界面處。因此，本發明的另一目標是提供一種用于制造纖維增強螺栓固定裝置組件的新穎技術，其在應力最高的位置處具有增大的結構強度。
[0012]此外，申請人公司是用于其中一些已在上面提到的許多不同行業中的無數應用的螺栓固定裝置組件或螺栓組件的制造者。通常，每個不同的應用都需要大量的螺栓固定裝置組件，其形成具有不同形狀的固定組件以便配合將會接收螺栓固定裝置的纖維增強結構元件的特定外形，例如，風力發電設備的葉片可能需要具有翼型(aerofoil)形狀的固定組件。這種不標準的形狀需要經常調換擠出機頭等等，其是非常昂貴的。因此本發明的又一個目標是提供一種容許通過使用多個標準組件構造特定的不標準的固定組件的新穎技術。
[0013]根據本發明的第一方面，上述目標、上述特征及上述優點連同根據本發明下面的詳細描述顯而易見的許多其他目標、優點和特征是通過制造用于纖維增強結構元件中的組件的方法而得到的，所述方法包括以下步驟:
[0014]i)提供長型芯部元件，長型芯部元件包括第一材料的內芯部，和，沿圓周包圍內芯部且由第二材料制成的罩套，第二材料是與纖維增強結構元件的材料相容的纖維增強材料，長型芯部元件具有端部，端部具有圓錐形的或部分圓錐形的形狀，如截頭圓錐形狀，端部限定了露出內芯部的中心端面和包圍中心端面并露出罩套的周向端面，
[0015]ii)提供螺栓固定裝置或螺栓，其包括具有圓錐形或部分圓錐形狀例如截頭圓錐形狀的端部凹部，端部凹部與長型芯部元件的端部相合，
[0016]iii )通過關于螺栓固定裝置或螺栓的端部凹部接收和定心芯部元件的端部來制造子組件，
[0017]iv )通過將子組件拉過拉擠成型機，通過用增強纖維和樹脂沿周向覆蓋子組件和通過加熱和固化樹脂以使樹脂和增強纖維一起提供沿周向包圍子組件的殼體，使螺栓固定裝置或螺栓在擠壓成型工藝中固定到芯部元件的端部，或可替代地通過粘附到在單獨的拉擠成型工藝中制造的殼體而固定子組件，和
[0018]V )機加工被沿周向包圍在增強纖維和固化樹脂的殼體內的子組件以提供包括長型芯部元件和螺栓固定裝置或螺栓的組件。
[0019]組件可以是螺栓固定裝置組件或螺栓組件，并且通常用于將纖維增強結構元件連接到另一個結構元件，例如將纖維增強葉片連接到風力發電設備的轂。根據本發明的基本教導，長型芯部元件包括:內芯部，優選地由軟且輕的材料構成，其預先安置在由纖維增強材料構成的罩套內，其優選地以拉擠成型工藝制成。個體螺栓固定裝置或螺栓安置在螺栓固定裝置組件或螺栓組件內的殼體中。組件本身包括長型芯部元件，長型芯部元件相對于螺栓固定裝置或螺栓被精確地定位并且在單獨的制造工藝步驟中在拉擠成型工藝中固定到螺栓固定裝置或螺栓。可替代地，殼體可以是在單獨的工藝中附接到長型芯部元件和螺栓或螺栓固定裝置的單獨部件。殼體和罩套優選地均由相同的第二材料構成，該第二材料是纖維增強材料。如將在下面更詳細地描述的，使用拉擠成型工藝制造螺栓固定裝置、螺栓或配件組件容許螺栓固定裝置、螺栓或配件組件被以特定度量的構形制造，促進或確保了個體螺栓固定裝置、螺栓或配件在最終的纖維增強結構元件內的計劃定位。由于用于相對于個體螺栓固定裝置、螺栓或配件組件內的芯部元件固定螺栓固定裝置、螺栓或配件的拉擠成型工藝，螺栓固定裝置、螺栓或配件組件的制造還確保了個體螺栓固定裝置、螺栓或配件的必要的承載能力。此外，為了實現組件和纖維增強元件之間的相容的從而強的結合，組件通常優選地使用相容的樹脂被模制成纖維增強元件的對應的空腔。
[0020]內芯部元件可以例如通過鑄造、機加工等由與纖維增強結構元件的材料相容的材料預制，這意味著用于內芯部元件的材料和用于子組件的外殼的拉擠成型工藝的纖維和樹脂可與纖維增強結構元件的材料機械地、結構地和化學地結合。螺栓固定裝置組件或螺栓組件應該由與殼體和內芯部相容的材料制造，并且另外顯示出改進的強度和承載能力。有利地，相同的材料可以用于螺栓固定裝置組件或螺栓組件的制造和用于纖維增強結構元件的其余部分。
[0021]假如使用非預制的內芯部元件，則根據本發明的方法優選地包括提供連續的長型內芯部元件主體的步驟。然后優選地可以在單獨的拉擠成型工藝中施加罩套，從而所得到的長型芯部元件可以被切割成適當的長度并被機加工以使得它顯示出圓錐形端部。長型芯部元件的長度應足以容許與結構元件接觸的大的接觸和結合表面。
[0022]由于長型芯部元件的承載屬性被提供給罩套的大部分，所以長型芯部元件的端部的圓錐形狀可以是部分圓錐形的，如截頭圓錐形。因而中心端面可以是基本上平坦的。因此，螺栓固定裝置或螺栓的端部凹部的內表面應接觸端部的周向端面以使得施加到子組件的任何彎曲力將被罩套而不是內芯部吸收。應該理解，周向端面還構成罩套的端面。因而在長型芯部和螺栓或螺栓固定裝置之間的最外徑向交界面位于周向端面，因而容許罩套吸收施加到最外徑向交界面的高應力，其中所述最外徑向交界面是應力最高的位置。
[0023]假如長型芯部元件構形成包括圓錐形端部，如構形成用于接收螺栓固定裝置或螺栓的配件，則可以容易地實現將一個螺栓固定裝置或螺栓定心和安裝在長型芯部元件的一個端部上的技術。關于這一點，應當理解的是，術語螺栓固定裝置和螺栓被用作通用術語，其包括元件如螺栓本身的軸，包括內螺紋或不同地構形的主體的配件，該主體包括突出的外螺紋部分或用于接收螺栓的螺紋的內螺紋。螺栓固定裝置或螺栓具有圓錐形凹部，其對應于或匹配長型芯部的圓錐形端部以使得螺栓的螺栓固定裝置可以被以穩定和可靠的方式定心和接收在圓錐形端部。
[0024]子組件，其被理解為圍繞長型芯部和螺栓或螺栓固定裝置，被引導通過如上所述的拉擠成型工藝以便永久地固定長型芯部和螺栓或螺栓固定裝置。
[0025]根據第一方面的進一步的實施方式，端部限定了軸向距離和徑向距離，軸向距離比徑向距離小。通過使用限定了比徑向距離大的軸向距離的端部，圓錐形端部例如通過使用部分圓錐形狀(如截頭圓錐形狀)將呈現變平的形狀。以這種方式，與使用大的軸向距離相比，內芯部將較少地暴露，所述大的軸向距離將容許在芯部的最外軸向位置具有非常尖銳的角度，然而其將會是非常脆的。
[0026]根據第一方面的進一步的實施方式，第一材料比第二材料軟和/或輕，第一材料優選地是輕木(balsa wood)或發泡聚合物材料，如發泡F1U (聚氨醋)，發泡PVC (聚氯乙稀)或發泡PE(聚乙烯)。為了減小組件的重量，內芯部的第一材料應當優選地是輕的。由于組件的結構強度，即特別是在螺栓或螺栓固定裝置和結構元件之間的載荷力的傳遞，由罩套和殼體承載，所以第二材料也可以是軟的。滿足上述要求且另外與許多纖維和樹脂相容的典型材料是輕木。
[0027]根據本發明的第二方面，上述目