制造用于纤维增强结构元件中的组件的方法
【技术领域】
[0001]本发明总的涉及制造大型纤维增强结构元件的技术，特别是涉及使螺栓固定装置或螺栓固定在纤维增强结构元件中的技术。
【背景技术】
[0002]在本文中，术语纤维增强结构元件被解释为通用术语，其包括借助纤维而纤维增强的树脂或塑料基材料制造的任何结构元件，例如由树脂材料(如聚酯、乙烯基酯、苯酚、环氧树脂或聚氨酯)制造的玻璃纤维、碳纤维或凯芙拉(kevlar)纤维增强的结构元件。进一步地，结构元件本身可以构成承载元件或支撑元件，如建筑结构的元件、建筑物立面元件、桥、风车的部件、船的部件(如甲板部件)。
[0003]在本文中，术语螺栓固定装置、螺栓和配件应被解释为包括诸如螺栓、螺栓的轴、螺母、钩、带外螺纹的销、止动元件(例如压配合或搭扣配合封闭元件)等等的任何元件的通用术语，其用于与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结构元件，其中结构元件支撑螺栓固定装置、螺栓或配件，或包括内螺纹的配件，或包括突出的外螺纹部分或用于接收螺栓的螺纹的内螺纹的不同地构造的主体。
[0004]行业内，纤维增强结构元件的使用已在过去的几十年中迅速增加，这基本上是由在风车行业内成功地使用这些元件所引起。除了风车部件如风车的叶片之外，纤维增强结构元件还在房屋建筑业和造船业内甚至在传统上使用金属结构的某些技术领域中获得了成功。作为例子，在化学工业或镀锌和锌涂层工业中，由于过度的腐蚀影响，传统的金属结构常常具有比较短的使用寿命，而包括容器、楼梯、支撑元件等等的纤维增强结构元件可以经受暴露于腐蚀性环境而没有任何显著程度的劣化或毁坏。
[0005]在下面的专利申请和专利中描述了结构元件和使各种部件固定在结构元件内的技术的例子，参考这些专利申请和专利并且其中的美国专利在此并入本申请中作为参考。参考文献包括:EP0170886, EP1467853，US4892462，US4339230，US4278401，FR2758594，FR2670956，US5664820，US3372073，US7357725，GB2119472 和 DE 19625426。
[0006]申请人公司已经认识到，使螺栓固定装置、螺栓和/或配件嵌入和固定在纤维增强元件内的技术可能施加某些问题，特别是就螺栓固定装置、螺栓或配件的正确和精确的定位而言。尽管常规技术已经涉及螺栓固定装置、螺栓或配件在纤维增强结构元件内的简单定位以在生产过程中被机加工、挤压或拉挤，但申请人公司已经认识到这个常规的和简单的技术不容许螺栓固定装置、螺栓或配件以业界内所需的必要精度定位并且对用于结构元件制造的纤维增强技术的进一步的商业开发存在强制性规定。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种新颖技术，其容许螺栓、螺栓固定装置或配件在预定位置或地方且以行业内可接受的精度简单且精确地定位在纤维增强结构元件内，所述行业包括房屋建筑、造船和风车行业，所述精度例如为特定螺栓、螺栓固定装置或配件的位置的+/-1mm偏差或甚至更低的偏差，如+/-0.5毫米的偏差。
[0008]本发明的一个特征是，根据本发明的新颖技术改善了通过螺栓固定装置、螺栓或配件朝向和来自纤维增强结构元件的力和冲击的传递，从而容许减小纤维增强结构的尺寸，即减少了纤维增强结构的重量或在替代方案中减少了用于纤维增强结构元件的材料。
[0009]本发明的另一特征是，根据本发明的方法和技术容许将螺栓固定装置、螺栓或配件位于特定位置且固定在坚固且高承载的壳体中的纤维增强结构元件内。
[0010]本发明的一个特别优点是，将螺栓固定装置、螺栓或配件定位和固定在纤维增强结构元件内的新技术容许使用高承载壳体以定位螺栓固定装置、螺栓或配件，并使螺栓固定装置、螺栓或配件容易地定位在通过对支撑螺栓固定装置、螺栓或固定装置的承载壳体特别地进行构形而产生的特定几何构形或形状内。
[0011]关于已知的螺栓固定装置组件和螺栓组件，其包括芯部、附接到芯部的螺栓或螺栓固定装置和覆盖芯部和螺栓或螺栓固定装置的纤维增强材料的壳体，申请人公司已经注意到，非常高的应力发生在芯部和螺栓或螺栓固定装置之间的最外径向交界面处。因此，本发明的另一目标是提供一种用于制造纤维增强螺栓固定装置组件的新颖技术，其在应力最高的位置处具有增大的结构强度。
[0012]此外，申请人公司是用于其中一些已在上面提到的许多不同行业中的无数应用的螺栓固定装置组件或螺栓组件的制造者。通常，每个不同的应用都需要大量的螺栓固定装置组件，其形成具有不同形状的固定组件以便配合将会接收螺栓固定装置的纤维增强结构元件的特定外形，例如，风力发电设备的叶片可能需要具有翼型(aerofoil)形状的固定组件。这种不标准的形状需要经常调换挤出机头等等，其是非常昂贵的。因此本发明的又一个目标是提供一种容许通过使用多个标准组件构造特定的不标准的固定组件的新颖技术。
[0013]根据本发明的第一方面，上述目标、上述特征及上述优点连同根据本发明下面的详细描述显而易见的许多其他目标、优点和特征是通过制造用于纤维增强结构元件中的组件的方法而得到的，所述方法包括以下步骤:
[0014]i)提供长型芯部元件，长型芯部元件包括第一材料的内芯部，和，沿圆周包围内芯部且由第二材料制成的罩套，第二材料是与纤维增强结构元件的材料相容的纤维增强材料，长型芯部元件具有端部，端部具有圆锥形的或部分圆锥形的形状，如截头圆锥形状，端部限定了露出内芯部的中心端面和包围中心端面并露出罩套的周向端面，
[0015]ii)提供螺栓固定装置或螺栓，其包括具有圆锥形或部分圆锥形状例如截头圆锥形状的端部凹部，端部凹部与长型芯部元件的端部相合，
[0016]iii )通过关于螺栓固定装置或螺栓的端部凹部接收和定心芯部元件的端部来制造子组件，
[0017]iv )通过将子组件拉过拉挤成型机，通过用增强纤维和树脂沿周向覆盖子组件和通过加热和固化树脂以使树脂和增强纤维一起提供沿周向包围子组件的壳体，使螺栓固定装置或螺栓在挤压成型工艺中固定到芯部元件的端部，或可替代地通过粘附到在单独的拉挤成型工艺中制造的壳体而固定子组件，和
[0018]V )机加工被沿周向包围在增强纤维和固化树脂的壳体内的子组件以提供包括长型芯部元件和螺栓固定装置或螺栓的组件。
[0019]组件可以是螺栓固定装置组件或螺栓组件，并且通常用于将纤维增强结构元件连接到另一个结构元件，例如将纤维增强叶片连接到风力发电设备的毂。根据本发明的基本教导，长型芯部元件包括:内芯部，优选地由软且轻的材料构成，其预先安置在由纤维增强材料构成的罩套内，其优选地以拉挤成型工艺制成。个体螺栓固定装置或螺栓安置在螺栓固定装置组件或螺栓组件内的壳体中。组件本身包括长型芯部元件，长型芯部元件相对于螺栓固定装置或螺栓被精确地定位并且在单独的制造工艺步骤中在拉挤成型工艺中固定到螺栓固定装置或螺栓。可替代地，壳体可以是在单独的工艺中附接到长型芯部元件和螺栓或螺栓固定装置的单独部件。壳体和罩套优选地均由相同的第二材料构成，该第二材料是纤维增强材料。如将在下面更详细地描述的，使用拉挤成型工艺制造螺栓固定装置、螺栓或配件组件容许螺栓固定装置、螺栓或配件组件被以特定度量的构形制造，促进或确保了个体螺栓固定装置、螺栓或配件在最终的纤维增强结构元件内的计划定位。由于用于相对于个体螺栓固定装置、螺栓或配件组件内的芯部元件固定螺栓固定装置、螺栓或配件的拉挤成型工艺，螺栓固定装置、螺栓或配件组件的制造还确保了个体螺栓固定装置、螺栓或配件的必要的承载能力。此外，为了实现组件和纤维增强元件之间的相容的从而强的结合，组件通常优选地使用相容的树脂被模制成纤维增强元件的对应的空腔。
[0020]内芯部元件可以例如通过铸造、机加工等由与纤维增强结构元件的材料相容的材料预制，这意味着用于内芯部元件的材料和用于子组件的外壳的拉挤成型工艺的纤维和树脂可与纤维增强结构元件的材料机械地、结构地和化学地结合。螺栓固定装置组件或螺栓组件应该由与壳体和内芯部相容的材料制造，并且另外显示出改进的强度和承载能力。有利地，相同的材料可以用于螺栓固定装置组件或螺栓组件的制造和用于纤维增强结构元件的其余部分。
[0021]假如使用非预制的内芯部元件，则根据本发明的方法优选地包括提供连续的长型内芯部元件主体的步骤。然后优选地可以在单独的拉挤成型工艺中施加罩套，从而所得到的长型芯部元件可以被切割成适当的长度并被机加工以使得它显示出圆锥形端部。长型芯部元件的长度应足以容许与结构元件接触的大的接触和结合表面。
[0022]由于长型芯部元件的承载属性被提供给罩套的大部分，所以长型芯部元件的端部的圆锥形状可以是部分圆锥形的，如截头圆锥形。因而中心端面可以是基本上平坦的。因此，螺栓固定装置或螺栓的端部凹部的内表面应接触端部的周向端面以使得施加到子组件的任何弯曲力将被罩套而不是内芯部吸收。应该理解，周向端面还构成罩套的端面。因而在长型芯部和螺栓或螺栓固定装置之间的最外径向交界面位于周向端面，因而容许罩套吸收施加到最外径向交界面的高应力，其中所述最外径向交界面是应力最高的位置。
[0023]假如长型芯部元件构形成包括圆锥形端部，如构形成用于接收螺栓固定装置或螺栓的配件，则可以容易地实现将一个螺栓固定装置或螺栓定心和安装在长型芯部元件的一个端部上的技术。关于这一点，应当理解的是，术语螺栓固定装置和螺栓被用作通用术语，其包括元件如螺栓本身的轴，包括内螺纹或不同地构形的主体的配件，该主体包括突出的外螺纹部分或用于接收螺栓的螺纹的内螺纹。螺栓固定装置或螺栓具有圆锥形凹部，其对应于或匹配长型芯部的圆锥形端部以使得螺栓的螺栓固定装置可以被以稳定和可靠的方式定心和接收在圆锥形端部。
[0024]子组件，其被理解为围绕长型芯部和螺栓或螺栓固定装置，被引导通过如上所述的拉挤成型工艺以便永久地固定长型芯部和螺栓或螺栓固定装置。
[0025]根据第一方面的进一步的实施方式，端部限定了轴向距离和径向距离，轴向距离比径向距离小。通过使用限定了比径向距离大的轴向距离的端部，圆锥形端部例如通过使用部分圆锥形状(如截头圆锥形状)将呈现变平的形状。以这种方式，与使用大的轴向距离相比，内芯部将较少地暴露，所述大的轴向距离将容许在芯部的最外轴向位置具有非常尖锐的角度，然而其将会是非常脆的。
[0026]根据第一方面的进一步的实施方式，第一材料比第二材料软和/或轻，第一材料优选地是轻木(balsa wood)或发泡聚合物材料，如发泡F1U (聚氨醋)，发泡PVC (聚氯乙稀)或发泡PE(聚乙烯)。为了减小组件的重量，内芯部的第一材料应当优选地是轻的。由于组件的结构强度，即特别是在螺栓或螺栓固定装置和结构元件之间的载荷力的传递，由罩套和壳体承载，所以第二材料也可以是软的。满足上述要求且另外与许多纤维和树脂相容的典型材料是轻木。
[0027]根据本发明的第二方面，上述目