一種鋼絲纏繞制備儲能飛輪轉(zhuǎn)子環(huán)套的制作方法
【專利摘要】一種鋼絲纏繞制備儲能飛輪轉(zhuǎn)子環(huán)套，屬于一種飛輪儲能部件，采用鋼絲纏繞預(yù)應(yīng)力技術(shù)與復(fù)合材料纖維纏繞成型技術(shù)，將轉(zhuǎn)子輪轂和復(fù)合材料環(huán)套過盈配合組裝成飛輪轉(zhuǎn)子，主要解決輪轂材料強(qiáng)度不夠和輪轂與復(fù)合材料層之間變形協(xié)調(diào)的問題。轉(zhuǎn)子輪轂包括金屬輪轂基體和鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層；所述金屬輪轂基體為圓盤狀或圓柱狀，所述金屬輪轂基體和鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層由內(nèi)向外預(yù)應(yīng)力纏繞緊固，最內(nèi)層為金屬輪轂基體，外層為鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層。本發(fā)明的優(yōu)點在于：改變飛輪轉(zhuǎn)子輪轂的應(yīng)力狀態(tài)，大大提高金屬輪轂的強(qiáng)度，改善輪轂的使用性能，增加飛輪轉(zhuǎn)子的內(nèi)外半徑比，改善輪轂與輪緣的變形協(xié)調(diào)性，提高飛輪儲能的儲能密度，顯著降低轉(zhuǎn)子制造成本。
【專利說明】一種鋼絲纏繞制備儲能飛輪轉(zhuǎn)子環(huán)套
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種飛輪儲能部件，尤其涉及一種用于飛輪儲能系統(tǒng)的高強(qiáng)度、低成本的飛輪轉(zhuǎn)子。
【背景技術(shù)】
[0002]飛輪轉(zhuǎn)子是飛輪儲能系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，選用高抗拉強(qiáng)度的飛輪材料是飛輪電池能夠儲存較多能量的先決條件。為了提高飛輪儲能能力，普遍采用提高轉(zhuǎn)速的方法達(dá)到高儲能的要求。隨著轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)子承受的離心力逐漸增大，當(dāng)轉(zhuǎn)子徑向拉伸力超過輪轂的強(qiáng)度時，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子輪轂破壞。這種局限性限制了儲能飛輪的儲能密度和儲能能量的提高，嚴(yán)重時會導(dǎo)致災(zāi)難性的惡性事故。
[0003]目前，國內(nèi)外研制的轉(zhuǎn)子的主流技術(shù)是以高強(qiáng)度金屬材料為輪轂，采用復(fù)合材料纖維纏繞成型技術(shù)制備復(fù)合材料環(huán)套，將金屬輪轂和復(fù)合材料環(huán)套過盈配合組裝成飛輪轉(zhuǎn)子。由于其復(fù)合材料部分的纖維強(qiáng)度高而使得其儲能密度遠(yuǎn)高于普通的金屬飛輪，因此發(fā)展高強(qiáng)纖維是提高飛輪儲能密度的關(guān)鍵之一。然而纖維纏繞的復(fù)合材料飛輪是各向異性的，所謂復(fù)合材料飛輪強(qiáng)度高實際上是指周向(纖維長度方向)強(qiáng)度高，且直接與纖維強(qiáng)度相關(guān)。對于采用復(fù)合材料輪 緣、合金輪轂結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，其強(qiáng)度最危險點與復(fù)合材料內(nèi)外半徑比有著密切的關(guān)系。內(nèi)外半徑比高，則強(qiáng)度最危險點位于合金輪轂內(nèi)。隨著內(nèi)外半徑比的逐漸減小，合金輪轂的尺寸逐漸減小，應(yīng)力水平逐漸降低，但同時復(fù)合材料增厚，復(fù)合材料的徑向應(yīng)力水平逐漸升高，成本大幅增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，目的在于提供一種抗拉強(qiáng)度高、成本低、使用安全性能的高性能的飛輪轉(zhuǎn)子。采用鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞結(jié)構(gòu)，將鋼絲纏繞轉(zhuǎn)子輪轂和復(fù)合材料環(huán)套過盈配合組裝成飛輪轉(zhuǎn)子，巧妙避免了輪轂與復(fù)合材料層之間變形協(xié)調(diào)和輪轂強(qiáng)度不夠的問題。該轉(zhuǎn)子輪轂為圓盤狀或圓柱狀，包括:金屬輪轂基體和鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層。
[0005]本發(fā)明的方案是:
[0006](I)鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層形成在所述金屬輪轂的外表面，金屬輪轂基體與鋼絲纏繞層采用預(yù)應(yīng)力纏繞而實現(xiàn)緊密連接。其中，所述金屬輪轂基體為高強(qiáng)度鋼、鈦合金或高強(qiáng)鋁合金，金屬輪轂基體為圓盤狀或圓柱狀。其中，所用鋼絲由低合金鋼或碳鋼制成，直徑為Φ?πιπι?6 mm，強(qiáng)度為3000MPa。采用相對于輪轂的母線以小于90度的預(yù)定角度纏繞在所述輪轂上。預(yù)應(yīng)力纏繞后，金屬輪轂的抗拉強(qiáng)度可高達(dá)2800MPa。其中，所述鋼絲纏繞層通過在上述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層的外表面纏繞鋼絲而形成，且所述保護(hù)鋼絲纏繞層的鋼絲張力預(yù)定額定值的張力的10-80%。其中，所述鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層為并行結(jié)構(gòu)，鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層鋼絲的導(dǎo)程等于、大于或小于所述螺旋線的螺距。
[0007](2)復(fù)合材料環(huán)套形成在所述轉(zhuǎn)子輪轂的外表面，轉(zhuǎn)子輪轂與復(fù)合材料環(huán)套采用多環(huán)過盈裝配工藝進(jìn)行組裝，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子徑向有壓縮預(yù)應(yīng)力。其中，所述復(fù)合材料環(huán)套由浸潰過環(huán)氧樹脂或不飽和聚酯樹脂膠液的連續(xù)纖維在張力控制下直接纏繞到轉(zhuǎn)子輪轂上，所述復(fù)合材料為玻璃纖維或碳纖維。
[0008]2012年北京科技大學(xué)郭志猛教授申請了 “一種鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞飛輪轉(zhuǎn)子輪轂”的實用新型CN201220301176.7，采用鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞技術(shù)制備高強(qiáng)度的飛輪轉(zhuǎn)子輪轂。而本發(fā)明在其基礎(chǔ)上將鋼絲纏繞轉(zhuǎn)子輪轂和復(fù)合材料環(huán)套過盈配合組裝成飛輪轉(zhuǎn)子，進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)度，解決了傳統(tǒng)復(fù)合材料環(huán)套直接與金屬輪轂過盈配合組裝成飛輪轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的輪轂與復(fù)合材料層之間變形協(xié)調(diào)和輪轂強(qiáng)度不夠的問題，提高了材料的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本。
[0009]本發(fā)明的有益效果在于:
[0010]采用鋼絲纏繞預(yù)應(yīng)力技術(shù)與復(fù)合材料纖維纏繞成型技術(shù)，將轉(zhuǎn)子輪轂和復(fù)合材料環(huán)套過盈配合組裝成飛輪轉(zhuǎn)子。以金屬基體輪轂、超高強(qiáng)度的鋼絲和復(fù)合材料為原料，結(jié)合鋼絲纏繞預(yù)應(yīng)力技術(shù)制備高強(qiáng)度飛輪轉(zhuǎn)子金屬輪轂、復(fù)合材料纖維纏繞成型技術(shù)制備復(fù)合材料環(huán)套。通過在金屬輪轂基體上預(yù)應(yīng)力纏繞高強(qiáng)度鋼絲層，再將復(fù)合材料環(huán)套與轉(zhuǎn)子輪轂過盈配合成飛輪轉(zhuǎn)子，使飛輪轉(zhuǎn)子輪轂所承受的極限強(qiáng)度提高到3200MPa。此種結(jié)構(gòu)可以改變飛輪轉(zhuǎn)子輪轂的應(yīng)力狀態(tài)，大大提高金屬輪轂的強(qiáng)度，改善輪轂的使用性能，減小整個飛輪系統(tǒng)失效破壞的幾率，實現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)子的可靠性使用。同時，該發(fā)明可有效增加轉(zhuǎn)子的內(nèi)外半徑比，改善輪轂與復(fù)合材料層的變形協(xié)調(diào)性，提高飛輪的儲能密度，減少材料的使用量，顯著降低轉(zhuǎn)子制造成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，其中:
[0012]圖1為本發(fā)明所述飛輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0013]其中，1-金屬輪轂基體，2-鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層，4-復(fù)合材料環(huán)套；
[0014]圖2為本發(fā)明所述飛輪轉(zhuǎn)子的俯視圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的飛輪轉(zhuǎn)子作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0016]實例1:
[0017]如圖1、2所示，本例所述的飛輪轉(zhuǎn)子是由金屬基體輪轂1、鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層2及復(fù)合材料環(huán)套4構(gòu)成的圓盤狀，其中心處為用于與飛輪連接的軸承孔3。在使用時，只需將按照上述結(jié)構(gòu)制成的轉(zhuǎn)子通過軸承孔3安裝在飛輪的軸承上即可。
[0018]所述金屬基體輪轂I可選用現(xiàn)有技術(shù)的超高強(qiáng)度鋼、鈦合金或高強(qiáng)鋁合金，利用纏繞機(jī)將高強(qiáng)度鋼絲正應(yīng)力纏繞在金屬輪轂基體上。在纏繞過程中，為避免由于外層鋼絲的纏繞張力使金屬輪轂基體產(chǎn)生壓縮變形，從而引起內(nèi)層鋼絲張力減小及鋼絲纏繞層松弛現(xiàn)象，采用張力單調(diào)遞減的變張力纏繞工藝，保證每根鋼絲同等強(qiáng)度工作，以期充分發(fā)揮鋼絲的強(qiáng)度潛力。
[0019]所述鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層2可采用現(xiàn)有技術(shù)的鋼絲纏繞預(yù)應(yīng)力技術(shù)，金屬輪轂安放于轉(zhuǎn)盤上，固定在地面上的張力發(fā)生與控制裝置輸出鋼絲，鋼絲隨部件的旋轉(zhuǎn)而逐圈、逐層地纏繞在部件外表面。所述鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞不僅限于Φ Imm?6mm鋼絲,還可包括Φ0.5、ΦΟ.7等型號的超高強(qiáng)度鋼絲。鋼絲的橫截面為帶圓角的矩形、正方形、梯形或圓形。在鋼絲纏繞套環(huán)的最外層光滑平面由環(huán)氧樹脂160?220度高溫固化制得，所制得的鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層的抗拉強(qiáng)度可高達(dá)2800MPa。
[0020]所述復(fù)合材料環(huán)套4可采用復(fù)合材料纖維纏繞成型技術(shù)，利用纏繞機(jī)將浸潰過環(huán)氧樹脂或不飽和聚酯樹脂膠液的連續(xù)纖維在張力控制下直接纏繞到轉(zhuǎn)子輪轂上，纏繞張力穩(wěn)定，纏繞角0° -15°。將復(fù)合材料環(huán)套與轉(zhuǎn)子輪轂過盈配合成飛輪轉(zhuǎn)子，使飛輪轉(zhuǎn)子輪轂所承受的極限強(qiáng)度提高到3200MPa。
[0021]本發(fā)明涉及一種鋼絲纏繞制備儲能飛輪轉(zhuǎn)子環(huán)套。包括高強(qiáng)度金屬輪轂基體、鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層和復(fù)合材料環(huán)套。以超高強(qiáng)度的鋼絲為原料，結(jié)合鋼絲纏繞預(yù)應(yīng)力技術(shù)和復(fù)合材料纖維纏繞成型技術(shù)制備高強(qiáng)度飛輪轉(zhuǎn)子環(huán)套。此種結(jié)構(gòu)環(huán)套可以改變飛輪轉(zhuǎn)子輪轂的應(yīng)力狀態(tài)，大大提高金屬輪轂的使用強(qiáng)度，改善輪轂與復(fù)合材料層的變形協(xié)調(diào)性，減小整個飛輪系統(tǒng)失效破壞的幾率，實現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)子的可靠性使用。該發(fā)明可有效增加轉(zhuǎn)子的內(nèi)外半徑比，提高飛輪的儲能密度，同時顯著降低轉(zhuǎn)子制造成本。
【權(quán)利要求】
1.一種鋼絲纏繞制備儲能飛輪轉(zhuǎn)子環(huán)套，其特征在于:轉(zhuǎn)子環(huán)套包括轉(zhuǎn)子輪轂和復(fù)合材料環(huán)套(4);所述轉(zhuǎn)子輪轂包括金屬輪轂基體(I)和鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層(2);所述金屬輪轂基體(I)為圓盤狀或圓柱狀，所述金屬輪轂基體(I)和鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層(2)由內(nèi)向外預(yù)應(yīng)力纏繞緊固，最內(nèi)層為金屬輪轂基體(1)，中間層為鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層(2)，最外層為復(fù)合材料環(huán)套(4)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種鋼絲纏繞制備儲能飛輪轉(zhuǎn)子環(huán)套，其特征在于:所述金屬輪轂基體(I)為不銹鋼、鈦合金或高強(qiáng)鋁合金制成，所述鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層(2)所用鋼絲為低合金鋼、碳鋼或不銹鋼鋼絲，所述復(fù)合材料環(huán)套(4)所用復(fù)合材料為玻璃纖維或碳纖維。
3.如權(quán)利要求2所述的一種鋼絲纏繞制備儲能飛輪轉(zhuǎn)子環(huán)套，其特征在于:所述的鋼絲橫截面為帶圓角的矩形、正方形、梯形或圓形，直徑為Imm?6mm,強(qiáng)度2500?3000MPa。
4.如權(quán)利要求1所述的一種鋼絲纏繞制備儲能飛輪轉(zhuǎn)子環(huán)套，其特征在于:所述鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層(2)的纏繞相對于金屬輪轂基體(I)的母線以小于90度的預(yù)定角度纏繞在所述金屬輪轂基體(I)上，鋼絲的導(dǎo)程等于或者小于所述螺旋線的螺距；鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層(2)為并行結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的一種鋼絲纏繞制備儲能飛輪轉(zhuǎn)子環(huán)套，其特征在于:所述的鋼絲預(yù)應(yīng)力纏繞層(2)的鋼絲張力預(yù)定額定值的張力的10-80%，有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層的第一圈和最后一圈的鋼絲預(yù)應(yīng)力張力為所述預(yù)訂額定值的10?20% ;通過張力單調(diào)遞減的變張力纏繞工藝避免內(nèi)層鋼絲張力減小及鋼絲纏繞層松弛現(xiàn)象。
6.如權(quán)利要求1所述的一種鋼絲纏繞制備儲能飛輪轉(zhuǎn)子環(huán)套，其特征在于:所述的復(fù)合材料環(huán)套(4)是由浸潰過環(huán)氧樹脂或不飽和聚酯樹脂膠液的連續(xù)纖維在張力控制下直接纏繞到轉(zhuǎn)子輪轂上，纏繞張力穩(wěn)定，纏繞角0°?15°。
【文檔編號】F16F15/305GK103438152SQ201310424272
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】郭志猛, 楊芳, 郭雷辰, 陳存廣, 孫駿彬, 石韜, 葉安平 申請人:北京科技大學(xué)