轉筒式高速複合材料轉子及其製作方法
2023-04-29 18:13:21
轉筒式高速複合材料轉子及其製作方法
【專利摘要】本發明屬於複合材料結構【技術領域】，特別涉及一種轉筒式高速複合材料轉子及其製作方法。轉筒式高速複合材料轉子包括上環箍、筒體、上端蓋、上管軸、下環箍、下端蓋和下芯軸，筒體的筒壁的材料是基體為環氧樹脂的複合材料，由環向纏繞纖維層和軸向纖維鋪層交替合成，上端蓋和下端蓋均為螺旋式扇形織構疊層與基體複合模壓成型的複合材料圓環板。本發明最主要特點為：筒體採用碳纖維單向布作為筒體的軸向剛度強化鋪層，增加轉筒的軸向長度；端蓋中的纖維為螺旋式扇形織構疊層，螺旋式扇形織構採用斜紋織構或斜紋/平紋織構混合織構，螺旋式扇形織構疊層收尾處縫紉強化，提高了紡織織構預製件的結構穩定性。本發明適用於高速離心機或高速飛輪。
【專利說明】轉筒式高速複合材料轉子及其製作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於複合材料結構【技術領域】，特別涉及一種轉筒式高速複合材料轉子及其製作方法。
【背景技術】
[0002]工業中存在許多小型高速旋轉機械:比如飛輪儲能電源機組、離心機和渦輪分子泵等，為承擔轉子高速旋轉時巨大的離心應力，轉子結構材料一般採用高比強度(高強度、低密度)的超硬鋁、鈦合金以及纖維增強複合材料。
[0003]旋轉結構件的應力跟隨轉速上升而按平方關係增加，受金屬材料強度和密度的制約，飛輪儲能密度難以超過40Wh/kg，轉筒結構的轉子外緣線速度難以超過500m/s。玻璃纖維和碳纖維等高性能纖維已被廣泛應用於製造複合材料高速轉子。
[0004]目前比較成熟的高速飛輪或離心機轉子製造工藝是採用預浸環氧樹脂的纖維環向纏繞芯模，獲得預定厚度的轉筒後高溫固化脫模而成，連接轉筒與芯軸一般採用金屬製成的輪轂或端蓋結構。金屬材料輪轂或端蓋的強度有限、剛度協調能力不足限制了轉子速度的進一步提高。纖維纏繞轉子的軸向剛度不足還限制了轉筒長度的增加。
[0005]纖維纏繞的複合材料轉子是各向異性的，其環向與纖維方向一致，因此強度很高，可以達到IOOOMPa以上；而徑向強度主要由環氧樹脂與纖維/樹脂界面提供，通常低於30MPa。均勻材料圓盤形轉子工作在高速旋轉狀態，其環向拉應力與徑向拉應力與轉速的平方成正比，最大徑向拉應力還與轉子徑向厚度的平方成正比。對於纖維環向纏繞的複合材料轉子，其較低的徑向強度大大制約了徑向厚度，因此不適合作為大徑向尺寸的輪轂以及轉子端蓋。國內外學者對此問題進行了大量研究，提出了多層圓環複合材料轉子設計方法，採用一組環向纏繞的薄圓環組成，各圓環層間再採用過盈裝配，以產生層間預壓應力來平抑轉子旋轉時產生徑向拉應力，也可以採用纖維張緊纏繞來實現層間的預壓應力。
[0006]為解決純環向纏繞複合材料徑向強度不足的問題的另一個思路是在徑向引入強化纖維，一種方式是純徑向纖維鋪層與環向纏繞層混合疊層；另一種的方式是引入紡織工藝，在環向分布主要纖維的同時徑向織構適當纖維強化徑向強度，織造出圓環板形織物螺旋疊層，並與環氧樹脂複合得到高徑向強度圓環板(空心薄圓盤)轉子。
[0007]專利US5702795提出一種螺旋正交機織纖維織構預製件，用作儲能飛輪，該織構的特點是層內環向紗線纖維排列密度沿徑向增大而增加。該專利沒有明確說明紡織結構中紗線的交織細節，螺旋疊層最外層的收尾問題沒有解決方案。
[0008]國際專利TO97/47898 (PCT/US97/11500)及中國專利 CN1228147A 公布了一種螺旋形編織複合材料飛輪輪緣，該結構的特點是輪緣織構的徑向中間部分分布較多的徑向纖維，以承擔較大的徑向應力，單層織構採用正交二維平紋織構或三維正交織構，該專利同樣沒有解決螺旋疊層的收尾問題。平紋織構及三維正交織構穩定性高，但因交織點密，纖維彎曲較嚴重而導致纖維強度損失較多。
[0009]日本專利JP2251631-A的紡織圓盤織構的環向纖維採用單一連續纖維束由內向外螺旋排布，形成一單層完整圓盤，避免了螺旋疊層結構的收尾問題。
[0010]中國專利02129080.6 「一種機織物及其織造方法」為螺旋疊層圓環織構提供了纖維織物的成熟方法。
[0011]工程實踐表明，螺旋疊層或環向纏繞轉子的最外層收尾處理不好，高速旋轉結構件的局部破壞或材料脫落引起的失衡量將會對轉子的高速運行造成嚴重的破壞。這是因為環向纖維最外層不連續，在收尾處局部強度取決於纖維與基體的連接強度，該強度遠遠低於纖維的強度，從而成為局部強度弱點。收尾處的局部強化是螺旋疊層圓環板結構實用化的前提條件。環向纏繞疊層的收尾採用插入次外層與和次外層相鄰的縫隙之間並通過與張力鎖緊方法處理，但軸向螺旋疊層無法採用類似的方法處理。
[0012]纖維環向纏繞的轉筒的因纖維高剛度方向與轉筒軸向垂直，軸向剛度完全由低剛度的環氧樹脂提供，纖維環向纏繞轉子軸向剛度不足限制了轉筒的長度增加，因為較長的低軸向剛度轉筒的彎曲臨界頻率較低，從而限制了轉子的最高工作頻率。而轉筒長度增加對提高離心機的分離能力和提高轉子儲能量是十分必要的，增加轉筒長度又不減少彎曲臨界頻率的技術方法是提高轉筒的軸向剛度，即沿軸向鋪設必要的強化纖維。
[0013]因此，對於用作飛輪輪轂或離心機轉子複合材料結構，為了達到高速性能，需要一種對轉筒的筒壁結構和端板的螺旋疊層進行強化處理的技術方案，提高轉筒式高速複合材料轉子的轉筒的軸向剛度和端板螺旋疊層的強度。
【發明內容】
[0014]本發明的目的在於解決【背景技術】所述的達到飛輪輪轂或離心機轉子複合材料結構的高速性能的問題，提供一種轉筒式高速複合材料轉子及其製作方法。
[0015]本發明的技術方案如下:
[0016]轉筒式高速複合材料轉子包括上環箍1、筒體2、上端蓋3、上管軸4、下環箍5、下端蓋6和下芯軸7，各零件為軸對稱結構，組裝後具有共同的旋轉中心軸線；所述筒體2的外壁半徑R為100~150mm，筒體中部內壁半徑為R3, R與R3之差，即筒體壁厚d為5~60mm，內壁的上埠和下埠為臺階結構，自上向下，上埠的內壁半徑分別為R1和R2，下埠的內壁半徑分別為R4和R5，從R1至R5, R1^ R2> R3、R4、R5依次按相同的增加量遞增，增加量為0.4~0.8mm,筒體2的長度與直徑比為3:1到5:1 ;
[0017]上端蓋3和下端蓋6均為圓環板,上端蓋3和下端蓋6的厚度為5~IOmm,上端蓋3的外圓直徑為2R2，內圓直徑為20~60mm，下端蓋6的外圓直徑為2R4，內圓直徑為20~60mm ；
[0018]上管軸4由圓管段和圓環段構成，圓管段為兩端相通的圓管，圓管段的外直徑與上端蓋3的內圓直徑相同，下芯軸7由末端軸段和連接段構成，連接段的外直徑與下端蓋6的內圓直徑相同，末端軸直徑為5~IOmm ；
[0019]上端蓋3的外圓與筒體2上埠半徑R2的內壁密封固接，下端蓋6的外圓與筒體2下埠半徑R4的內壁密封固接，上管軸4的圓管段在上端蓋3圓孔中與上端蓋3密封固接，上管軸4作為轉子上支承的結構件和液體進出口，下芯軸7的連接段在下端蓋6圓孔中與下端蓋6密封固接，下芯軸7作為轉子下支承的結構件；
[0020]上環箍I固接在筒體2外壁上端，下環箍5固接在筒體2外壁下端；[0021]所述筒體2的筒壁的材料是基體為環氧樹脂的複合材料，由環向纏繞纖維層21和軸向纖維鋪層22交替合成，總層數為2η+1，η為5~30的正整數，單層厚度為0.3~1.8mm,其中，從內層到外層，奇數層為環向纏繞纖維層21，偶數層為軸向纖維鋪層22，環向纏繞纖維層21和軸向纖維鋪層22的單層厚度相同或者不相同，所述環向纏繞纖維層21的纖維為高強度碳纖維，纖維環向纏繞，所述軸向纖維鋪層22的纖維為高模量碳纖維單向布，單向布的主纖維取向為軸向設置；環向纖維纏繞層21提供承擔轉子高速旋轉時的離心應力所需要的力學強度，採用碳纖維單向布的軸向纖維鋪層22提供轉子的軸向抗彎剛度，保證筒體的彎曲臨界頻率充分高於轉子的最高工作頻率；
[0022]所述上端蓋3和下端蓋6均為螺旋式扇形織構疊層與基體複合模壓成型的複合材料圓環板，複合材料的基體為環氧樹脂、鋁合金或鎂合金；
[0023]所述螺旋式扇形織構疊層的螺旋式扇形織構為正交織構，採用斜紋或斜紋/平紋混合織造工藝，螺旋式扇形織構的經紗與緯紗的交織方式為二上二下的斜紋織造或斜紋與單上單下的平紋混合織造，螺旋式扇形織構疊層的層數為5~20，單層厚度0.5~2.0mm,經紗和緯紗的材料為高強度碳纖維；在螺旋式扇形織構疊層沿厚度方向的最外層收尾處與其相鄰的次外層採用縫紉強化，防止收尾處因環向纖維斷頭處強度不足引起複合材料結構局部破壞；
[0024]所述上環箍I和下環箍5均為纏繞在筒體2上的高模量碳纖維強化的樹脂基複合材料圓環，上環箍I和下環箍5具有高環向剛度，分別設置在筒體2外壁上端和下端的上環箍I和下環箍5，限制筒體2在離心力載荷下的變形，使得旋轉條件下筒體2與圓環板形的上端蓋3和下端蓋6變形協調而不鬆脫；
[0025]所述上管軸4和下芯軸7的材料為合金鋼；
[0026]所述管軸4在上端`蓋3圓孔中與上端蓋3密封固接和下芯軸7在下端蓋6圓孔中與下端蓋6密封固接均為過盈裝配；
[0027]所述上端蓋3與筒體2的密封固接，下端蓋6與筒體2的密封固接為過渡配合裝配；
[0028]轉筒式高速複合材料轉子製作方法:
[0029]1.製作筒體2:
[0030]A.按筒體2的形狀及長度、厚度d、外徑R的數據，以及從內徑R1至內徑化，札、1?2、r3、r4、R5依次遞增的增加量數據製作筒體成形芯模；
[0031]B.用溼法纏繞方法在筒體成形芯模上端半徑為R1和R2的表面上纏繞經環氧樹脂浸潤高強度碳纖維，直到半徑為R3的表面一致，加熱固化，形成填平筒體成形芯模上端半徑為R1和R2的複合材料臺階層；
[0032]C.用溼法纏繞方法從筒體成形芯模上端向下纏繞經環氧樹脂浸潤高強度碳纖維，加熱固化，形成第I層為環向纏繞纖維層21 ；
[0033]D.裁取長度與筒體同高、寬度與第I層環向纏繞纖維層21外圓等長的高模量碳纖維單向布，浸潤環氧樹脂後，按主纖維方向與筒體軸向相同取向鋪設在第I層環向纏繞纖維層21外，加熱固化，形成第2層為軸向纖維鋪層22 ；
[0034]E.重複步驟C和D，形成第3層環向纏繞纖維層21和第4層軸向纖維鋪層22，直到形成第2n+l層環向纏繞纖維層21，隨層數增加，把筒體成形芯模下端半徑為R4和R5的表面部分一起覆蓋；
[0035]F.加熱固化後脫模，製得筒壁為碳纖維增強環氧樹脂複合材料的筒體2，備用；
[0036]2.製作上端蓋3和下端蓋6:
[0037]A.按照上端蓋3和下端蓋6的外徑、內徑和厚度尺寸數據，以及上端蓋3的外圓與筒體2上埠半徑R2的內壁過渡配合裝配，下端蓋6的外圓與筒體2下埠半徑R4的內壁過渡配合裝配，上管軸4在上端蓋3圓孔中與上端蓋3過盈裝配，下芯軸7在下端蓋6圓孔中與下端蓋6過盈裝配的要求分別設計螺旋式扇形織構，並用經紗31和緯紗32織造螺旋式扇形織構；
[0038]螺旋式扇形織構的紡織要求為:
[0039]螺旋式扇形織構為正交織構，採用斜紋或斜紋/平紋混合織造工藝，螺旋式扇形織構的經紗與緯紗的交織方式為二上二下的斜紋織造或二上二下的斜紋與單上單下的平紋混合織造；
[0040]經紗與緯紗體積之和與同基體材料複合形成的圓環板體積之比為40?60%，纖維體積佔比越高，圓環板複合結構強度越高，可以獲得更高的旋轉速度；
[0041]使用I?5束單束纖維根數為3k、6k或12k的高強度碳纖維組合成交織紗線，作為紡織紗線，其中Ik為1000根纖維；
[0042]螺旋式扇形織構中，環向排布的經紗與徑向排布的緯紗纖維體積比為2: I到5: 1，通過採用不同單束纖維根數為3k、6k或12k的高強度碳纖維組合成交織紗線實現；
[0043]螺旋式扇形織構的單層厚度為0.5?2mm ;
[0044]為保證固化工藝中基體的浸潤性能，環向經紗的紗線最大纖維絲含量和徑向緯紗的紗線最大纖維絲含量均不超過60k ；
[0045]B.製作圓環板端蓋的螺旋式扇形織構疊層:
[0046]按照上端蓋3和下端蓋6的厚度尺寸數據，分別從步驟A獲得的螺旋式扇形織構截取圓環板端蓋的螺旋式扇形織構疊層用的螺旋式扇形織構，為保證固化工藝中基體的浸潤性能，螺旋式扇形織構疊層的層數為5?20，底層收尾邊沿與頂層收尾邊沿在環向上處於同一條半徑上；
[0047]螺旋式扇形織構疊層的底層收尾處與次底層以及頂層收尾處與次頂層在厚度方向上分別縫紉強化，底層的縫紉強化區33和頂層的縫紉強化區33為面積相同的扇形區，縫紉強化區33外圓弧長度為螺旋式扇形織構單層厚度10?30倍，縫紉工藝中，採用往返不重複的「弓」字形徑向連續路徑，縫紉線34採用高強度尼龍絲線，絲線直徑為0.05?
0.1mm ；
[0048]C.按照上端蓋3和下端蓋6的外徑、內徑和厚度尺寸數據設置樹脂傳遞模塑工藝裝備，即RTM工藝裝備，採用RTM工藝將纖維紡織的螺旋式扇形織構疊層與環氧樹脂複合固化，或者採用真空模鑄工藝將纖維紡織的螺旋式扇形織構疊層與鋁合金、鎂合金固化，得到螺旋疊層紡織複合材料圓環板的上端蓋3和下端蓋6 ；
[0049]3.按照上管軸4和下芯軸7尺寸要求製作上管軸4和下芯軸7，上管軸4和下芯軸7的材料均為合金鋼；
[0050]4.在筒體2上裝配上端蓋3、下端蓋6、上管軸4和下芯軸7:
[0051]A.採用過盈裝配，將上管軸4的圓管段裝配在上端蓋3的圓孔內，實現上管軸4與上端蓋3的密封固接，將下芯軸7的連接段裝配在下端蓋6的圓孔內，實現下芯軸7與下端蓋6的密封固接；
[0052]B.用過渡配合裝配將上端蓋3裝配在筒體2上埠半徑R2的內壁上，實現上端蓋3與筒體2的密封固接，上管軸4的圓管段向外；
[0053]C.用過渡配合裝配將下端蓋6裝配在筒體2下埠半徑R4的內壁上，實現下端蓋6與筒體2的密封固接，下芯軸7的末端軸段向外；
[0054]5.在筒體2的上端和下端分別製作上環箍I和下環箍5:
[0055]A.按照上環箍I和下環箍5尺寸要求，用溼法纏繞方法纏繞浸潤環氧樹脂的高模量碳纖維分別纏繞在筒體2外壁的上端和下端；
[0056]B.經加熱固化形成環氧樹脂複合材料的上環箍I和下環箍5 ；
[0057]6.經檢驗合格，獲得轉筒式高速複合材料轉子。
[0058]本發明製作的轉筒式高速複合材料轉子具有如下優點:
[0059]1.採用具有碳纖維單向布軸向鋪層與環向纏繞纖維層交替組合，實現了筒體軸向剛度增強，可提高筒體的長度直徑比，從而提高離心機的分離能力或增加飛輪轉子的儲能量;
[0060]2.轉子的上端蓋和下端蓋為高強度、高剛度的紡織複合材料，實現上管軸和下芯軸與筒體的連接的變形協調，其綜合性能超過金屬材料端蓋，提高了離心機或飛輪轉子的工作速度；
[0061]3.螺旋式扇形織構採用連續斜紋或斜紋/平紋混合機織工藝，斜紋織構纖維彎曲度較平紋小，其穩定性較緞紋高，綜合性能最好；
[0062]4.圓環板端蓋的螺旋式扇形織構疊層底層收尾邊沿與頂層收尾邊沿在環向上處於同一條半徑上，圓環板的不平衡量較小；螺旋式扇形織構疊層的底層收尾處與次底層以及頂層收尾處與次頂層在厚度方向上縫紉強化，解決了螺旋疊層織構複合材料實用化的瓶頸難題；
[0063]5.圓環板端蓋的複合材料纖維體積比、經紗緯紗纖維絲數量比可調節優選，實現複合材料結構徑向強度與環向強度的整體協調；徑向纖維的適量分布既提高了強度，又保持了端蓋的低剛度特性，可以實現大變形協調。
[0064]6.環箍採用高模量碳纖維，其高剛度特性保證了筒體和端蓋變形協調。
[0065]本發明最主要特點有:
[0066]採用碳纖維單向布作為筒體的軸向剛度強化鋪層，使得該鋪層內的碳纖維全部沿軸向穩定排列，調整鋪層的層數和單向布的厚度，獲得足夠的軸向剛度，從而增加轉筒的軸向長度；
[0067]在複合材料的端蓋中，纖維為螺旋式扇形織構疊層，螺旋式扇形織構的正交織構採用2/2斜紋織構(兩上兩下交織)，具有纖維彎曲較少、結構較穩定的特點；紗線採用小絲束織造條件下，採用2/2斜紋與高交織密度的平紋織構混合織構以及螺旋式扇形織構收尾處縫紉強化，提高了紡織織構預製件的結構穩定性。
[0068]本發明的轉子結構中，筒體厚度為30?60mm時,轉子質量大部遠離旋轉軸線,筒體軸向尺寸遠遠大於通常盤形飛輪轉子。轉子高速旋轉時成為一個大儲能量、高能量密度的儲能飛輪，配合電動/發電一體化電機及充電/放電控制器，組成高性能飛輪儲能充放電系統。
[0069]本發明的轉子結構中，筒體厚度為5~IOmm時，因具有端蓋而形成了一定的圓柱空間，高速旋轉起來時，可以容納一定的液體或氣體產生分離效應，中空的上管軸為液體或氣體引入及導出的管道提供了安放空間，可應用連續供取分離介質的高速離心機。
[0070]本發明的有益效果為，採用的纏繞及紡織纖維增強複合材料的密度遠低於金屬材料，因此複合材料轉子的工作轉速大大超過同樣尺寸金屬材料轉子，從而顯著提高了離心機的分離能力或儲能飛輪的總動能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0071]圖1轉筒式高速複合材料高速轉子結構示意圖；
[0072]圖1A圖1中A區放大示意圖；
[0073]圖1B圖1中B區放大示意圖；
[0074]圖2筒體的筒壁結構示意圖；
[0075]圖3圓環板端蓋的螺旋式扇形織構疊層結構示意圖；
[0076]圖4螺旋式扇形織構示意圖；
[0077]圖5 二上二下的斜紋織構示意圖；
[0078]圖6單上單下的平紋織構示意圖；
[0079]圖7縫紉強化區縫合路徑示意圖。
[0080]圖中，1--上環植,2 —筒體,3 —上端蓋,4 —上管軸，5 —下環植,6 —下端蓋，7—下芯軸，21—環向纏繞纖維層，22—軸向纖維鋪層，31—經紗，32—緯紗，33—縫紉強化區，34-縫紉線。
【具體實施方式】
[0081]下面結合實施例和附圖對本發明作進一步的說明。
[0082]轉筒式高速複合材料高速轉子實施例的結構示意圖如圖1所示，轉筒式高速複合材料轉子包括上環箍1、筒體2、上端蓋3、上管軸4、下環箍5、下端蓋6和下芯軸7，各零件為軸對稱結構，組裝後具有共同的旋轉中心軸線。筒體2的外壁半徑R為100mm，筒體中部內壁半徑為R3, R與R3之差，即筒體壁厚d為10mm，如圖1A和圖1B所示，內壁的上埠和下埠為臺階結構，自上向下，上埠的內壁半徑為RJPR2，下埠的內壁半徑分別為&和R5，從R1至R5, R1H R4、R5依次按相同的增加量遞增，增加量為0.5mm,即R1為89mm, R2為89.5臟，R3、為9Ctam, R4為90.5臟，R5為91臟,筒體2的長度為300mm。
[0083]上端蓋3和下端蓋6均為圓環板,上端蓋3和下端蓋6的厚度為5mm,上端蓋3的外圓直徑為179mm,內圓直徑為30mm,下端蓋6的外圓直徑為182mm,內圓直徑為30mm。
[0084]上管軸4由圓管段和圓環段構成，圓管段為兩端相通的圓管，圓管段的外直徑為30mm。下芯軸7由末端軸段和連接段構成。連接段的外直徑為30mm，末端軸徑為10mm。上管軸4和下芯軸7的材料為合金鋼。
[0085]用過盈裝配，上端蓋3的外圓與筒體2上埠半徑R2的內壁密封固接，下端蓋6的外圓與筒體2下埠半徑R4的內壁密封固接。用過渡配合裝配，上管軸4的圓管段在上端蓋3圓孔中與上端蓋3密封固接，上管軸4作為轉子上支承的結構件和液體進出口，下芯軸7的連接段在下端蓋6圓孔中與下端蓋6密封固接，下芯軸7作為轉子下支承的結構件。上環箍I固接在筒體2外壁上端，下環箍5固接在筒體2外壁下端。
[0086]筒體2的筒壁的材料是基體為環氧樹脂的複合材料，由環向纏繞纖維層21和軸向纖維鋪層22交替合成，總層數為21，其中，從內層到外層，奇數層為單層厚度0.63mm的環向纏繞纖維層21，偶數層為單層厚度0.3mm的軸向纖維鋪層。環向纏繞纖維層21的纖維為高強度碳纖維，纖維環向纏繞。軸向纖維鋪層22的纖維為高模量碳纖維單向布，單向布的主纖維取向為軸向設置；環向纖維纏繞層21提供承擔轉子高速旋轉時的離心應力所需要的力學強度，採用碳纖維單向布的軸向纖維鋪層22提供轉子的軸向抗彎剛度，保證筒體的彎曲臨界頻率充分高於轉子的最高工作頻率。
[0087]上端蓋3和下端蓋6均為螺旋式扇形織構疊層與基體複合模壓成型的複合材料圓環板，複合材料的基體為環氧樹脂。
[0088]螺旋式扇形織構疊層的螺旋式扇形織構的經紗與緯紗的交織方式為二上二下的斜紋與單上單下的平紋混合織造，螺旋式扇形織構疊層的層數為8，單層厚度0.61_。經紗和緯紗的材料為高強度碳纖維。在螺旋式扇形織構疊層沿厚度方向的最外層收尾處與其相鄰的次外層採用縫紉強化，防止收尾處因環向纖維斷頭處強度不足引起複合材料結構局部破壞。
[0089]上環箍I和下環箍5均為纏繞在筒體2上的高模量碳纖維強化的樹脂基複合材料圓環，上環箍I和下環箍5具有高環向剛度，分別設置在筒體2的上端和下端的上環箍I和下環箍5，限制筒體2在離心力載荷下的變形，使得旋轉條件下筒體2與圓環板形的上端蓋3和下端蓋6變形協調而不鬆脫。
[0090]製作所述轉筒式高 速複合材料高速轉子實施例的工藝步驟為:
[0091]第一步分別製作筒體2、上端蓋3、下端蓋6、上管軸4、下芯軸7:
[0092]1.製作筒體2:
[0093]A.按筒體2的形狀及長度、厚度d、外徑R的數據，以及從內徑R1至內徑化，札、1?2、r3、r4、R5依次遞增的增加量數據製作筒體成形芯模；
[0094]B.用溼法纏繞方法在筒體成形芯模上端半徑為R1和R2的表面上纏繞經環氧樹脂浸潤高強度碳纖維，直到半徑為R3的表面一致，加熱固化，形成填平筒體成形芯模上端半徑為R1和R2的複合材料臺階層；
[0095]C.用溼法纏繞方法從筒體成形芯模上端向下纏繞經環氧樹脂浸潤高強度碳纖維，加熱固化，形成第I層為環向纏繞纖維層21，厚度為0.63mm，加熱固化。高強度碳纖維為12k-T700 纖維。
[0096]D.裁取長度與筒體同高、寬度與第I層環向纏繞纖維層21外圓等長的高模量碳纖維單向布，浸潤環氧樹脂後，按主纖維方向與筒體軸向相同取向鋪設在第I層環向纏繞纖維層21外，加熱固化，形成第2層為軸向纖維鋪層22。高模量碳纖維單向布的厚度為0.3mmο
[0097]E.重複步驟C和D，形成第3層環向纏繞纖維層21和第4層軸向纖維鋪層22，直到形成第21層環向纏繞纖維層21，隨層數增加，把筒體成形芯模下端半徑為R4和R5的表面部分一起覆蓋；。
[0098]F.加熱固化後脫模，製得筒壁為碳纖維增強環氧樹脂複合材料的筒體2，備用。[0099]2.製作上端蓋3和下端蓋6:
[0100]A.按照上端蓋3和下端蓋6的外徑、內徑和厚度尺寸數據，以及上端蓋3的外圓與筒體2上埠半徑R2的內壁過渡配合裝配，下端蓋6的外圓與筒體2下埠半徑R4的內壁過渡配合裝配，上管軸4在上端蓋3圓孔中與上端蓋3過盈裝配，下芯軸7在下端蓋6圓孔中與下端蓋6過盈裝配的要求分別設計螺旋式扇形織構，並用經紗31和緯紗32織造如圖4所示的螺旋式扇形織構；
[0101]螺旋式扇形織構的紡織要求為:
[0102]環向經紗31採用單束12K東麗T700碳纖維，徑向緯紗32採用單束3K東麗T300碳纖維，分別組合成交織紗線，作為紡織紗線。採用二維正交機織仿形織造技術，獲得螺旋式扇形織構。環向排布的經紗31與徑向排布的緯紗32正交機織。多股連續經紗31沿環方向均勻排列，並與緯紗22交織。多股緯紗22沿半徑方向均勻分布並與經紗31交織；
[0103]經紗與緯紗體積之和與同基體材料複合形成的圓環板體積之比為60% ；
[0104]螺旋式扇形織構中，環向排布的經紗與徑向排布的緯紗纖維體積比為4: I ；
[0105]螺旋式扇形織構的單層厚度為0.61mm ;
[0106]螺旋式扇形織構採用二上二下的斜紋與單上單下的平紋混合織造:半徑小於內外半徑的平均值的扇形內側採用二上二下的2/2斜紋織構，如圖5所示；半徑大於內外半徑的平均值的扇形外側，採用單上單下的平紋織構，如圖6所示。
[0107]螺旋式扇形織構的仿形織造技術細節詳見專利02129080.6，「一種機織物及其織造方法」和論文:「圓環形機織布的織造與設」，天津工業大學學報，2005，24 (4):18-20。
[0108]B.製作如圖3所示的圓環板端蓋的螺旋式扇形織構疊層:
[0109]按照上端蓋3和下端蓋6的厚度尺寸數據，分別從步驟A獲得的螺旋式扇形織構截取圓環板端蓋的螺旋式扇形織構疊層用的螺旋式扇形織構，疊層的層數為8層，底層收尾邊沿與頂層收尾邊沿在環向上處於同一條半徑上；
[0110]在螺旋式扇形織構疊層的底層收尾處與次底層的扇形縫紉強化區33以及頂層收尾處與次頂層的扇形縫紉強化區33分別進行縫紉強化，，縫紉強化區33外圓弧長度為螺旋式扇形織構單層厚度的20倍，即12.2_。縫紉工藝中，採用往返不重複的「弓」字形徑向連續路徑，如圖7所示，縫紉線34採用高強度尼龍絲線，絲線直徑0.05mm。
[0111]C.按照上端蓋3和下端蓋6的外徑、內徑和厚度尺寸數據設置樹脂傳遞模塑工藝裝備，即RTM工藝裝備，採用RTM工藝將纖維紡織的螺旋式扇形織構疊層與環氧樹脂複合固化，得到螺旋疊層紡織複合材料圓環板的上端蓋3和下端蓋6。
[0112]3.按照上管軸4和下芯軸7尺寸要求製作上管軸4和下芯軸7，上管軸4和下芯軸7的材料為合金鋼。
[0113]第二步在筒體2上裝配上端蓋3、下端蓋6、上管軸4和下芯軸7
[0114]A.採用過盈裝配，將上管軸4的圓管段裝配在上端蓋3的圓孔內，實現上管軸4與上端蓋3的密封固接，將下芯軸7的連接段裝配在下端蓋6的圓孔內，實現下芯軸7與下端蓋6的密封固接
[0115]B.用過渡配合裝配將上端蓋3裝配在筒體2上埠半徑R2的內壁上，實現上端蓋3與筒體2的密封固接，上管軸4的圓管段向外；
[0116]C.用過渡配合裝配將下端蓋6裝配在筒體2下埠半徑R4的內壁上，實現下端蓋6與筒體2的密封固接，下芯軸7的末端軸段向外。
[0117]第三步在筒體2的上端和下端分別製作上環箍I和下環箍5
[0118]A.按照上環箍I和下環箍5尺寸要求，用溼法纏繞方法纏繞浸潤環氧樹脂的高模量碳纖維分別纏繞在筒體2外壁的上端和下端；
[0119]B.經加熱固化形成環氧樹脂複合材料的上環箍I和下環箍5。
[0120]第四步檢驗合格後，獲得所要求的轉筒式高速複合材料轉子。
[0121 ] 本發明適用於高速離心機或高速飛輪。
[0122]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
【權利要求】
1.一種轉筒式高速複合材料轉子，包括上環箍(I)、筒體(2)、上端蓋(3)、上管軸(4)、下環箍(5)、下端蓋(6)和下芯軸(7)，各零件為軸對稱結構，組裝後具有共同的旋轉中心軸線，其特徵在於，所述筒體(2)的外壁半徑R為100~150mm，筒體中部內壁半徑為R3, R與R3之差，即筒體壁厚d為5~60mm，內壁的上埠和下埠為臺階結構，自上向下，上埠的內壁半徑分別為R1和R2，下埠的內壁半徑分別為R4和R5，從R1至R5, HHR5依次按相同的增加量遞增，增加量為0.4~0.8mm，筒體(2)的長度與直徑比為3:1到5:1; 所述上端蓋(3)和下端蓋(6)均為圓環板,上端蓋(3)和下端蓋(6)的厚度為5~IOmm,上端蓋(3)的外圓直徑為2R2，內圓直徑為20~60mm，下端蓋(6)的外圓直徑為2R4，內圓直徑為20~BOmm ； 所述上管軸(4)由圓管段和圓環段構成，圓管段為兩端相通的圓管，圓管段的外直徑與上端蓋(3)的內圓直徑相同，所述下芯軸(7)由末端軸段和連接段構成，連接段與下端蓋(6)的內圓固接,連接段的外直徑與下端蓋(6)的內圓直徑相同,末端軸直徑為5~10_ ； 上端蓋(3)的外圓與筒體(2)上埠半徑R2的內壁密封固接，下端蓋(6)的外圓與筒體(2)下埠半徑R4的內壁密封固接，上管軸(4)的圓管段在上端蓋(3)圓孔中與上端蓋(3)密封固接，上管軸(4)作為轉子上支承的結構件和液體進出口，下芯軸(7)的連接段在下端蓋(6)圓孔中與下端蓋(6)密封固接，下芯軸(7)作為轉子下支承的結構件，上環箍(I)固接在筒體(2)外壁上端，下環箍(5)固接在筒體(2)外壁下端； 所述筒體(2)的筒壁的材料是基體為環氧樹脂的複合材料，由環向纏繞纖維層(21)和軸向纖維鋪層(22)交替合成，總層數為2η+1，η為5~30的正整數，單層厚度為0.3~.1.8mm，其中，從內層到外層，奇數層為環向纏繞纖維層(21)，偶數層為軸向纖維鋪層(22)，環向纏繞纖維層(21)和軸向纖維鋪層(22)的單層厚度相同或者不相同，所述環向纏繞纖維層(21)的纖維為高強度碳纖維，纖維環向纏繞，所述軸向纖維鋪層(22)的纖維為高模量碳纖維單向布，單向布的主纖維取向為軸向設置； 所述上端蓋(3)和下端蓋(6)均為螺旋式扇形織構疊層與基體複合模壓成型的複合材料圓環板，複合材料的基體為環氧樹脂、鋁合金或鎂合金； 所述螺旋式扇形織構疊層的螺旋式扇形織構為正交織構，採用斜紋或斜紋/平紋混合織造工藝，螺旋式扇形織構的經紗與緯紗的交織方式為二上二下的斜紋織造或斜紋與單上單下的平紋混合織造，螺旋式扇形織構疊層的層數為5~20，單層厚度0.5~2.0_，經紗和緯紗的材料為高強度碳纖維；在螺旋式扇形織構疊層沿厚度方向的最外層收尾處與其相鄰的次外層採用縫紉強化； 所述上環箍(I)和下環箍(5)均為纏繞在筒體(2)上的高模量碳纖維強化的樹脂基複合材料圓環。
2.根據權利要求1所述的轉筒式高速複合材料轉子，其特徵在於，所述上管軸(4)和下芯軸(7)的材料為合金鋼。
3.根據權利要求1所述的轉筒式高速複合材料轉子，其特徵在於，所述管軸4在上端蓋(3)圓孔中與上端蓋(3)密封固接和下芯軸(7)在下端蓋(6)圓孔中與下端蓋(6)密封固接均為過盈裝配。
4.根據權利要求1所述的轉筒式高速複合材料轉子，其特徵在於，所述上端蓋(3)與筒體(2)的密封固接，下端蓋(6)與筒體(2)的密封固接為過渡配合裝配。
5.一種轉筒式高速複合材料轉子製作方法，其特徵在於，如權利要求4所述轉筒式高速複合材料轉子的製作方法為: 步驟一、製作筒體(2): A.按筒體2的形狀及長度、厚度d、外徑R的數據，以及從內徑R1至內徑R5,R1, R2, R3、R4、R5依次遞增的增加量數據製作筒體成形芯模； B.用溼法纏繞方法在筒體成形芯模上端半徑為R1和R2的表面上纏繞經環氧樹脂浸潤高強度碳纖維，直到半徑為R3的表面一致，加熱固化，形成填平筒體成形芯模上端半徑為R1和R2的複合材料臺階層； C.用溼法纏繞方法從筒體成形芯模上端向下纏繞經環氧樹脂浸潤高強度碳纖維，加熱固化，形成第I層為環向纏繞纖維層(21)； D.裁取長度與筒體同高、寬度與第I層環向纏繞纖維層(21)外圓等長的高模量碳纖維單向布，浸潤環氧樹脂後，按主纖維方向與筒體軸向相同取向鋪設在第I層環向纏繞纖維層(21)外，加熱固化，形成第2層為軸向纖維鋪層(22)； E.重複步驟C和D，形成第3層環向纏繞纖維層(21)和第4層軸向纖維鋪層(22)，直到形成第2n+l層環向纏繞纖維層(21)，隨層數增加，把筒體成形芯模下端半徑為&和R5的表面部分一起覆蓋； F.加熱固化後脫模，製得筒壁為碳纖維增強環氧樹脂複合材料的筒體(2)，備用； 步驟二、製作上端蓋(3)和下端蓋(6): A.按照上端蓋(3)和下端蓋(6)的外徑、內徑和厚度尺寸數據，以及上端蓋(3)的外圓與筒體(2)上埠半徑R2的內壁過渡配合裝配，下端蓋(6)的外圓與筒體(2)下埠半徑R4的內壁過渡配合裝配，上管軸(4)在上端蓋(3)圓孔中與上端蓋(3)過盈裝配，下芯軸(7)在下端蓋(6)圓孔中與下端蓋(6)過盈裝配的要求分別設計螺旋式扇形織構，並用經紗(31)和緯紗(32)織造螺旋式扇形織構； 螺旋式扇形織構的紡織要求為: 螺旋式扇形織構為正交織構，採用斜紋或斜紋/平紋混合織造工藝，螺旋式扇形織構的經紗與緯紗的交織方式為二上二下的斜紋織造或二上二下的斜紋與單上單下的平紋混合織造； 經紗與緯紗體積之和與同基體材料複合形成的圓環板體積之比為40~60%，纖維體積佔比越高，圓環板複合結構強度越高，可以獲得更高的旋轉速度； 使用I~5束單束纖維根數為3k、6k或12k的高強度碳纖維組合成交織紗線，作為紡織紗線，其中Ik為1000根纖維； 螺旋式扇形織構中，環向排布的經紗與徑向排布的緯紗纖維體積比為2:1到5: 1，通過採用不同單束纖維根數為3k、6k或12k的高強度碳纖維組合成交織紗線實現； 螺旋式扇形織構的單層厚度為 0.5~2mm ； 為保證固化工藝中基體的浸潤性能，環向經紗的紗線最大纖維絲含量和徑向緯紗的紗線最大纖維絲含量均不超過60k ； B.製作圓環板端蓋的螺旋式扇形織構疊層: 按照上端蓋(3)和下端蓋(6)的厚度尺寸數據，分別從步驟A獲得的螺旋式扇形織構截取圓環板端蓋的螺旋式扇形織構疊層用的螺旋式扇形織構，為保證固化工藝中基體的浸潤性能，螺旋式扇形織構疊層的層數為5~20，底層收尾邊沿與頂層收尾邊沿在環向上處於同一條半徑上； 螺旋式扇形織構疊層的底層收尾處與次底層以及頂層收尾處與次頂層在厚度方向上分別縫紉強化，底層的縫紉強化區(33)和頂層的縫紉強化區(33)為面積相同的扇形區，縫紉強化區(33)外圓弧長度為螺旋式扇形織構單層厚度10~30倍，縫紉工藝中，採用往返不重複的「弓」字形徑向連續路徑，縫紉線(34)採用高強度尼龍絲線，絲線直徑為0.05~.0.1mm ； C.按照上端蓋(3)和下端蓋(6)的外徑、內徑和厚度尺寸數據設置樹脂傳遞模塑工藝裝備，即RTM工藝裝備，採用RTM工藝將纖維紡織的螺旋式扇形織構疊層與環氧樹脂複合固化，或者採用真空模鑄工藝將纖維紡織的螺旋式扇形織構疊層與鋁合金、鎂合金固化，得到螺旋疊層紡織複合材料圓環板的上端蓋(3)和下端蓋(6)； 步驟三、按照上管軸(4)和下芯軸(7)尺寸要求製作上管軸(4)和下芯軸(7)，上管軸(4)和下芯軸(7)的材料均為合金鋼； 步驟四、在筒體(2 )上裝配上端蓋(3 )、下端蓋(6 )、上管軸(4)和下芯軸(7 ):A.採用過盈裝配，將上管軸(4)的圓管段裝配在上端蓋(3)的圓孔內，實現上管軸(4)與上端蓋(3)的密封固接，將下芯軸(7)的連接段裝配在下端蓋(6)的圓孔內，實現下芯軸(7)與下端蓋(6)的密封固接； B.用過渡配合裝配將上端蓋(3)裝配在筒體(2 )上埠半徑R2的內壁，實現上端蓋(3 )與筒體(2)的密封固接，上管軸(4)的圓管段向外； C.用過渡配合裝配將下端`蓋(6)裝配在筒體(2 )下埠半徑R4的內壁，實現下端蓋(6 )與筒體(2)的密封固接，下芯軸(7)的末端軸段向外； 步驟五、在筒體(2)的上端和下端分別製作上環箍(I)和下環箍(5): A.按照上環箍(I)和下環箍(5)尺寸要求，用溼法纏繞方法纏繞浸潤環氧樹脂的高模量碳纖維分別纏繞在筒體(2)外壁的上端和下端； B.經加熱固化形成環氧樹脂複合材料的上環箍(I)和下環箍(5)； 步驟六、經檢驗合格，獲得轉筒式高速複合材料轉子。
【文檔編號】D03D15/00GK103867642SQ201410122969
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月28日 優先權日:2014年3月28日
【發明者】戴興建, 張小章, 郭興峰, 汪勇 申請人:清華大學, 天津工業大學