一種鋼絲預應力纏繞飛輪轉子輪轂的製作方法
2023-07-07 06:53:06 3
專利名稱：一種鋼絲預應力纏繞飛輪轉子輪轂的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種飛輪儲能部件，尤其涉及一種用於飛輪儲能系統的高強度、低成本的飛輪轉子金屬輪轂。
背景技術：
飛輪轉子是飛輪儲能系統中最重要的環節，選用高抗拉強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，普遍採用提高轉速的方法達到高儲能的要求。隨著轉速的提高，轉子承受的離心力逐漸增大，當轉子徑向拉伸應力力超過
輪轂的強度時，會導致轉子輪轂破壞。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，嚴重時會導致災難性的惡性事故。目前，國內外研製的轉子的主流技術是以高強度金屬材料為輪轂，採用複合材料纖維纏繞成型技術製備複合材料環套，將金屬輪轂和複合材料環套過盈配合組裝成飛輪轉子。但是，金屬輪轂的極限強度有限，使得複合材料層尺寸很大，生產成本十分昂貴。為此，迫切地需要開發出一種高強度、低成本的高性能飛輪轉子輪轂。
發明內容
本發明克服上述現有技術的不足，目的在於提供一種抗拉強度高、成本低、使用安全性能的高性能的飛輪轉子輪轂。採用鋼絲預應力纏繞結構，巧妙避免了輪轂與複合材料層之間鬆脫和輪轂強度不夠的問題。該轉子輪轂為圓盤狀或圓柱狀，包括金屬輪轂基體和鋼絲預應力纏繞層。本發明的方案是一種鋼絲預應力纏繞飛輪轉子輪轂，包括金屬輪轂基體和鋼絲纏繞層，所述的金屬輪轂基體為圓盤狀或圓柱狀，所述鋼絲纏繞層形成在金屬輪轂基體的外表面，金屬輪轂基體與鋼絲纏繞層採用預應力纏繞而實現緊密連接。本發明還具有如下特徵I、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,強度 2500 3000MPa。2、所述的金屬輪轂基體為鋼/鈦合金或鋁合金，所述的鋼絲為低合金鋼、碳鋼或不鏽鋼鋼絲。3、所述鋼絲纏繞層相對於金屬輪轂基體的母線以小於90度的預定角度採用預應力纏繞在所述金屬輪轂基體上，鋼絲的導程等於或者小於鋼絲螺旋線的螺距；鋼絲纏繞層為並行結構。4、所述的鋼絲纏繞層的張力為預定額定值張力的10-80%，有效鋼絲纏繞層的第一圈和最後一圈的鋼絲預應力張力為預定額定值的10 20%。本發明的有益效果在於以金屬基體輪轂和超高強度的鋼絲為原料，結合鋼絲纏繞預應力技術製備高強度飛輪轉子金屬輪轂。通過在金屬輪轂基體上預應力纏繞高強度鋼絲層，可使飛輪轉子輪轂所承受的極限強度提高到2800MPa，有效降低金屬輪轂的開裂趨勢，減小整個飛輪系統失效破壞的機率。此種結構可以改變飛輪轉子輪轂的應力狀態，大大改善輪轂的使用性能，減小整個飛輪系統失效破壞的機率，實現飛輪轉子的可靠性使用。同時，該發明可有效增加轉子的內外半徑比，提高飛輪的儲能密度，減少材料的使用量，顯著降低轉子製造成本。
圖I為本發明所述飛輪轉子的結構示意圖；其中，I、金屬輪轂基體，2、鋼絲預應力纏繞層。圖2為本發明所述飛輪轉子的橫截面示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的飛輪轉子作進一步詳細的說明。實例I :如圖I所示，本例所述的飛輪轉子是由金屬基體輪轂I及鋼絲預應力纏繞層2構成的圓盤狀，其中心處為用於與飛輪連接的軸承孔3。在使用時，只需將按照上述結構製成的轉子通過軸承孔3安裝在飛輪的軸承上即可。所述金屬基體輪轂I可選用現有技術的超高強度鋼、鈦合金或高強鋁合金，利用纏繞機將高強度鋼絲正應力纏繞在金屬輪轂基體上。在纏繞過程中，為避免由於外層鋼絲的纏繞張力使金屬輪轂基體產生壓縮變形，從而引起內層鋼絲張力減小及鋼絲纏繞層鬆弛現象，採用張力單調遞減的變張力纏繞工藝，保證每根鋼絲同等強度工作，以期充分發揮鋼絲的強度潛力。所述鋼絲預應力纏繞層2可採用鋼絲纏繞預應力技術，金屬輪轂安放於轉盤上，固定在地面上的張力發生與控制裝置輸出鋼絲，鋼絲隨部件的旋轉而逐圈、逐層地纏繞在輪轂外表面。所述鋼絲預應力纏繞不僅限於O Imm 6mm鋼絲。鋼絲的橫截面為帶圓角的矩形、正方形、梯形或圓形。所製得的鋼絲預應力纏繞層的抗拉強度可高達1000-2800MPa。
權利要求
1.一種鋼絲預應力纏繞飛輪轉子輪轂，包括金屬輪轂基體和鋼絲纏繞層，其特徵在於所述的金屬輪轂基體為圓盤狀或圓柱狀，所述鋼絲纏繞層形成在金屬輪轂基體的外表面，金屬輪轂基體與鋼絲纏繞層採用預應力纏繞而實現緊密連接。
2.根據權利要求I所述的一種鋼絲預應力纏繞飛輪轉子輪轂，其特徵在於所述的金屬輪轂基體為鋼/鈦合金或鋁合金，所述的鋼絲為低合金鋼、碳鋼或不鏽鋼鋼絲。
3.根據權利要求I所述的一種鋼絲預應力纏繞飛輪轉子輪轂，其特徵在於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,強度2500 3000MPa。
4.根據權利要求1、2或3所述的一種鋼絲預應力纏繞飛輪轉子輪轂，其特徵在於所述鋼絲纏繞層相對於金屬輪轂基體的母線以小於90度的預定角度採用預應力纏繞在所述金屬輪轂基體上，鋼絲的導程等於或者小於鋼絲螺旋線的螺距；鋼絲纏繞層為並行結構。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的一種鋼絲預應力纏繞飛輪轉子輪轂，其特徵在於所述的鋼絲纏繞層的張力為預定額定值張力的10-80%，有效鋼絲纏繞層的第一圈和最後一圈的鋼絲預應力張力為預定額定值的10 20%。
全文摘要
本發明涉及一種鋼絲預應力纏繞飛輪轉子輪轂，包括金屬輪轂基體和鋼絲纏繞層，所述的金屬輪轂基體為圓盤狀或圓柱狀，所述鋼絲纏繞層形成在金屬輪轂基體的外表面，金屬輪轂基體與鋼絲纏繞層採用預應力纏繞而實現緊密連接。此種結構輪轂可以改變飛輪轉子輪轂的應力狀態，大大提高金屬輪轂的使用強度，改善輪轂的使用性能，減小整個飛輪系統失效破壞的機率，實現飛輪轉子的可靠性使用。該發明可有效增加轉子的內外半徑比，提高飛輪的儲能密度，同時顯著降低轉子製造成本。
文檔編號F16F15/30GK102678821SQ20121017730
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月1日 優先權日2012年6月1日
發明者蔣濤 申請人:北京奇峰聚能科技有限公司