大型變截面無(wú)鍵連接的合金鋼慣性?xún)?chǔ)能飛輪的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于儲(chǔ)能飛輪技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種大型變截面無(wú)鍵連接的合金鋼慣性?xún)?chǔ)能飛輪。
【背景技術(shù)】
[0002]飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一種可快速充放電的長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能新技術(shù)，飛輪儲(chǔ)能的基本原理是首先把電能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)物體的機(jī)械能，然后進(jìn)行能量存儲(chǔ)，它利用電機(jī)帶動(dòng)飛輪升速或降速實(shí)現(xiàn)電動(dòng)儲(chǔ)能、發(fā)電釋能，在儲(chǔ)能階段，通過(guò)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)飛輪，使飛輪本體加速到一定的轉(zhuǎn)速，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；在能量釋放階段，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，使飛輪減速，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，特別適用于需要快速充放電的獨(dú)立動(dòng)力系統(tǒng)調(diào)峰、風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定性調(diào)節(jié)等領(lǐng)域。現(xiàn)代飛輪儲(chǔ)能電源綜合了先進(jìn)復(fù)合材料轉(zhuǎn)子技術(shù)、磁軸承技術(shù)、高速電機(jī)以及功率電子技術(shù)而極大地提高了性能，在2000年前后，以美國(guó)為代表的現(xiàn)代飛輪儲(chǔ)能電源商業(yè)化產(chǎn)品開(kāi)始推廣，應(yīng)用于1C生產(chǎn)企業(yè)、精密儀器儀表制造業(yè)、工業(yè)控制自動(dòng)化、航空航天、交通運(yùn)輸、醫(yī)療救生、信息數(shù)據(jù)中心以及電信和網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)等，為大型高級(jí)用戶(hù)提供對(duì)不間斷的和高質(zhì)量的供電需求。如慣性?xún)?chǔ)能合金鋼飛輪配上芯軸(連接飛輪和電機(jī)轉(zhuǎn)子)、電機(jī)轉(zhuǎn)子組成立式飛輪儲(chǔ)能電機(jī)軸系，作為大型飛輪儲(chǔ)能電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能核心關(guān)鍵部件。大型飛輪儲(chǔ)能電源系統(tǒng)可應(yīng)用于獨(dú)立動(dòng)力系統(tǒng)調(diào)峰、不間斷供電電源、軌道交通剎車(chē)動(dòng)能再生等領(lǐng)域。
[0003]飛輪儲(chǔ)存的能量與轉(zhuǎn)速平方成正比，為提高功率密度和能量密度，飛輪電機(jī)軸系需要高速旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速通常高于普通電機(jī)的轉(zhuǎn)速(1500-3000r/min)。邊緣圓周線(xiàn)速度高于100m/s的高速軸系的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題突出，需要仔細(xì)考察結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力是否在材料的許用強(qiáng)度以?xún)?nèi)并有足夠的安全系數(shù)，以及分析各零件配合面在旋轉(zhuǎn)條件下是否出現(xiàn)松脫，因此材料的強(qiáng)度和變形是制約飛輪速度的關(guān)鍵因素。
[0004]飛輪旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)因離心載荷引起的應(yīng)力與飛輪的密度成正比，提高飛輪儲(chǔ)能密度的關(guān)鍵是采用高比強(qiáng)度(高拉伸強(qiáng)度、低密度)的材料。工業(yè)應(yīng)用中實(shí)用的有合金鋼飛輪(200-300m/s)、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料飛輪(500-600m/s)，金屬飛輪的密度大，體積小，重量大，性能安定、成本低廉，受金屬材料強(qiáng)度和密度的制約，金屬制飛輪難以達(dá)到很高的儲(chǔ)能密度；復(fù)合材料飛輪重量輕，但造價(jià)昂貴；玻璃纖維和碳纖維已被廣泛應(yīng)用于制造飛輪轉(zhuǎn)子；然而纖維纏繞的復(fù)合材料飛輪是各向異性的，其環(huán)向與纖維方向一致，因此強(qiáng)度很高，可以達(dá)到lOOOMPa以上；而徑向(垂直與纖維方向的橫向)強(qiáng)度主要由環(huán)氧樹(shù)脂與纖維/樹(shù)脂界面提供，通常低于lOOMPa，因此遇到了徑向分層的難題。
[0005]另外，合金鋼飛輪與電機(jī)芯軸的牢固連接是飛輪電機(jī)軸系設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題，通用旋轉(zhuǎn)機(jī)械的輪盤(pán)與芯軸之間的套裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不適用是因?yàn)轱w輪高速旋轉(zhuǎn)條件下內(nèi)圓柱面大變形會(huì)引起輪與軸之間松脫，如果采用鍵連接，飛輪鍵槽處出現(xiàn)的高的應(yīng)力水平將顯著降低飛輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)，輪軸之間采用過(guò)盈轉(zhuǎn)配可以防止松脫，但依靠過(guò)盈配額傳遞輪軸之間的扭矩將大大增加工作轉(zhuǎn)速下飛輪結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，而且增加了裝配難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種大型變截面無(wú)鍵連接的合金鋼慣性?xún)?chǔ)能飛輪。
[0007]一種大型變截面無(wú)鍵連接的合金鋼慣性?xún)?chǔ)能飛輪，包括飛輪1和芯軸2，飛輪1為軸對(duì)稱(chēng)的合金鋼飛輪，其對(duì)稱(chēng)軸左右兩側(cè)均為Η型截面，飛輪1中部為輪轂14，輪轂14內(nèi)側(cè)包括上圓柱孔141和下圓柱孔142，上圓柱孔141和下圓柱孔142的軸心線(xiàn)位于同一條直線(xiàn)00’上，且下圓柱孔142的半徑比上圓柱孔141的半徑小50?70%，輪轂14左右兩側(cè)由內(nèi)至外依次為輪輻13和輪緣12 ；
[0008]芯軸2為階梯軸，由上至下依次為第一圓軸21、第二圓軸25、第三圓軸22和第四圓軸26，其中第一圓軸21、第二圓軸25、第三圓軸22和第四圓軸26的軸心線(xiàn)位于直線(xiàn)00’上，且半徑依次減小；
[0009]飛輪1與芯軸2為立式軸系，采用無(wú)鍵連接方式配合；芯軸2第一圓軸21的下部與飛輪1的上圓柱孔141過(guò)盈配合，芯軸2第三圓軸22的上部與飛輪1的下圓柱孔142過(guò)盈配合，從而使得飛輪1與芯軸2在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下不松脫、定位精準(zhǔn)，但不傳遞扭矩；
[0010]m個(gè)第一圓柱銷(xiāo)孔145和η個(gè)第一螺栓孔144分別均勻分布在上圓柱孔141到下圓柱孔142的軸向過(guò)渡臺(tái)階143上，芯軸2的第二圓軸25下側(cè)平臺(tái)上設(shè)置m個(gè)第二圓柱銷(xiāo)孔23與第一圓柱銷(xiāo)孔145 —一配合，且直徑相同，以及η個(gè)第二螺栓孔24與第一螺栓孔
144一一配合；采用m個(gè)圓柱銷(xiāo)3，每個(gè)圓柱銷(xiāo)3安裝于第一圓柱銷(xiāo)孔145和第二圓柱銷(xiāo)孔23內(nèi)，與飛輪1和芯軸2過(guò)渡配合，以連接飛輪1和芯軸2，并傳遞扭矩；輪轂14下側(cè)設(shè)有壓環(huán)5，采用η個(gè)螺栓4，每個(gè)螺栓4依次穿過(guò)壓環(huán)5、第一螺栓孔144與第二螺栓孔24，并緊固于飛輪1和芯軸2上，用以飛輪1和芯軸2的軸向連接，以及將飛輪1的重力載荷傳遞給芯軸2，同時(shí)將壓環(huán)5固定在飛輪1上，防止圓柱銷(xiāo)3脫落；其中，4彡m彡8，4彡η彡8。
[0011]所述輪緣12上、下側(cè)開(kāi)有燕尾槽11，燕尾槽11內(nèi)放置質(zhì)量平衡塊。
[0012]所述輪輻13的厚度小于輪緣12和輪轂14的厚度，輪緣12的厚度和輪轂14側(cè)緣的厚度分別為200?400mm，輪輻13的厚度為100?300mm，且輪輻13上側(cè)面131和下側(cè)面132與輪緣12內(nèi)側(cè)面的連接處為圓弧過(guò)渡，以及其上側(cè)面131和下側(cè)面132與輪轂14外側(cè)面的連接處為圓弧過(guò)渡。
[0013]所述輪輻13的徑向?qū)挾群秃穸染蓛?nèi)至外依次減小。
[0014]所述軸向過(guò)渡臺(tái)階143上側(cè)平面比輪福13的下側(cè)面132低15?20mm。
[0015]所述第二圓軸25比第一圓軸21小2?3mm，第四圓軸26比第三圓軸22小5?10mmo
[0016]所述兩處過(guò)盈配合的過(guò)盈量通過(guò)計(jì)算確定，過(guò)盈設(shè)計(jì)值分別為額定轉(zhuǎn)速下，輪轂14的上圓孔141與下圓孔142的變形量。
[0017]所述m = n，且第一圓柱銷(xiāo)孔145和第一螺栓孔144的中心均勻間隔地分布在同一個(gè)圓上，該圓的圓心位于直線(xiàn)00’上。
[0018]所述飛輪1的外徑為1000?2000mm，質(zhì)量為1200?9800kg，材料拉伸強(qiáng)度在800MPa以上，飛輪1額定轉(zhuǎn)速為2400?4800r/min，儲(chǔ)能為20?160MJ。
[0019]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明提供了一種低成本的大型變截面無(wú)鍵連接的合金鋼慣性?xún)?chǔ)能飛輪，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子形狀，使得飛輪結(jié)構(gòu)形狀系數(shù)取得最優(yōu)值；飛輪與芯軸采用圓柱梢傳遞扭矩、螺栓傳遞飛輪重量；飛輪與芯軸的兩個(gè)過(guò)盈量較小的配合保證旋轉(zhuǎn)條件下，定位精準(zhǔn)但不傳遞扭矩。
[0020]1、采用軸對(duì)稱(chēng)的Η型截面實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量分布偏重于外側(cè)輪緣而增加了飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)
[貝里。
[0021]2、輪轂內(nèi)側(cè)為上大下小的變徑設(shè)計(jì)，輪轂的軸向過(guò)渡臺(tái)階面低于輪輻的下側(cè)面，從而顯著降低輪轂下端上開(kāi)設(shè)圓柱梢孔、螺栓孔引起的應(yīng)力增加。在輪轂內(nèi)，芯軸局部與飛輪過(guò)盈裝配，配合長(zhǎng)度短，壓力裝配難度大大低，同軸定位精度高；輪轂凸緣的設(shè)計(jì)大大減小了飛輪與芯軸配合的內(nèi)圓柱面處的變形，從而減少過(guò)盈量，使安裝容易。
[0022]3、輪輻外側(cè)厚度小，內(nèi)側(cè)厚度大，實(shí)現(xiàn)了近似等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，降低了飛輪結(jié)構(gòu)在離心載荷下的應(yīng)力。
[0023]4、采用圓柱銷(xiāo)傳遞飛輪與芯軸之間的扭矩，保證飛輪在加速或減速過(guò)程中，飛輪與芯軸之間不出現(xiàn)松脫打滑；采用螺栓實(shí)現(xiàn)飛輪與芯軸之間的軸向連接，傳遞飛輪的重力載荷；提高了飛輪與芯軸之間連接的冗余可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為一種大型變截面無(wú)鍵連接的合金鋼慣性?xún)?chǔ)能飛輪結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為飛輪與芯軸裝配示意圖。
[0026]標(biāo)號(hào)說(shuō)明:1-飛輪，2-芯軸，3-圓柱梢，4-螺栓，5-壓環(huán)，6_導(dǎo)向圓桿，11_燕尾槽，12-輪緣，13-輪輻，14-輪轂，21-第一圓軸，22-第三圓軸，23-第二圓柱銷(xiāo)孔，24-第二螺栓孔，25-第二圓軸，26-第四圓軸，131-上側(cè)面，132-下側(cè)面，141-上圓柱孔，142-下圓柱孔，143-軸向過(guò)渡臺(tái)階，144-第一螺栓孔，145-第一圓柱銷(xiāo)孔。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說(shuō)明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0028]如圖1所示一種大型變截面無(wú)鍵連接的合金鋼慣性?xún)?chǔ)能飛輪，包括飛輪1和芯軸2，飛輪1為軸對(duì)稱(chēng)的大型合金鋼飛輪，其對(duì)稱(chēng)軸左右兩側(cè)均為Η型截面，飛輪1中部為輪轂14，輪轂14內(nèi)側(cè)包括上圓柱孔141和下圓柱孔142，且上圓柱孔141和下圓柱孔142的軸心線(xiàn)位于同一條直線(xiàn)00’上，下圓柱孔142的半徑顯著小于上圓柱孔141的半徑，本實(shí)施例中，上圓柱孔141半徑為120mm，下圓柱孔142半徑為300mm。輪轂14左右兩側(cè)由內(nèi)至外依次為輪輻13和輪緣12。輪緣12上、下側(cè)開(kāi)有燕尾槽11，燕尾槽11內(nèi)放置質(zhì)量平衡塊。輪輻13的厚度小于輪緣12和輪轂14的厚度，輪輻13的徑向?qū)挾群秃穸扔?