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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划飞轮的材料题目：飞轮材料及制作工艺研究主要技术指标：参考附件中的红色部分参考附件：复合材料转子结构设计及加工工艺飞轮转子是飞轮储能系统中主要的储能部件，关于转子的结构设计和分析，国内外已有一些相关的综述。目前国外研究热点主要集中在转子的断裂损伤、疲劳、蠕变等方面和与此相关的实验技术。国内对转子结构的研究主要侧重于针对强度的理论和计算，对于转子工艺和试验的研究较少，飞轮实际达到储能密度也远低于国际水平。转子结构的研究主要涉及到转子的材料和工艺、结构的设计、结构分析和实验技术等四部分内容
2、。1转子的材料及制作工艺飞轮转子的材料储能密度是衡量飞轮转子性能的重要指标。转子的储能密度正比于材料的比强度。因此，要想获得较大的储能量和储能密度，必须采用高比强度的材料。早期的飞轮多采用铝、高强度钢等金属材料制作。近年来，随着材料技术的发展，先进复合材料逐渐成为制作高速储能飞轮的首选材料。复合材料是六十年代中期崛起的一种新型材料，它由两种或两种以上材料独立物理相，通过复合工艺组合构成。其中，连续相称为基体，分散相称为增强体，两相彼此之间有明显的界面。它既保留原组分材料的主要特点，又可通过复合效应获得原组分材料所不具备的性能。通过材料设计可使各组分材料的性能互相补充，彼此联系，从而获得优越的性
3、能。先进复合材料已经在航空航天结构中获得了广泛的应用。复合材料按基体不同可分为，树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。按增强体形式分为连续纤维增强复合材料、短纤维、晶须、颗粒等增强复合材料等。常作为飞轮转子材料的复合材料主要是纤维增强树脂基复合材料。其中增强体主要是碳纤维和玻璃纤维两种，而基体主要是环氧树脂、聚酰亚胺树脂或双马树脂。先进复合材料的分类如图1所示。图1复合材料分类示意图从结构应用的角度分析，复合材料性能与金属材料相比，主要有以下性能特点：高的比强度和比模量、各向异性和可设计性、良好的抗疲劳性、成型工艺性好、良好的尺寸稳定性。复合材料也有弱点，主要表现在层间承载能力低，
4、原材料成本较高等。随着材料技术的发展和设计手段的提高，这些弱点也可逐渐克服。目前，复合材料转子结构主要应用的纤维增强树脂基复合材料是由纤维、基体和界面三个结构单元构成的二维编织物。高模量、高强度的纤维是承载主体，决定了沿纤维方向的强度和模量；树脂基体提供了对纤维的支持和保护，同时决定横向(垂直纤维方向的)的强度和模量，层合结构的层间性能也主要由基体性能决定；界面将纤维和基体粘接在一起，并实现纤维与基体间载荷的传递。常见的复合材料还包括金属基复合材料，与金属基复合材料料相比，树脂基复合材料的各项异性较大，沿纤维方向的强度高，但径向的强度较小，同时密度远小于金属基复合材料。从提高储能密度的角度来说
5、，使用树脂基复合材料制造的储能飞轮通常具有更优异的性能。但在高温或其它对树脂基复合材料影响较大的环境下，使用金属基复合材料可能更有优势。三维编织复合材料是20世纪80年代发展起来的一种新型织物复合材料。三维编织复合材料构件使用了三维整体纺织预制件作为增强相，克服了以往各种结构复合材料的层间强度弱的致命缺点，具有优异的整体受力性能。三维编织复合材料在飞轮转子制造中有较大的发展前景。几种典型的飞轮转子材料特性及所能达到的最大储能密度。在复合材料飞轮系统中，轮毂往往与飞轮转子作为整体一起设计。在飞轮系统中，轮毂是直接和飞轮相连的部件，它也需要承受旋转带来的巨大载荷。因此，也需要采用高比强度的材料。复
6、合材料转子的制作工艺常见的复合材料转子主要是纤维沿环向缠绕的单环转子或多环过盈配合的多环转子。转子本体的制作工艺主要有预压缠绕和多环热装两种。预压缠绕可分为线缠绕与织带缠绕。根据缠绕时树脂基体的物理化学状态的不同，又可分为干法缠绕和湿法缠绕两种。由于湿法缠绕的成本低，缠绕的气密性好，在复合材料的缠绕过程中采用湿法缠绕工艺。图2是湿法缠绕的的纤维导向示意图。图2湿法缠绕过程示意图多环热装用于多环过盈配合的复合材料转子的装配，通过将转子的外环升温或内环降温后与其它轮环套装，恢复常温后在接触面产生均匀压力。形成多环过盈装配的复合材料转子。2复合材料转子的结构早期的飞轮转子通常采用金属材料。对于金属材
7、料飞轮，文献中给出了几种典型的结构形式，如表1所示，采用等应力设计时，可达到最大储能密度。表2中是几种各向异性材料飞轮的结构形式和储能密度对比。表1各向同性材料飞轮结构和形状系数名称等应力圆盘修正的等应力圆盘圆锥断面圆盘带轮箍等厚圆盘薄轮缘成型杆带轮箍轮缘棒状空心等厚圆盘表2各向异性飞轮结构和形状系数名称薄轮缘成型杆带轮箍轮缘棒状空心等厚圆盘低几何形状储能密度高几何形状形状系数由于复合材料工艺复杂，不宜制作形状复杂的飞轮，目前的复合材料轮缘多采用实心或空心圆环状。主要的结构形式有以下几种：(a)单环纤维缠绕复合材料转子纤维沿环向缠绕的复合材料单环是复合材料转子的基本结构形式。单环的设计可以为复
8、合材料圆盘或拉长的复合材料圆筒。轮缘和轮毂间多采用过盈配合连接。单环复合材料转子的设计中，采用大半径的圆环设计可以获得较大的瞬时功率和储能密度，但是体积的限制使得半径不可能很大，这就限制了转子的储能量。同时，如果要获得较大的体积储能密度，就应采用较厚的转子，但是这会使得径飞轮形状设计概述目录1飞轮储能技术.(来自:写论文网:飞轮的材料).22飞轮的基本形状设计.2飞轮轮缘形状对储能性能的影响.2飞轮的几种基本形状.5飞轮材料对飞轮形状设计的影响.83飞轮形状的优化设计.8实心飞轮形状的优化设计.8空心飞轮形状的优化设计.11飞轮拓扑的优化设计.124轮毂的典型造型.14参考文献.151飞轮储能
9、技术储能技术是实现能源高效利用的重要途径，而飞轮储能技术具有储能密度大、功率密度大、效率高、寿命长、低污染等优点，在航空航天、汽车、电力系统等领域具有非常广泛的应用前景。采用磁悬浮轴承的磁悬浮飞轮系统，由于无摩擦力矩的影响，其控制力矩可以非常精确地作用于卫星，提高现有姿态控制系统的控制精度和稳定度，同时也能克服现在常用的滚珠轴承飞轮对姿态控制系统带来的振动等不良影响，较好地改善控制系统的总体性能。可以实现长寿命的运行。高速旋转的飞轮是飞轮储能的该系统最核心的储能部件，因此，飞轮设计问题是实现飞轮系统储能的关键技术，可以直接决定飞轮系统的储能性能。在此基础之上，设计出高可靠性、高性价比的飞轮就显
10、得尤为重要。以下是储能飞轮装置的典型结构原理图：图储能飞轮装置的典型结构原理图2飞轮的基本形状设计飞轮轮缘形状对储能性能的影响飞轮储能系统的储能元件就是高速旋转的飞轮，飞轮设计的优劣将直接决定飞轮系统储能的多少，因此，飞轮设计问题是实现飞轮系统储能的关键技术之一。飞轮转子的结构示意图如下图所示：图飞轮转子结构示意图一般情况下，飞轮设计在满足储能容量要求的同时，应尽可能地减少其质量，减小其体积，降低其成本，因此，可用以下三个指标评价飞轮的储能性能：质量储能密度、体积储能密度、成本储能密度。质量储能密度：体积储能密度：成本储能密度(性价比)：习惯上，通常所说的储能密度是指飞轮的质量储能密度。飞轮的
11、储能密度与飞轮材料的最大许用应力成正比，与飞轮材料的密度成反比。因此，要使飞轮单位质量储存更多的能量，则应使用比强度更高的材料，这也是制造飞轮时，复合材料要比金属材料更具有吸引力的原因。飞轮的储能密度与飞轮的形状系数也成正比。对于材料一定的飞轮，合理的结构形状可以使飞轮具有较大转动惯量、较轻质量的同时，还可使其应力分布更加均匀，材料利用更加充分，从而使其具有较高的极限转速，最终，提高飞轮的储能性能。表列出了匀质材料(泊松比为)的几种飞轮形状因数，从中可以看出，不同结构形状的飞轮形状因数差别是很大的。由此可见，除了采用高比强度的材料以外，优化飞轮的结构形状也是提高飞轮储能性能的关键举措。为了清晰
12、化影响飞轮储能性能的各因素之间的关系，这里用图示意了飞轮材料及结构形状决定飞轮储能性能的过程，如图所示。图飞轮储能性能影响因素关系图表飞轮轮缘形状的及其形状系数对于各向异性材料，等轴向长度的薄壁轮缘的具有最佳的形状系数，储能密度高，且制造方便。飞轮的几种基本形状典型的复合材料飞轮转子的设计模型包括扁平转子、锥形截面转子及其它形状的转子。扁平转子是等厚度转子。具体设计模型包括薄环、厚环和圆盘，扁平的环向缠绕环等。其形状因数已经在中有所提及。根据另一文献的分类，飞轮有单层圆柱状、多层圆柱状、纺缍状、伞状、实心圆盘、带式变惯量与轮幅状等。复合材料的飞轮转子大多采用环向缠绕的等厚圆环状飞轮，包括单层圆
13、环飞轮和多层圆环飞轮。单层圆环飞轮是由单一材料制成的环向缠绕环，多层圆环飞轮是由一组(通常为23个)环向缠绕环组装而成，结构如图所示。二、毛坯的制造方式1，毛坯的设计材料抗拉强度和塑性低，但铸造性能和减震性能好，因此毛坯选用铸件；该零件是中批量生产，零件的轮廓尺寸不大，所以企业根据实际情况可选用机械砂型铸造，其生产效率比手工制砂型高数倍至数十倍；又由于飞轮的内孔需要铸出，故应该安放型芯；此外，根据要求材料不能有疏松、夹杂等缺陷，为了消除残余应力，需要进行人工时效处理；2毛坯形状的确定铸件的外表面，内表面的拔模斜度分别为0o30，1o。铸件的支承底面壁部连接处的圆角半径为5mm，其余圆角半径为3mm。3毛坯尺寸和加工余量根据铸件材料为HT200，铸造方式为机械砂型铸造，查手册知：铸件的加工余量等级为MAG，尺寸公差等级为CT8-10级。查表：零零件的最大尺寸小于400mm。大外圆加工余量9mm，所以总的加工宽度尺寸为309mm。前端面的加工余量各为，底面加工余量为，?300mms上端面余量为3mm，毛坯总高度尺寸为230mm。小外圆的加工余量为6mm，
