一种混合缠绕复合材料轮辋的制作方法

1.本实用新型涉及飞轮储能系统所用轮辋的增强制造技术领域，具体为一种混合缠绕复合材料轮辋。


背景技术：

2.飞轮储能系统包括飞轮转子和附加的电机/发电机，通过使用电机加速飞轮转子将电能转换为机械能。能量在飞轮转子的运动中以运动方式储存，当需要时，使用发电机使旋转的飞轮转子减速，机械能被转换回电能。用飞轮系统代替传统的电化学电池进行电能储存，具有潜在的更高的可靠性、更长的寿命和更高的功率容量。
3.早期的飞轮储能系统采用了钢结构的飞轮转子，但是这种飞轮转子的性能较低，轮缘速度通常限制在400米/秒或以下。相比之下，由复合材料飞轮轮辋组成的飞轮转子可以以更高的速度运行（700-1000 米/秒）。更高的性能是强度重量比增加的结果。由于给定飞轮设计所储存的能量与轮缘速度的平方成正比，但仅与飞轮转子（轮缘和轮毂）质量成线性比例，因此研究人员一直热衷于研究速度更高的复合飞轮轮毂。
4.为了在电能质量和可靠性行业中具有竞争力，飞轮式储能系统必须与传统的基于电化学电池的储能竞争，后者可靠性低，成本低。为了有效地竞争，高性能复合材料飞轮轮辋必须以低成本制造。在众多的复合材料制备方法中，纤维缠绕技术是复合材料飞轮轮缘制造的最大潜力技术。纤维缠绕可以是一个高度自动化的过程，能够高速成型高质量的复材零件，这是高应力飞轮轮辋的固有要求。纤维缠绕飞轮轮辋通常设计为厚的，主要是环绕复合环，可以旋转到非常高的速度，因此能够非常有效的储能。
5.加工复合材料飞轮轮辋的关键问题之一是轮辋内径和轮毂外径之间的应变匹配，并已经使用了各种方法来实现这种应变匹配。例如，各种纤维可用于制造复合材料飞轮轮辋，以使轮辋的内径增长与轮毂的外径增长相匹配。通常，弹性模量较低的纤维置于内部，弹性模量较高的纤维置于外部。对于玻璃/碳纤维混杂复合材料轮辋，不仅要考虑轮毂外径增长与轮辋内径增长之间的关系，而且要考虑转子成本，从而确定玻璃纤维与碳纤维的混合比。更多的玻璃纤维可以降低成本，但也可能会产生更大的直径增长不匹配。
6.玻璃/碳纤维混合缠绕轮辋，起初其内部为全玻璃纤维复合材料，外部为全碳纤维复合材料。由所有玻璃纤维层和所有碳纤维层制成的轮辋的缺点是玻璃纤维和碳纤维复合材料之间的界面处存在应力和应变不连续性，这可能导致制造和操作过程中出现裂纹。
7.另外，在复合材料工业中，为了避免上述界面处的不连续性，人们提出将玻璃纤维与碳纤维混合。换言之，此种复合材料轮辋，其中碳纤维与玻璃纤维的混合比在径向上不断增加，并且碳纤维和玻璃纤维长丝在微观上均匀分散。这可能是一个理想的解决方案，但这是不容易制造这样的轮辋，必须导致高成本。
8.而实际解决方案是，其中碳纤维与玻璃纤维的混合比从轮辋内侧向外侧逐渐增加。也就是说，碳纤维与玻璃纤维的比率在每层中是恒定的。当用碳纤维丝束和玻璃纤维丝束缠绕层时，可以很方便地将大量丝束放在一条带中，并在其芯轴上环向缠绕，并使带中的
碳纤维束以径向排列的模式排列，如图3所示，这会产生玻璃纤维和碳纤维的不良分布，并可能在排列或堆叠的碳纤维区域与相邻的排列或堆叠的玻璃纤维区域之间产生较大的内部剪切力，此外，现有的轮辋外侧为设置防护结构，导致其在行驶时容易对轮辐造成伤害，从而影响整个轮辋的稳定性。


技术实现要素：

9.本实用新型的目的在于提供一种混合缠绕复合材料轮辋，以解决上述背景技术中提出的问题。
10.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种混合缠绕复合材料轮辋，包括芯轴，所述芯轴左右两侧均固定连接有轮缘，所述芯轴左右两端设置有纤维带，所述芯轴外表面设置有纤维层，所述轮缘内侧固定连接有轮辐，所述轮辐外表面固定连接有散热机构。
11.所述散热机构包括固定环，所述固定环固定在轮辐外表面，所述固定环前侧固定连接有固定座，所述固定座内侧开设有空腔，所述空腔内顶部固定连接有弹簧，所述弹簧底端固定连接有t型块，所述轮辐前侧设置有安装板，所述安装板前侧固定连接有引风叶片，所述安装板前侧开设有进风槽，所述安装板后侧固定连接有安装座，所述安装座后侧固定连接有安装块。
12.优选的，所述固定座前侧开设有安装槽，所述安装块后侧贯穿于安装槽并延伸入空腔内部，安装槽方便安装块的放入，所述安装块顶部开设有卡槽，所述t型块底部位于卡槽内侧，并对安装块进行限位。
13.优选的，所述固定座前侧开设有连接槽，所述连接槽内侧滑动连接有拉块，所述拉块固定连接在t型块前侧，在拉块的作用下可以取下安装板。
14.优选的，所述固定座顶部开设有螺孔，所述螺孔内侧螺纹连接有限位螺钉，所述限位螺钉底端贯穿于空腔顶部并延伸入空腔内部，限位螺钉对t型块进行限位。
15.优选的，所述纤维层内部设置有区域或列一，区域或列一左侧设置有区域或列二，所述区域或列一和区域或列二呈交错分布，有效降低了生产制造成本，提高了飞轮储能的竞争优势。
16.优选的，所述纤维层内部设置有区域或列三和区域或列四，所述区域或列三和区域或列四交叉分布在纤维层内部，增加了该轮辋的稳定性和安全性。
17.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
18.1、该混合缠绕复合材料轮辋，通过有效的缠绕长度的控制，实现了混合纤维束中具有高模量碳纤维束的宏观上的均匀分布，以将成本较低的玻璃纤维较宏观均匀的应用于复合材料轮辋的制备中，有效降低了生产制造成本，提高了飞轮储能的竞争优势，解决了玻璃纤维增强与碳纤维增强复合材料间存在应力和应变不连续性，极大的提高了飞轮高速运转过程中的平稳性与安全性。
19.2、该混合缠绕复合材料轮辋，通过设置散热机构，在使用过程中，散热机构结构简单，操作方便快捷，可以在轮辋工作时对轮辋进行散热，避免发电机内的高温造成纤维材料的损坏或者轮辋发生热变形的现象，提高了该装置的使用寿命，并且通过设置t型块和卡槽可以方便对安装板和引风叶片进行更换，增加了该装置的实用性。
附图说明
20.图1为缠绕树脂浸渍纤维束带的芯轴的平面示意图；
21.图2为芯轴上复合材料轮辋的截面示意图；
22.图3为本实用新型整体结构正面一侧示意图；
23.图4为本实用新型部分结构正面一侧示意图；
24.图5为本实用新型固定座左视剖面示意图；
25.图6为图4中a处放大结构示意图；
26.图7为沿与轮辋轴线平行的径向平面切割的复合材料飞轮轮缘的放大横截面的截面示意图；
27.图8为复合材料飞轮轮缘的放大横截面的截面图示意图；
28.图9为复合材料飞轮轮缘放大横截面的截面示意图。
29.图中：1、轮缘；2、芯轴；3、纤维带；4、纤维层；12、区域或列一；14、区域或列二；16、区域或列三；18、区域或列四；5、散热机构；501、空腔；502、拉块；503、安装板；504、安装座；505、安装块；506、t型块；507、弹簧；508、限位螺钉；509、固定座；510、固定环；511、安装槽；6、轮辐。
具体实施方式
30.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.本实用新型提供一种技术方案：
32.实施例一
33.请参阅图1-6，一种混合缠绕复合材料轮辋，包括芯轴2，芯轴2左右两侧均固定连接有轮缘1，芯轴2左右两端设置有纤维带3，芯轴2外表面设置有纤维层4，轮缘1内侧固定连接有轮辐6，轮辐6外表面固定连接有散热机构5。
34.散热机构5包括固定环510，固定环510固定在轮辐6外表面，固定环510前侧固定连接有固定座509，固定座509内侧开设有空腔501，空腔501内顶部固定连接有弹簧507，弹簧507底端固定连接有t型块506，轮辐6前侧设置有安装板503，所述安装板前侧固定连接有引风叶片512，所述安装板前侧开设有进风槽513，安装板503后侧固定连接有安装座504，安装座504后侧固定连接有安装块505，安装块505顶部开设有卡槽，t型块506底部位于卡槽内侧。
35.进一步的，固定座509前侧开设有安装槽511，安装块505后侧贯穿于安装槽511并延伸入空腔501内部，固定座509前侧开设有连接槽，连接槽内侧滑动连接有拉块502，拉块502固定连接在t型块506前侧，固定座509顶部开设有螺孔，螺孔内侧螺纹连接有限位螺钉508，限位螺钉508底端贯穿于空腔501顶部并延伸入空腔501内部，散热机构5结构简单，操作方便快捷，可以在轮辋工作时对轮辋进行散热，避免发电机内的高温造成纤维材料的损坏或者轮辋发生热变形的现象，提高了该装置的使用寿命，并且通过设置t型块506和卡槽可以方便对安装板503和引风叶片512进行更换，增加了该装置的实用性。
36.实施例二
37.结合图1-9，在实施例一的基础上进一步得到纤维层4内部设置有区域或列一12，区域或列一12左侧设置有区域或列二14，区域或列一12和区域或列二14呈交错分布，纤维层4内部设置有区域或列三16和区域或列四18，区域或列三16和区域或列四18交叉分布在纤维层4内部，通过有效的缠绕长度的控制，实现了混合纤维束中具有高模量碳纤维束的宏观上的均匀分布，以将成本较低的玻璃纤维较宏观均匀的应用于复合材料轮辋的制备中，有效降低了生产制造成本，提高了飞轮储能的竞争优势，解决了玻璃纤维增强与碳纤维增强复合材料间存在应力和应变不连续性，极大的提高了飞轮高速运转过程中的平稳性与安全性。
38.图1显示了一个芯轴2，用于将树脂浸渍的丝束纤维带3缠绕在芯轴2上，以产生如图2所示的细长环形复合材料轮辋，其可被切割成许多较短的环形飞轮轮辋。芯轴2有两个端部轮缘1，这有助于在缠绕纤维带3时将树脂浸渍纤维束限制在芯轴2的端部。芯轴2的长度lm是两个轮缘11端面之间的全长。纤维带3可以由多个纤维束组成：下面描述的一个示例中，纤维带3中有20个纤维束。纤维带3可以由碳纤维丝束和玻璃纤维丝束的混合组成，纤维束用湿树脂浸渍，通过缠绕装置缠绕在芯轴2上，当芯轴2转动时，缠绕装置沿芯轴2的纵向来回移动，并将纤维带3层层缠绕在芯轴2上。在一个区域中铺设若干这样的层，其中玻璃纤维束与碳纤维束的比率在每层中是恒定的。玻璃纤维丝束与碳纤维丝束的比例可以在下一个多层区域中逐渐增加，从而形成碳纤维丝束比例更大的区域。在每个后续区域中，碳纤维丝束的比例可以进一步增加，直到最后一个区域中所有丝束都是碳纤维丝束。例如，按照这种方法制造的复合材料飞轮可以从内到外在5个相邻区域内制造，如下所示：1层，10%cf，90%gf；2层，20%cf，80%gf；3层，50%cf，50%gf；4层，20%cf，80%gf ；5层，100%cf。如本文所用，“gf”是玻璃纤维，“cf”是碳纤维。
39.当纤维带3缠绕在芯轴2上时，可能出现玻璃纤维和碳纤维丝束的不期望分布，如图3所示，其中碳纤维丝束径向堆叠在排列的区域或列一12中，由径向堆叠的玻璃纤维丝束的区域或列二14隔开，所有这些区域或列二14都在环氧树脂基体中。飞轮轮辋在高速旋转过程中受到的作用力很大，相邻区域的玻璃纤维和碳纤维弹性模量的不同会导致相邻区域之间的剪切力。这些剪切力可能导致飞轮轮辋出现任何未知的故障或损坏，但最好通过将纤维束缠绕在芯轴2上以使碳纤维束在玻璃纤维束之间分布更均匀的方式来避免这种可能性。其目的是将纤维带3缠绕在芯轴2上，使碳纤维束在每个区域宏观上均匀分布。
40.我们发现，通过控制纤维带3绕在芯轴2上每转一圈时的导程率与缠绕长度之间的关系，可以实现这一目标。具体而言，研究发现，通过改变缠绕长度wl，同时保持芯轴2每转的导程率lr、芯轴2直径、纤维带3宽度和玻璃纤维丝束在纤维带3内的位置等其他参数，可以周期性地获得各种铺层模式。缠绕长度wl定义为芯轴2的一端与另一端在缠绕过程中纤维带3中心线的横向距离，如图1所示。导程率lr是一段纤维带3缠绕在芯轴2上时，相邻匝间的纵向距离。由于频带通常是重叠的，所以导频lr通常小于纤维带3带宽。为了制作出良好的复合材料轮辋，lr值不大于纤维的带宽。这是使复合材料轮辋在环向上足够坚固的最实用方法，方法是将纤维轴尽量靠近轮辋的环向。
41.第二层的混合缠绕层参数如下所示，其中碳纤维束在纤维纱架的位置为＃1和＃15，其他位置由玻璃纤维丝束占据。
[0042][0043]
一般描述如下。通过满足以下方程，可以避免不需要的纤维堆积图案，并获得理想的随机或均匀的碳纤维束分布。
[0044]
wl=(n+b/a)*lr
[0045]
wl+lr《lm
[0046]
n：当wl除以lr时获得的最大整数
[0047]
a：大于b的整数
[0048]
b：小于a的整数
[0049]
b / a \ 1,1 / 2，1 / 3，1 / 4
[0050]
wl：圈线长度（英寸）
[0051]
lr：导频（英寸）
[0052]
lm：两个芯轴2边缘的内表面之间的距离（英寸）
[0053]
m * lr = n * sp
[0054]
m：整数≥2
[0055]
n：整数≥2
[0056]
sp：光纤间距（英寸）
[0057]
湿丝缠绕是复合轮辋的优选制造方法，其中在缠绕过程中将热固性树脂（例如环氧树脂）浸渍到原始纤维中。纤维布置在丝束中，并且碳纤维丝束的宏观分布优选在整个边缘上是均匀的或无规的。碳纤维和玻璃纤维集中在这些丝束中，因此实际纤维的分布不是均匀或无规的，而是丝束的分布是均匀或无规的；这就是“宏观”均匀或随机分布的含义。
[0058]
在实际操作过程中，当此装置使用时，在安装时将安装板503后侧的安装块505放入对应的安装槽511内后，在弹簧507的作用下使t型块506进入到对应的卡槽内，然后通过转动限位螺钉508调节限位螺钉508的距离，从而对t型块506的位置进行限位，通过设置安装板503和引风叶片512以及进风槽513，从而当轮辋转动时可以带动引风叶片512转动，引风叶片512转动带动空气进入到进风槽513内，再通过进风槽513进入到轮辋内部，对轮辋内部进行散热。
[0059]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。