本文關(guān)鍵詞：機(jī)械彈性儲(chǔ)能用大型蝸卷彈簧力學(xué)特性研究

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【摘要】：儲(chǔ)能技術(shù)是解決現(xiàn)代電力系統(tǒng)諸多問(wèn)題的尖端技術(shù)之一,更是構(gòu)建智能電網(wǎng)及支撐新能源可持續(xù)發(fā)展不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。本文提出了一種以大型蝸卷彈簧作為關(guān)鍵儲(chǔ)能部件的機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù),設(shè)計(jì)了機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)的總體方案,開(kāi)展了儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵部件——大型蝸卷彈簧的力學(xué)特性研究。論文主要工作如下：(1)分析了多種儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),提出一種新型的以大型蝸卷彈簧作為儲(chǔ)能部件的機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù),闡述了該技術(shù)的工作原理以及常規(guī)蝸卷彈簧通用工程計(jì)算方法。(2)建立了機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案,分析了系統(tǒng)的工作原理和關(guān)鍵零部件的選擇原則；將系統(tǒng)分為蝸簧儲(chǔ)能機(jī)械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)兩部分,分別分析了蝸簧儲(chǔ)能機(jī)械系統(tǒng)中蝸簧作為儲(chǔ)能關(guān)鍵零件的優(yōu)勢(shì)以及儲(chǔ)能箱的結(jié)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)中電機(jī)和變頻器的選擇控制方法。(3)針對(duì)蝸簧在儲(chǔ)能前和儲(chǔ)能過(guò)程中形態(tài)的不斷變化,提出了形態(tài)迭代法,并運(yùn)用該方法對(duì)蝸簧進(jìn)行了非線性力學(xué)特性分析。儲(chǔ)能前,將蝸簧分為不受約束的自由狀態(tài)和在蝸簧箱內(nèi)的初始狀態(tài),自由狀態(tài)對(duì)應(yīng)對(duì)數(shù)螺旋線形態(tài),初始狀態(tài)對(duì)應(yīng)阿基米德螺旋線和對(duì)數(shù)螺旋線兩種形態(tài),運(yùn)用曲率變化和彎矩的關(guān)系推導(dǎo)了蝸簧在儲(chǔ)能前的彎矩及分布規(guī)律。儲(chǔ)能過(guò)程中,蝸簧對(duì)應(yīng)著兩種阿基米德螺旋線和一種對(duì)數(shù)螺旋線形態(tài),運(yùn)用形態(tài)迭代法分析了蝸簧三種形態(tài)相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律及蝸簧彎矩與輸入工作轉(zhuǎn)角的關(guān)系。將蝸簧看做特殊的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件,提出了蝸簧轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的形態(tài)迭代計(jì)算法,得到了儲(chǔ)能過(guò)程中蝸簧轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化規(guī)律。(4)推導(dǎo)了蝸簧在儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)的平衡方程、幾何方程和物理方程,分析了蝸簧截面的應(yīng)力分布狀態(tài)。建立蝸簧有限元數(shù)值分析模型,得到極限工作狀態(tài)下蝸簧的應(yīng)力分布。對(duì)蝸簧進(jìn)行穩(wěn)定性分析和模態(tài)分析,得到失穩(wěn)時(shí)的臨界彎矩及蝸簧的頻率和振型。(5)推導(dǎo)蝸簧儲(chǔ)能量和儲(chǔ)能密度的計(jì)算公式,分析了蝸簧儲(chǔ)能量和儲(chǔ)能密度的影響因素。通過(guò)對(duì)比三種蝸簧材料的儲(chǔ)能量和儲(chǔ)能密度,得到了材料的彈性模量、抗拉強(qiáng)度與儲(chǔ)能量和儲(chǔ)能密度的關(guān)系。提出改變蝸簧截面形狀提高儲(chǔ)能密度的方法,設(shè)計(jì)了異型截面蝸簧結(jié)構(gòu),并做了優(yōu)化,對(duì)比計(jì)算了不同截面結(jié)構(gòu)蝸簧的儲(chǔ)能密度,運(yùn)用有限元方法分析了蝸簧在最大工作扭矩作用下的應(yīng)力和形狀變化,驗(yàn)證了該方法的有效性。(6)建立了機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī),設(shè)計(jì)并制造了對(duì)稱式蝸簧儲(chǔ)能箱,配置了相關(guān)的電氣設(shè)備和檢測(cè)系統(tǒng)。設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù),完成了機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)能量和釋能發(fā)電的過(guò)程。通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn),驗(yàn)證了機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的合理性及蝸簧力學(xué)特性分析的正確性。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK02

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本文編號(hào)：1190563