機械彈性儲能用大型蝸卷彈簧力學(xué)特性研究.pdf

1、儲能技術(shù)是解決現(xiàn)代電力系統(tǒng)諸多問題的尖端技術(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)鍵儲能部件的機械彈性儲能技術(shù)，設(shè)計了機械彈性儲能系統(tǒng)的總體方案，開展了儲能系統(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)分析了多種儲能技術(shù)的優(yōu)缺點，提出一種新型的以大型蝸卷彈簧作為儲能部件的機械彈性儲能技術(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算方法。

2、
　　(2)建立了機械彈性儲能系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，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)分為蝸簧儲能機械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)兩部分，分別分析了蝸簧儲能機械系統(tǒng)中蝸簧作為儲能關(guān)鍵零件的優(yōu)勢以及儲能箱的結(jié)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)中電機和變頻器的選擇控制方法。
　　(3)針對蝸簧在儲能前和儲能過程中形態(tài)的不斷變化，提出了形態(tài)迭代法，并運用該方法對蝸簧進行了非線性力學(xué)特性分析。儲能前，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

3、狀態(tài)，自由狀態(tài)對應(yīng)對數(shù)螺旋線形態(tài)，初始狀態(tài)對應(yīng)阿基米德螺旋線和對數(shù)螺旋線兩種形態(tài)，運用曲率變化和彎矩的關(guān)系推導(dǎo)了蝸簧在儲能前的彎矩及分布規(guī)律。儲能過程中，蝸簧對應(yīng)著兩種阿基米德螺旋線和一種對數(shù)螺旋線形態(tài)，運用形態(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)動慣量的形態(tài)迭代計算法，得到了儲能過程中蝸簧轉(zhuǎn)動慣量的變化規(guī)律。
　　(4)推導(dǎo)了蝸簧在儲能狀態(tài)時盼平衡方程、幾何

4、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。對蝸簧進行穩(wěn)定性分析和模態(tài)分析，得到失穩(wěn)時的臨界彎矩及蝸簧的頻率和振型。
　　(5)推導(dǎo)蝸簧儲能量和儲能密度的計算公式，分析了蝸簧儲能量和儲能密度的影響因素。通過對比三種蝸簧材料的儲能量和儲能密度，得到了材料的彈性模量、抗拉強度與儲能量和儲能密度的關(guān)系。提出改變蝸簧截面形狀提高儲能密度的方法，設(shè)計了異型截面蝸簧結(jié)構(gòu)，并做了優(yōu)