机械弹性储能箱蜗簧衬片连接强度分析段巍，方涛，汤敬秋，王璋奇（华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003）摘要：蜗卷弹簧是机械弹性储能的关键零部件，其端部与芯轴和储能箱体内壁连接的强度直接影响蜗卷弹簧工作的可靠性。针对蜗卷弹簧外端与箱体内壁采用衬片固定的连接方式，采用阿基米德螺旋线建立了蜗簧和衬片的数学模型，推导了作用在衬片上的初始弯矩，针对不同长度的衬片建立了衬片连接有限元模型，对比了蜗簧和衬片有限元单元的应力大小及分布统计，得到了不同长度衬片对蜗卷弹簧的影响，确定了合适的衬片连接长度。研究成果可为蜗卷弹簧的安全运行提供有力依据。关键词：弹性储能；蜗卷弹簧；储能箱；衬片连接；有限元；应力分析1引言随着太阳能、风能等间歇性能源的开发和利用，储能技术的研究和发展变得日益重要。机械弹性储能以平面蜗卷弹簧为关键零部件，利用蜗卷弹簧受载时产生弹性变形，将机械能转化为弹性势能，卸载后将弹性势能转化为机械能的原理进行储能和释能，该储能方式具有储能大容量、高效率、低成本和无污染等优点[1-5]。图1为机械弹性储能系统示意图[6]，该系统以蜗卷弹簧储能箱为中心分为发电侧与储能侧。MW级储能箱制造厂家费用？山西变速储能箱排风量
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表明蜗簧受到的影响随着衬片长度的增加而减小。衬片应力分析不同衬片应力变化，如图12所示。为更好观察对比结果，调整衬片等效应力显示，保持**大值与**小值不变，如图13所示。对于不同长度衬片，除了l=100mm衬片的**大等效应力出现在右凸耳位置，其余长度的**大等效应力出现在左凸耳位置，且凸耳处的应力大于螺钉处受到的应力，这是由于螺钉与凸耳同时提供固定作用，而凸耳离自由端较近，产生的应变比螺钉处应变大；**小等效应力出现在衬片与螺钉连接一侧的边缘且不为零，这是因为衬片受载后变形，产生弧面切向力，使衬片固定端一侧受挤压作用从而产生微小的压缩变形。设小应力单元比例s定义为s=Nσi/Nn，Nσi表示单元应力σi≤80MPa的单元数，Nn为衬片的总单元数。图12表示蜗簧平均应力、小应力单元比例s与衬片长度l的关系，可以看出：随着衬片长度增加，平均应力值减小且降低率减缓，而小应力单元比例增加。这表明随l增加，衬片取决定作用的大应力单元比例逐渐降低，并且衬片的应力过渡趋于平缓，但是长度过大即小应力单元过多）会增加衬片的质量。
衬片的凸耳上施加圆柱支撑约束，蜗簧上施加驱动弯矩Mq，不同长度的衬片所受初始弯矩Me根据式（9）计算得到，如表2所示。其方向与驱动弯矩Mq相反。衬片长度为150mm连接的边界条件，如图9所示。图9边界条件BoundaryConditions应力分析蜗簧应力分析不同长度衬片连接下蜗簧的等效应力，为了让结果有更好的对比显示，保持**大值与**小值不变，如图10所示。当l等于100mm、125mm、150mm、175mm、200mm、225mm时所对应的**大等效应力分别为、、、、、，尽管不同长度下的**大等效应力值有差异，但出现的位置均在衬片的中间的螺钉孔处。图10不同长度衬片连接下蜗簧等效应力SpringEquivalentStressinDifferentGasketLength图11不同长度衬片连接下蜗簧平均应力SpringAverageStressinDifferentGasketLength从应力云图上看，蜗簧应力值整体上从左到右在减小，但是在离固定端长度为l（即衬片长度）位置周围有部分增大现象，并且这种现象随着l的增加会愈加不明显。随着衬片长度增加，蜗簧中的较小应力单元区域增大，表明蜗簧受到的平均应力值在减小。图11为不同衬板长度l下蜗簧单元受到的平均应力值，该值随着长度l增加而减小，且降低速度减缓。充电桩储能箱制造厂家费用？
Mpa）弹簧钢玻璃纤维衬片长度不同，蜗簧受到的弯矩也不同，分别采用长度为100mm、125mm、150mm、175mm、200mm、225mm的衬片进行有限元分析。图6初始形态实体模型EntityModelofInitialState1.蜗簧箱2.蜗卷弹簧3.芯轴图7衬片连接实体模型EntityModelofGasketConnection在Creo中建立蜗簧初始形态实体模型，如图6所示。其中蜗簧2与箱体1内壁采用衬片固定，为更好地研究连接处蜗簧与衬片的力学性能，截取蜗簧与箱体固定部分进行蜗簧连接有限元分析，衬片连接实体模型，如图7所示。衬片连接有限元模型图8有限元模型FiniteElementModel将衬片连接实体模型导入AnsysWorkbench中，采用系统默认的网格划分方法，网格单元为solid187。长度为150mm的衬片连接，其总节点个数为31952，总单元个数为18057，有限元模型，如图8所示。边界条件表2初始时衬片所受弯矩GasketBendingMomentofInitialState衬片长度l。新能源储能箱制造厂家费用？上海MW级储能箱的作用
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阿基米德螺旋蜗的圈数n取10圈，则式1中描述蜗簧形状的极坐标参数中b=3/2πmm/rad，a=R-2nπb=480-30=450mm。表1弹簧钢、玻璃纤维机械性能参数MechanicalPropertiesofSpringSteelandGlassFiber性能材料弹性模量E（Gpa）材料的密度ρ（kg/m3）抗拉强度极限σB（Mpa）弹簧钢玻璃纤维衬片长度不同，蜗簧受到的弯矩也不同，分别采用长度为100mm、125mm、150mm、175mm、200mm、225mm的衬片进行有限元分析。图6初始形态实体模型EntityModelofInitialState1.蜗簧箱2.蜗卷弹簧3.芯轴图7衬片连接实体模型EntityModelofGasketConnection在Creo中建立蜗簧初始形态实体模型，如图6所示。其中蜗簧2与箱体1内壁采用衬片固定，为更好地研究连接处蜗簧与衬片的力学性能，截取蜗簧与箱体固定部分进行蜗簧连接有限元分析，衬片连接实体模型，如图7所示。衬片连接有限元模型图8有限元模型FiniteElementModel将衬片连接实体模型导入AnsysWorkbench中，采用系统默认的网格划分方法，网格单元为solid187。长度为150mm的衬片连接，其总节点个数为31952，总单元个数为18057，有限元模型，如图8所示。边界条件表2初始时衬片所受弯矩GasketBendingMomentofInitialState衬片长度l。山西变速储能箱排风量
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