CN103867642B - 转筒式高速复合材料转子及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料结构技术领域，特别涉及一种转筒式高速复合材料转子及其制作方法。转筒式高速复合材料转子包括上环箍、筒体、上端盖、上管轴、下环箍、下端盖和下芯轴，筒体的筒壁的材料是基体为环氧树脂的复合材料，由环向缠绕纤维层和轴向纤维铺层交替合成，上端盖和下端盖均为螺旋式扇形织构叠层与基体复合模压成型的复合材料圆环板。本发明最主要特点为：筒体采用碳纤维单向布作为筒体的轴向刚度强化铺层，增加转筒的轴向长度；端盖中的纤维为螺旋式扇形织构叠层，螺旋式扇形织构采用斜纹织构或斜纹/平纹织构混合织构，螺旋式扇形织构叠层收尾处缝纫强化，提高了纺织织构预制件的结构稳定性。本发明适用于高速离心机或高速飞轮。
Description
技术领域
本发明属于复合材料结构技术领域，特别涉及一种转筒式高速复合材料转子及其制作方法。
背景技术
工业中存在许多小型高速旋转机械：比如飞轮储能电源机组、离心机和涡轮分子泵等，为承担转子高速旋转时巨大的离心应力，转子结构材料一般采用高比强度（高强度、低密度）的超硬铝、钛合金以及纤维增强复合材料。
旋转结构件的应力跟随转速上升而按平方关系增加，受金属材料强度和密度的制约，飞轮储能密度难以超过40Wh/kg，转筒结构的转子外缘线速度难以超过500m/s。玻璃纤维和碳纤维等高性能纤维已被广泛应用于制造复合材料高速转子。
目前比较成熟的高速飞轮或离心机转子制造工艺是采用预浸环氧树脂的纤维环向缠绕芯模，获得预定厚度的转筒后高温固化脱模而成，连接转筒与芯轴一般采用金属制成的轮毂或端盖结构。金属材料轮毂或端盖的强度有限、刚度协调能力不足限制了转子速度的进一步提高。纤维缠绕转子的轴向刚度不足还限制了转筒长度的增加。
纤维缠绕的复合材料转子是各向异性的，其环向与纤维方向一致，因此强度很高，可以达到1000MPa以上；而径向强度主要由环氧树脂与纤维/树脂界面提供，通常低于30MPa。均匀材料圆盘形转子工作在高速旋转状态，其环向拉应力与径向拉应力与转速的平方成正比，最大径向拉应力还与转子径向厚度的平方成正比。对于纤维环向缠绕的复合材料转子，其较低的径向强度大大制约了径向厚度，因此不适合作为大径向尺寸的轮毂以及转子端盖。国内外学者对此问题进行了大量研究，提出了多层圆环复合材料转子设计方法，采用一组环向缠绕的薄圆环组成，各圆环层间再采用过盈装配，以产生层间预压应力来平抑转子旋转时产生径向拉应力，也可以采用纤维张紧缠绕来实现层间的预压应力。
为解决纯环向缠绕复合材料径向强度不足的问题的另一个思路是在径向引入强化纤维，一种方式是纯径向纤维铺层与环向缠绕层混合叠层；另一种的方式是引入纺织工艺，在环向分布主要纤维的同时径向织构适当纤维强化径向强度，织造出圆环板形织物螺旋叠层，并与环氧树脂复合得到高径向强度圆环板（空心薄圆盘）转子。
专利US5702795提出一种螺旋正交机织纤维织构预制件，用作储能飞轮，该织构的特点是层内环向纱线纤维排列密度沿径向增大而增加。该专利没有明确说明纺织结构中纱线的交织细节，螺旋叠层最外层的收尾问题没有解决方案。
国际专利WO97/47898（PCT/US97/11500）及中国专利CN1228147A公布了一种螺旋形编织复合材料飞轮轮缘，该结构的特点是轮缘织构的径向中间部分分布较多的径向纤维，以承担较大的径向应力，单层织构采用正交二维平纹织构或三维正交织构，该专利同样没有解决螺旋叠层的收尾问题。平纹织构及三维正交织构稳定性高，但因交织点密，纤维弯曲较严重而导致纤维强度损失较多。
日本专利JP2251631-A的纺织圆盘织构的环向纤维采用单一连续纤维束由内向外螺旋排布，形成一单层完整圆盘，避免了螺旋叠层结构的收尾问题。
中国专利02129080.6“一种机织物及其织造方法”为螺旋叠层圆环织构提供了纤维织物的成熟方法。
工程实践表明，螺旋叠层或环向缠绕转子的最外层收尾处理不好，高速旋转结构件的局部破坏或材料脱落引起的失衡量将会对转子的高速运行造成严重的破坏。这是因为环向纤维最外层不连续，在收尾处局部强度取决于纤维与基体的连接强度，该强度远远低于纤维的强度，从而成为局部强度弱点。收尾处的局部强化是螺旋叠层圆环板结构实用化的前提条件。环向缠绕叠层的收尾采用插入次外层与和次外层相邻的缝隙之间并通过与张力锁紧方法处理，但轴向螺旋叠层无法采用类似的方法处理。
纤维环向缠绕的转筒的因纤维高刚度方向与转筒轴向垂直，轴向刚度完全由低刚度的环氧树脂提供，纤维环向缠绕转子轴向刚度不足限制了转筒的长度增加，因为较长的低轴向刚度转筒的弯曲临界频率较低，从而限制了转子的最高工作频率。而转筒长度增加对提高离心机的分离能力和提高转子储能量是十分必要的，增加转筒长度又不减少弯曲临界频率的技术方法是提高转筒的轴向刚度，即沿轴向铺设必要的强化纤维。
因此，对于用作飞轮轮毂或离心机转子复合材料结构，为了达到高速性能，需要一种对转筒的筒壁结构和端板的螺旋叠层进行强化处理的技术方案，提高转筒式高速复合材料转子的转筒的轴向刚度和端板螺旋叠层的强度。
发明内容
本发明的目的在于解决背景技术所述的达到飞轮轮毂或离心机转子复合材料结构的高速性能的问题，提供一种转筒式高速复合材料转子及其制作方法。
本发明的技术方案如下：
转筒式高速复合材料转子包括上环箍1、筒体2、上端盖3、上管轴4、下环箍5、下端盖6和下芯轴7，各零件为轴对称结构，组装后具有共同的旋转中心轴线；所述筒体2的外壁半径R为100～150mm，筒体中部内壁半径为R3，R与R3之差，即筒体壁厚d为5～60mm，内壁的上端口和下端口为台阶结构，自上向下，上端口的内壁半径分别为R1和R2，下端口的内壁半径分别为R4和R5，从R1至R5，R1、R2、R3、R4、R5依次按相同的增加量递增，增加量为0.4～0.8mm，筒体2的长度与直径比为3∶1到5∶1；
上端盖3和下端盖6均为圆环板，上端盖3和下端盖6的厚度为5～10mm，上端盖3的外圆直径为2R2，内圆直径为20～60mm，下端盖6的外圆直径为2R4，内圆直径为20～60mm；
上管轴4由圆管段和圆环段构成，圆管段为两端相通的圆管，圆管段的外直径与上端盖3的内圆直径相同，下芯轴7由末端轴段和连接段构成，连接段的外直径与下端盖6的内圆直径相同，末端轴直径为5～10mm；
上端盖3的外圆与筒体2上端口半径R2的内壁密封固接，下端盖6的外圆与筒体2下端口半径R4的内壁密封固接，上管轴4的圆管段在上端盖3圆孔中与上端盖3密封固接，上管轴4作为转子上支承的结构件和液体进出口，下芯轴7的连接段在下端盖6圆孔中与下端盖6密封固接，下芯轴7作为转子下支承的结构件；
上环箍1固接在筒体2外壁上端，下环箍5固接在筒体2外壁下端；
所述筒体2的筒壁的材料是基体为环氧树脂的复合材料，由环向缠绕纤维层21和轴向纤维铺层22交替合成，总层数为2n+1，n为5～30的正整数，单层厚度为0.3～1.8mm，其中，从内层到外层，奇数层为环向缠绕纤维层21，偶数层为轴向纤维铺层22，环向缠绕纤维层21和轴向纤维铺层22的单层厚度相同或者不相同，所述环向缠绕纤维层21的纤维为高强度碳纤维，纤维环向缠绕，所述轴向纤维铺层22的纤维为高模量碳纤维单向布，单向布的主纤维取向为轴向设置；环向纤维缠绕层21提供承担转子高速旋转时的离心应力所需要的力学强度，采用碳纤维单向布的轴向纤维铺层22提供转子的轴向抗弯刚度，保证筒体的弯曲临界频率充分高于转子的最高工作频率；
所述上端盖3和下端盖6均为螺旋式扇形织构叠层与基体复合模压成型的复合材料圆环板，复合材料的基体为环氧树脂、铝合金或镁合金；
所述螺旋式扇形织构叠层的螺旋式扇形织构为正交织构，采用斜纹或斜纹/平纹混合织造工艺，螺旋式扇形织构的经纱与纬纱的交织方式为二上二下的斜纹织造或斜纹与单上单下的平纹混合织造，螺旋式扇形织构叠层的层数为5～20，单层厚度0.5～2.0mm，经纱和纬纱的材料为高强度碳纤维；在螺旋式扇形织构叠层沿厚度方向的最外层收尾处与其相邻的次外层采用缝纫强化，防止收尾处因环向纤维断头处强度不足引起复合材料结构局部破坏；
所述上环箍1和下环箍5均为缠绕在筒体2上的高模量碳纤维强化的树脂基复合材料圆环，上环箍1和下环箍5具有高环向刚度，分别设置在筒体2外壁上端和下端的上环箍1和下环箍5，限制筒体2在离心力载荷下的变形，使得旋转条件下筒体2与圆环板形的上端盖3和下端盖6变形协调而不松脱；
所述上管轴4和下芯轴7的材料为合金钢；
所述管轴4在上端盖3圆孔中与上端盖3密封固接和下芯轴7在下端盖6圆孔中与下端盖6密封固接均为过盈装配；
所述上端盖3与筒体2的密封固接，下端盖6与筒体2的密封固接为过渡配合装配；
转筒式高速复合材料转子制作方法：
1.制作筒体2：
A.按筒体2的形状及长度、厚度d、外径R的数据，以及从内径R1至内径R5，R1、R2、R3、R4、R5依次递增的增加量数据制作筒体成形芯模；
B.用湿法缠绕方法在筒体成形芯模上端半径为R1和R2的表面上缠绕经环氧树脂浸润高强度碳纤维，直到半径为R3的表面一致，加热固化，形成填平筒体成形芯模上端半径为R1和R2的复合材料台阶层；
C.用湿法缠绕方法从筒体成形芯模上端向下缠绕经环氧树脂浸润高强度碳纤维，加热固化，形成第1层为环向缠绕纤维层21；
D.裁取长度与筒体同高、宽度与第1层环向缠绕纤维层21外圆等长的高模量碳纤维单向布，浸润环氧树脂后，按主纤维方向与筒体轴向相同取向铺设在第1层环向缠绕纤维层21外，加热固化，形成第2层为轴向纤维铺层22；
E.重复步骤C和D，形成第3层环向缠绕纤维层21和第4层轴向纤维铺层22，直到形成第2n+1层环向缠绕纤维层21，随层数增加，把筒体成形芯模下端半径为R4和R5的表面部分一起覆盖；
F.加热固化后脱模，制得筒壁为碳纤维增强环氧树脂复合材料的筒体2，备用；
2.制作上端盖3和下端盖6：
A.按照上端盖3和下端盖6的外径、内径和厚度尺寸数据，以及上端盖3的外圆与筒体2上端口半径R2的内壁过渡配合装配，下端盖6的外圆与筒体2下端口半径R4的内壁过渡配合装配，上管轴4在上端盖3圆孔中与上端盖3过盈装配，下芯轴7在下端盖6圆孔中与下端盖6过盈装配的要求分别设计螺旋式扇形织构，并用经纱31和纬纱32织造螺旋式扇形织构；
螺旋式扇形织构的纺织要求为：
螺旋式扇形织构为正交织构，采用斜纹或斜纹/平纹混合织造工艺，螺旋式扇形织构的经纱与纬纱的交织方式为二上二下的斜纹织造或二上二下的斜纹与单上单下的平纹混合织造；
经纱与纬纱体积之和与同基体材料复合形成的圆环板体积之比为40～60%，纤维体积占比越高，圆环板复合结构强度越高，可以获得更高的旋转速度；
使用1～5束单束纤维根数为3k、6k或12k的高强度碳纤维组合成交织纱线，作为纺织纱线，其中1k为1000根纤维；
螺旋式扇形织构中，环向排布的经纱与径向排布的纬纱纤维体积比为2∶1到5∶1，通过采用不同单束纤维根数为3k、6k或12k的高强度碳纤维组合成交织纱线实现；
螺旋式扇形织构的单层厚度为0.5～2mm；
为保证固化工艺中基体的浸润性能，环向经纱的纱线最大纤维丝含量和径向纬纱的纱线最大纤维丝含量均不超过60k；
B.制作圆环板端盖的螺旋式扇形织构叠层：
按照上端盖3和下端盖6的厚度尺寸数据，分别从步骤A获得的螺旋式扇形织构截取圆环板端盖的螺旋式扇形织构叠层用的螺旋式扇形织构，为保证固化工艺中基体的浸润性能，螺旋式扇形织构叠层的层数为5～20，底层收尾边沿与顶层收尾边沿在环向上处于同一条半径上；
螺旋式扇形织构叠层的底层收尾处与次底层以及顶层收尾处与次顶层在厚度方向上分别缝纫强化，底层的缝纫强化区33和顶层的缝纫强化区33为面积相同的扇形区，缝纫强化区33外圆弧长度为螺旋式扇形织构单层厚度10～30倍，缝纫工艺中，采用往返不重复的“弓”字形径向连续路径，缝纫线34采用高强度尼龙丝线，丝线直径为0.05～0.1mm；
C.按照上端盖3和下端盖6的外径、内径和厚度尺寸数据设置树脂传递模塑工艺装备，即RTM工艺装备，采用RTM工艺将纤维纺织的螺旋式扇形织构叠层与环氧树脂复合固化，或者采用真空模铸工艺将纤维纺织的螺旋式扇形织构叠层与铝合金、镁合金固化，得到螺旋叠层纺织复合材料圆环板的上端盖3和下端盖6；
3.按照上管轴4和下芯轴7尺寸要求制作上管轴4和下芯轴7，上管轴4和下芯轴7的材料均为合金钢；
4.在筒体2上装配上端盖3、下端盖6、上管轴4和下芯轴7：
A.采用过盈装配，将上管轴4的圆管段装配在上端盖3的圆孔内，实现上管轴4与上端盖3的密封固接，将下芯轴7的连接段装配在下端盖6的圆孔内，实现下芯轴7与下端盖6的密封固接；
B.用过渡配合装配将上端盖3装配在筒体2上端口半径R2的内壁上，实现上端盖3与筒体2的密封固接，上管轴4的圆管段向外；
C.用过渡配合装配将下端盖6装配在筒体2下端口半径R4的内壁上，实现下端盖6与筒体2的密封固接，下芯轴7的末端轴段向外；
5.在筒体2的上端和下端分别制作上环箍1和下环箍5：
A.按照上环箍1和下环箍5尺寸要求，用湿法缠绕方法缠绕浸润环氧树脂的高模量碳纤维分别缠绕在筒体2外壁的上端和下端；
B.经加热固化形成环氧树脂复合材料的上环箍1和下环箍5；
6.经检验合格，获得转筒式高速复合材料转子。
本发明制作的转筒式高速复合材料转子具有如下优点：
1.采用具有碳纤维单向布轴向铺层与环向缠绕纤维层交替组合，实现了筒体轴向刚度增强，可提高筒体的长度直径比，从而提高离心机的分离能力或增加飞轮转子的储能量；
2.转子的上端盖和下端盖为高强度、高刚度的纺织复合材料，实现上管轴和下芯轴与筒体的连接的变形协调，其综合性能超过金属材料端盖，提高了离心机或飞轮转子的工作速度；
3.螺旋式扇形织构采用连续斜纹或斜纹/平纹混合机织工艺，斜纹织构纤维弯曲度较平纹小，其稳定性较缎纹高，综合性能最好；
4.圆环板端盖的螺旋式扇形织构叠层底层收尾边沿与顶层收尾边沿在环向上处于同一条半径上，圆环板的不平衡量较小；螺旋式扇形织构叠层的底层收尾处与次底层以及顶层收尾处与次顶层在厚度方向上缝纫强化，解决了螺旋叠层织构复合材料实用化的瓶颈难题；
5.圆环板端盖的复合材料纤维体积比、经纱纬纱纤维丝数量比可调节优选，实现复合材料结构径向强度与环向强度的整体协调；径向纤维的适量分布既提高了强度，又保持了端盖的低刚度特性，可以实现大变形协调。
6.环箍采用高模量碳纤维，其高刚度特性保证了筒体和端盖变形协调。
本发明最主要特点有：
采用碳纤维单向布作为筒体的轴向刚度强化铺层，使得该铺层内的碳纤维全部沿轴向稳定排列，调整铺层的层数和单向布的厚度，获得足够的轴向刚度，从而增加转筒的轴向长度；
在复合材料的端盖中，纤维为螺旋式扇形织构叠层，螺旋式扇形织构的正交织构采用2/2斜纹织构（两上两下交织），具有纤维弯曲较少、结构较稳定的特点；纱线采用小丝束织造条件下，采用2/2斜纹与高交织密度的平纹织构混合织构以及螺旋式扇形织构收尾处缝纫强化，提高了纺织织构预制件的结构稳定性。
本发明的转子结构中，筒体厚度为30～60mm时，转子质量大部远离旋转轴线，筒体轴向尺寸远远大于通常盘形飞轮转子。转子高速旋转时成为一个大储能量、高能量密度的储能飞轮，配合电动/发电一体化电机及充电/放电控制器，组成高性能飞轮储能充放电系统。
本发明的转子结构中，筒体厚度为5～10mm时，因具有端盖而形成了一定的圆柱空间，高速旋转起来时，可以容纳一定的液体或气体产生分离效应，中空的上管轴为液体或气体引入及导出的管道提供了安放空间，可应用连续供取分离介质的高速离心机。
本发明的有益效果为，采用的缠绕及纺织纤维增强复合材料的密度远低于金属材料，因此复合材料转子的工作转速大大超过同样尺寸金属材料转子，从而显著提高了离心机的分离能力或储能飞轮的总动能。
附图说明
图1转筒式高速复合材料高速转子结构示意图；
图1A图1中A区放大示意图；
图1B图1中B区放大示意图；
图2筒体的筒壁结构示意图；
图3圆环板端盖的螺旋式扇形织构叠层结构示意图；
图4螺旋式扇形织构示意图；
图5二上二下的斜纹织构示意图；
图6单上单下的平纹织构示意图；
图7缝纫强化区缝合路径示意图。
图中，1--上环箍，2--筒体，3--上端盖，4--上管轴，5--下环箍，6--下端盖，7--下芯轴，21--环向缠绕纤维层，22--轴向纤维铺层，31--经纱，32--纬纱，33--缝纫强化区，34--缝纫线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。
转筒式高速复合材料高速转子实施例的结构示意图如图1所示，转筒式高速复合材料转子包括上环箍1、筒体2、上端盖3、上管轴4、下环箍5、下端盖6和下芯轴7，各零件为轴对称结构，组装后具有共同的旋转中心轴线。筒体2的外壁半径R为100mm，筒体中部内壁半径为R3，R与R3之差，即筒体壁厚d为10mm，如图1A和图1B所示，内壁的上端口和下端口为台阶结构，自上向下，上端口的内壁半径为R1和R2，下端口的内壁半径分别为R4和R5，从R1至R5，R1、R2、R3、R4、R5依次按相同的增加量递增，增加量为0.5mm，即R1为89mm，R2为89.5mm，R3、为90mm，R4为90.5mm，R5为91mm，筒体2的长度为300mm。
上端盖3和下端盖6均为圆环板，上端盖3和下端盖6的厚度为5mm，上端盖3的外圆直径为179mm，内圆直径为30mm，下端盖6的外圆直径为182mm，内圆直径为30mm。
上管轴4由圆管段和圆环段构成，圆管段为两端相通的圆管，圆管段的外直径为30mm。下芯轴7由末端轴段和连接段构成。连接段的外直径为30mm，末端轴径为10mm。上管轴4和下芯轴7的材料为合金钢。
用过盈装配，上端盖3的外圆与筒体2上端口半径R2的内壁密封固接，下端盖6的外圆与筒体2下端口半径R4的内壁密封固接。用过渡配合装配，上管轴4的圆管段在上端盖3圆孔中与上端盖3密封固接，上管轴4作为转子上支承的结构件和液体进出口，下芯轴7的连接段在下端盖6圆孔中与下端盖6密封固接，下芯轴7作为转子下支承的结构件。上环箍1固接在筒体2外壁上端，下环箍5固接在筒体2外壁下端。
筒体2的筒壁的材料是基体为环氧树脂的复合材料，由环向缠绕纤维层21和轴向纤维铺层22交替合成，总层数为21，其中，从内层到外层，奇数层为单层厚度0.63mm的环向缠绕纤维层21，偶数层为单层厚度0.3mm的轴向纤维铺层。环向缠绕纤维层21的纤维为高强度碳纤维，纤维环向缠绕。轴向纤维铺层22的纤维为高模量碳纤维单向布，单向布的主纤维取向为轴向设置；环向纤维缠绕层21提供承担转子高速旋转时的离心应力所需要的力学强度，采用碳纤维单向布的轴向纤维铺层22提供转子的轴向抗弯刚度，保证筒体的弯曲临界频率充分高于转子的最高工作频率。
上端盖3和下端盖6均为螺旋式扇形织构叠层与基体复合模压成型的复合材料圆环板，复合材料的基体为环氧树脂。
螺旋式扇形织构叠层的螺旋式扇形织构的经纱与纬纱的交织方式为二上二下的斜纹与单上单下的平纹混合织造，螺旋式扇形织构叠层的层数为8，单层厚度0.61mm。经纱和纬纱的材料为高强度碳纤维。在螺旋式扇形织构叠层沿厚度方向的最外层收尾处与其相邻的次外层采用缝纫强化，防止收尾处因环向纤维断头处强度不足引起复合材料结构局部破坏。
上环箍1和下环箍5均为缠绕在筒体2上的高模量碳纤维强化的树脂基复合材料圆环，上环箍1和下环箍5具有高环向刚度，分别设置在筒体2的上端和下端的上环箍1和下环箍5，限制筒体2在离心力载荷下的变形，使得旋转条件下筒体2与圆环板形的上端盖3和下端盖6变形协调而不松脱。
制作所述转筒式高速复合材料高速转子实施例的工艺步骤为：
第一步分别制作筒体2、上端盖3、下端盖6、上管轴4、下芯轴7：
1.制作筒体2：
A.按筒体2的形状及长度、厚度d、外径R的数据，以及从内径R1至内径R5，R1、R2、R3、R4、R5依次递增的增加量数据制作筒体成形芯模；
B.用湿法缠绕方法在筒体成形芯模上端半径为R1和R2的表面上缠绕经环氧树脂浸润高强度碳纤维，直到半径为R3的表面一致，加热固化，形成填平筒体成形芯模上端半径为R1和R2的复合材料台阶层；
C.用湿法缠绕方法从筒体成形芯模上端向下缠绕经环氧树脂浸润高强度碳纤维，加热固化，形成第1层为环向缠绕纤维层21，厚度为0.63mm，加热固化。高强度碳纤维为12k-T700纤维。
D.裁取长度与筒体同高、宽度与第1层环向缠绕纤维层21外圆等长的高模量碳纤维单向布，浸润环氧树脂后，按主纤维方向与筒体轴向相同取向铺设在第1层环向缠绕纤维层21外，加热固化，形成第2层为轴向纤维铺层22。高模量碳纤维单向布的厚度为0.3mm。
E.重复步骤C和D，形成第3层环向缠绕纤维层21和第4层轴向纤维铺层22，直到形成第21层环向缠绕纤维层21，随层数增加，把筒体成形芯模下端半径为R4和R5的表面部分一起覆盖；。
F.加热固化后脱模，制得筒壁为碳纤维增强环氧树脂复合材料的筒体2，备用。
2.制作上端盖3和下端盖6：
A.按照上端盖3和下端盖6的外径、内径和厚度尺寸数据，以及上端盖3的外圆与筒体2上端口半径R2的内壁过渡配合装配，下端盖6的外圆与筒体2下端口半径R4的内壁过渡配合装配，上管轴4在上端盖3圆孔中与上端盖3过盈装配，下芯轴7在下端盖6圆孔中与下端盖6过盈装配的要求分别设计螺旋式扇形织构，并用经纱31和纬纱32织造如图4所示的螺旋式扇形织构；
螺旋式扇形织构的纺织要求为：
环向经纱31采用单束12K东丽T700碳纤维，径向纬纱32采用单束3K东丽T300碳纤维，分别组合成交织纱线，作为纺织纱线。采用二维正交机织仿形织造技术，获得螺旋式扇形织构。环向排布的经纱31与径向排布的纬纱32正交机织。多股连续经纱31沿环方向均匀排列，并与纬纱22交织。多股纬纱22沿半径方向均匀分布并与经纱31交织；
经纱与纬纱体积之和与同基体材料复合形成的圆环板体积之比为60%；
螺旋式扇形织构中，环向排布的经纱与径向排布的纬纱纤维体积比为4∶1；
螺旋式扇形织构的单层厚度为0.61mm；
螺旋式扇形织构采用二上二下的斜纹与单上单下的平纹混合织造：半径小于内外半径的平均值的扇形内侧采用二上二下的2/2斜纹织构，如图5所示；半径大于内外半径的平均值的扇形外侧，采用单上单下的平纹织构，如图6所示。
螺旋式扇形织构的仿形织造技术细节详见专利02129080.6，“一种机织物及其织造方法”和论文：“圆环形机织布的织造与设”，天津工业大学学报，2005，24（4）：18-20。
B.制作如图3所示的圆环板端盖的螺旋式扇形织构叠层：
按照上端盖3和下端盖6的厚度尺寸数据，分别从步骤A获得的螺旋式扇形织构截取圆环板端盖的螺旋式扇形织构叠层用的螺旋式扇形织构，叠层的层数为8层，底层收尾边沿与顶层收尾边沿在环向上处于同一条半径上；
在螺旋式扇形织构叠层的底层收尾处与次底层的扇形缝纫强化区33以及顶层收尾处与次顶层的扇形缝纫强化区33分别进行缝纫强化，，缝纫强化区33外圆弧长度为螺旋式扇形织构单层厚度的20倍，即12.2mm。缝纫工艺中，采用往返不重复的“弓”字形径向连续路径，如图7所示，缝纫线34采用高强度尼龙丝线，丝线直径0.05mm。
C.按照上端盖3和下端盖6的外径、内径和厚度尺寸数据设置树脂传递模塑工艺装备，即RTM工艺装备，采用RTM工艺将纤维纺织的螺旋式扇形织构叠层与环氧树脂复合固化，得到螺旋叠层纺织复合材料圆环板的上端盖3和下端盖6。
3.按照上管轴4和下芯轴7尺寸要求制作上管轴4和下芯轴7，上管轴4和下芯轴7的材料为合金钢。
第二步在筒体2上装配上端盖3、下端盖6、上管轴4和下芯轴7
A.采用过盈装配，将上管轴4的圆管段装配在上端盖3的圆孔内，实现上管轴4与上端盖3的密封固接，将下芯轴7的连接段装配在下端盖6的圆孔内，实现下芯轴7与下端盖6的密封固接
B.用过渡配合装配将上端盖3装配在筒体2上端口半径R2的内壁上，实现上端盖3与筒体2的密封固接，上管轴4的圆管段向外；
C.用过渡配合装配将下端盖6装配在筒体2下端口半径R4的内壁上，实现下端盖6与筒体2的密封固接，下芯轴7的末端轴段向外。
第三步在筒体2的上端和下端分别制作上环箍1和下环箍5
A.按照上环箍1和下环箍5尺寸要求，用湿法缠绕方法缠绕浸润环氧树脂的高模量碳纤维分别缠绕在筒体2外壁的上端和下端；
B.经加热固化形成环氧树脂复合材料的上环箍1和下环箍5。
第四步检验合格后，获得所要求的转筒式高速复合材料转子。
本发明适用于高速离心机或高速飞轮。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种转筒式高速复合材料转子，包括上环箍(1)、筒体(2)、上端盖(3)、上管轴(4)、下环箍(5)、下端盖(6)和下芯轴(7)，各零件为轴对称结构，组装后具有共同的旋转中心轴线，其特征在于，所述筒体(2)的外壁半径R为100～150mm，筒体中部内壁半径为R3，R与R3之差，即筒体壁厚d为5～60mm，内壁的上端口和下端口为台阶结构，自上向下，上端口的内壁半径分别为R1和R2，下端口的内壁半径分别为R4和R5，从R1至R5，R1、R2、R3、R4、R5依次按相同的增加量递增，增加量为0.4～0.8mm，筒体(2)的长度与直径比为3∶1到5∶1；
所述上端盖(3)和下端盖(6)均为圆环板，上端盖(3)和下端盖(6)的厚度为5～10mm，上端盖(3)的外圆直径为2R2，内圆直径为20～60mm，下端盖(6)的外圆直径为2R4，内圆直径为20～60mm；
所述上管轴(4)由圆管段和圆环段构成，圆管段为两端相通的圆管，圆管段的外直径与上端盖(3)的内圆直径相同，所述下芯轴(7)由末端轴段和连接段构成，连接段与下端盖(6)的内圆固接，连接段的外直径与下端盖(6)的内圆直径相同，末端轴直径为5～10mm；
上端盖(3)的外圆与筒体(2)上端口半径R2的内壁密封固接，下端盖(6)的外圆与筒体(2)下端口半径R4的内壁密封固接，上管轴(4)的圆管段在上端盖(3)圆孔中与上端盖(3)密封固接，上管轴(4)作为转子上支承的结构件和液体进出口，下芯轴(7)的连接段在下端盖(6)圆孔中与下端盖(6)密封固接，下芯轴(7)作为转子下支承的结构件，上环箍(1)固接在筒体(2)外壁上端，下环箍(5)固接在筒体(2)外壁下端；
所述筒体(2)的筒壁的材料是基体为环氧树脂的复合材料，由环向缠绕纤维层(21)和轴向纤维铺层(22)交替合成，总层数为2n+1，n为5～30的正整数，单层厚度为0.3～1.8mm，其中，从内层到外层，奇数层为环向缠绕纤维层(21)，偶数层为轴向纤维铺层(22)，环向缠绕纤维层(21)和轴向纤维铺层(22)的单层厚度相同或者不相同，所述环向缠绕纤维层(21)的纤维为高强度碳纤维，纤维环向缠绕，所述轴向纤维铺层(22)的纤维为高模量碳纤维单向布，单向布的主纤维取向为轴向设置；
所述上端盖(3)和下端盖(6)均为螺旋式扇形织构叠层与基体复合模压成型的复合材料圆环板，复合材料的基体为环氧树脂、铝合金或镁合金；
所述螺旋式扇形织构叠层的螺旋式扇形织构为正交织构，采用斜纹或斜纹/平纹混合织造工艺，螺旋式扇形织构的经纱与纬纱的交织方式为二上二下的斜纹织造或斜纹与单上单下的平纹混合织造，螺旋式扇形织构叠层的层数为5～20，单层厚度0.5～2.0mm，经纱和纬纱的材料为高强度碳纤维；在螺旋式扇形织构叠层沿厚度方向的最外层收尾处与其相邻的次外层采用缝纫强化；
所述上环箍(1)和下环箍(5)均为缠绕在筒体(2)上的高模量碳纤维强化的树脂基复合材料圆环。
2.根据权利要求1所述的转筒式高速复合材料转子，其特征在于，所述上管轴(4)和下芯轴(7)的材料为合金钢。
3.根据权利要求1所述的转筒式高速复合材料转子，其特征在于，所述管轴(4)在上端盖(3)圆孔中与上端盖(3)密封固接和下芯轴(7)在下端盖(6)圆孔中与下端盖(6)密封固接均为过盈装配。
4.根据权利要求1所述的转筒式高速复合材料转子，其特征在于，所述上端盖(3)与筒体(2)的密封固接，下端盖(6)与筒体(2)的密封固接为过渡配合装配。
5.一种如权利要求4所述的转筒式高速复合材料转子的制作方法，其特征在于：
步骤一、制作筒体(2)：
A.按筒体(2)的形状及长度、厚度d、外径R的数据，以及从内径R1至内径R5，R1、R2、R3、R4、R5依次递增的增加量数据制作筒体成形芯模；
B.用湿法缠绕方法在筒体成形芯模上端半径为R1和R2的表面上缠绕经环氧树脂浸润高强度碳纤维，直到半径为R3的表面一致，加热固化，形成填平筒体成形芯模上端半径为R1和R2的复合材料台阶层；
C.用湿法缠绕方法从筒体成形芯模上端向下缠绕经环氧树脂浸润高强度碳纤维，加热固化，形成第1层为环向缠绕纤维层(21)；
D.裁取长度与筒体同高、宽度与第1层环向缠绕纤维层(21)外圆等长的高模量碳纤维单向布，浸润环氧树脂后，按主纤维方向与筒体轴向相同取向铺设在第1层环向缠绕纤维层(21)外，加热固化，形成第2层为轴向纤维铺层(22)；
E.重复步骤C和D，形成第3层环向缠绕纤维层(21)和第4层轴向纤维铺层(22)，直到形成第2n+1层环向缠绕纤维层(21)，随层数增加，把筒体成形芯模下端半径为R4和R5的表面部分一起覆盖；
F.加热固化后脱模，制得筒壁为碳纤维增强环氧树脂复合材料的筒体(2)，备用；
步骤二、制作上端盖(3)和下端盖(6)：
A.按照上端盖(3)和下端盖(6)的外径、内径和厚度尺寸数据，以及上端盖(3)的外圆与筒体(2)上端口半径R2的内壁过渡配合装配，下端盖(6)的外圆与筒体(2)下端口半径R4的内壁过渡配合装配，上管轴(4)在上端盖(3)圆孔中与上端盖(3)过盈装配，下芯轴(7)在下端盖(6)圆孔中与下端盖(6)过盈装配的要求分别设计螺旋式扇形织构，并用经纱(31)和纬纱(32)织造螺旋式扇形织构；
螺旋式扇形织构的纺织要求为：
螺旋式扇形织构为正交织构，采用斜纹或斜纹/平纹混合织造工艺，螺旋式扇形织构的经纱与纬纱的交织方式为二上二下的斜纹织造或二上二下的斜纹与单上单下的平纹混合织造；
经纱与纬纱体积之和与同基体材料复合形成的圆环板体积之比为40～60％，纤维体积占比越高，圆环板复合结构强度越高，可以获得更高的旋转速度；
使用1～5束单束纤维根数为3k、6k或12k的高强度碳纤维组合成交织纱线，作为纺织纱线，其中1k为1000根纤维；
螺旋式扇形织构中，环向排布的经纱与径向排布的纬纱纤维体积比为2∶1到5∶1，通过采用不同单束纤维根数为3k、6k或12k的高强度碳纤维组合成交织纱线实现；
螺旋式扇形织构的单层厚度为0.5～2mm；
为保证固化工艺中基体的浸润性能，环向经纱的纱线最大纤维丝含量和径向纬纱的纱线最大纤维丝含量均不超过60k；
B.制作圆环板端盖的螺旋式扇形织构叠层：
按照上端盖(3)和下端盖(6)的厚度尺寸数据，分别从步骤A获得的螺旋式扇形织构截取圆环板端盖的螺旋式扇形织构叠层用的螺旋式扇形织构，为保证固化工艺中基体的浸润性能，螺旋式扇形织构叠层的层数为5～20，底层收尾边沿与顶层收尾边沿在环向上处于同一条半径上；
螺旋式扇形织构叠层的底层收尾处与次底层以及顶层收尾处与次顶层在厚度方向上分别缝纫强化，底层的缝纫强化区(33)和顶层的缝纫强化区(33)为面积相同的扇形区，缝纫强化区(33)外圆弧长度为螺旋式扇形织构单层厚度10～30倍，缝纫工艺中，采用往返不重复的“弓”字形径向连续路径，缝纫线(34)采用高强度尼龙丝线，丝线直径为0.05～0.1mm；
C.按照上端盖(3)和下端盖(6)的外径、内径和厚度尺寸数据设置树脂传递模塑工艺装备，即RTM工艺装备，采用RTM工艺将纤维纺织的螺旋式扇形织构叠层与环氧树脂复合固化，或者采用真空模铸工艺将纤维纺织的螺旋式扇形织构叠层与铝合金、镁合金固化，得到螺旋叠层纺织复合材料圆环板的上端盖(3)和下端盖(6)；
步骤三、按照上管轴(4)和下芯轴(7)尺寸要求制作上管轴(4)和下芯轴(7)，上管轴(4)和下芯轴(7)的材料均为合金钢；
步骤四、在筒体(2)上装配上端盖(3)、下端盖(6)、上管轴(4)和下芯轴(7)：
A.采用过盈装配，将上管轴(4)的圆管段装配在上端盖(3)的圆孔内，实现上管轴(4)与上端盖(3)的密封固接，将下芯轴(7)的连接段装配在下端盖(6)的圆孔内，实现下芯轴(7)与下端盖(6)的密封固接；
B.用过渡配合装配将上端盖(3)装配在筒体(2)上端口半径R2的内壁，实现上端盖(3)与筒体(2)的密封固接，上管轴(4)的圆管段向外；
C.用过渡配合装配将下端盖(6)装配在筒体(2)下端口半径R4的内壁，实现下端盖(6)与筒体(2)的密封固接，下芯轴(7)的末端轴段向外；
步骤五、在筒体(2)的上端和下端分别制作上环箍(1)和下环箍(5)：
A.按照上环箍(1)和下环箍(5)尺寸要求，用湿法缠绕方法缠绕浸润环氧树脂的高模量碳纤维分别缠绕在筒体(2)外壁的上端和下端；
B.经加热固化形成环氧树脂复合材料的上环箍(1)和下环箍(5)；
步骤六、经检验合格，获得转筒式高速复合材料转子。
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