RU2216842C2

RU2216842C2 - Method for manufacturing high-speed flywheels

Info

Publication number: RU2216842C2
Application number: RU2001107760/09A
Authority: RU
Inventors: В.Х. Даммер; В.А. Кириллов; нзбург В.П. Л; В.П. Лянзбург
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-производственный центр "Полюс"
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2003-11-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: method for manufacturing high-speed and high- strength flywheels possessing multiple factor of safety and made of extremely plastic material with relatively low yield point includes forging production, heat treatment, mechanical pre-treatment, and pre-balancing. Novelty is that flywheel is subjected to dynamic cycling or acceleration to speeds exceeding operating value by 1.5 to 2 times followed by final balancing, if necessary. Flywheel manufactured by proposed method reliably takes dynamic loads due to dynamic cycling of its material in the course of manufacture. EFFECT: enhanced strength and reliability of flywheel. 2 cl

Description

Предлагаемое техническое решение относится к машино- и/или приборостроению, а именно - к изготовлению высокоскоростных маховиков. The proposed technical solution relates to machine and / or instrumentation, namely to the manufacture of high-speed flywheels.

Маховики конструируются с многократным запасом прочности (отношение предела прочности или текучести материала к максимальным эксплуатационным нагрузкам). В связи с этим к материалу высокоскоростного маховика предъявляются весьма высокие требования по пределу текучести. Однако чрезмерно высокое упрочнение приводит к снижению пластических свойств металла. Существует парадокс: чем на больший предел прочности обрабатывается сплав, тем больше вероятность разрушения маховика от концентратора или случайного дефекта (трещина при термической обработке, дефект в поковке) даже при малых эксплуатационных нагрузках. Для обеспечения высоких пределов текучести и упругости с учетом необходимости сохранения удовлетворительной пластичности материала применяют дорогостоящие высоколегированные стали, такие как мартенситностареющие. Flywheels are designed with a multiple margin of safety (the ratio of the tensile strength or yield strength of a material to maximum operational loads). In this regard, very high demands on the yield strength are imposed on the material of the high-speed flywheel. However, excessively high hardening leads to a decrease in the plastic properties of the metal. There is a paradox: the greater the tensile strength of the alloy, the greater the likelihood of the flywheel breaking from a hub or a random defect (crack during heat treatment, defect in forging) even at low operational loads. To ensure high yield strengths and elasticities, taking into account the need to maintain satisfactory ductility of the material, expensive high-alloy steels, such as maraging, are used.

Известны способы изготовления высокопрочных маховиков путем намотки обода маховика высокопрочной лентой, проволокой [1]. К недостаткам этого способа следует отнести недостаточную жесткость конструкции, отсутствие монолитности ступицы с ободом. Known methods for the manufacture of high-strength flywheels by winding the flywheel rim with high-strength tape, wire [1]. The disadvantages of this method include insufficient structural rigidity, lack of solidity of the hub with a rim.

Известен способ изготовления высокоскоростных вращающихся конструкций, когда с целью увеличения предела текучести и уменьшения микропластических деформаций материала бандажирующее кольцо предварительно деформируют в радиальном направлении до увеличения диаметра на 0,1-3% [2]. Такая деформация одновременно является и механическим испытанием кольца. Данный способ взят нами за прототип. A known method of manufacturing high-speed rotating structures, when in order to increase the yield strength and reduce microplastic deformation of the material, the retaining ring is pre-deformed in the radial direction to increase the diameter by 0.1-3% [2]. Such deformation is also a mechanical test of the ring. This method is taken by us as a prototype.

Недостатком известного способа является то, что для предварительной механической деформации такой конструкции, как маховик, требуется сложная технологическая оснастка. Кроме того, поля внутренних напряжений, созданные в материале маховика путем такой деформации, не являются оптимальными в отношении условия равномерной напряженности всех элементов маховика при его разгоне. The disadvantage of this method is that for preliminary mechanical deformation of a design such as a flywheel, complex technological equipment is required. In addition, the internal stress fields created in the flywheel material by such deformation are not optimal with respect to the condition of uniform tension of all elements of the flywheel during its acceleration.

Заявляемое техническое решение имеет целью воздействие на материал маховика, обеспечивающее его оптимальное восприятие динамических нагрузок. The claimed technical solution aims to influence the material of the flywheel, ensuring its optimal perception of dynamic loads.

Задача решена следующим образом. Маховик, изготовленный из высокопластичного материала с относительно невысоким пределом текучести (50-120 кгс/мм²), после предварительной балансировки подвергается динамической формовке, т.е. разгону до скоростей, превышающих рабочую скорость в 1,5-2 раза и вызывающих пластическую деформацию материала и необратимое увеличение диаметра маховика на 0,1-3%. После динамической формовки маховик окончательно балансируют. Маховик может быть составным, с получаемым раскаткой напрессованным на обод упрочняющим кольцом. В этом случае динамическая формовка может проводиться до и/или после напрессовки.The problem is solved as follows. A flywheel made of a highly plastic material with a relatively low yield strength (50-120 kgf / mm ² ) is subjected to dynamic molding after preliminary balancing, i.e. acceleration to speeds exceeding the working speed by 1.5-2 times and causing plastic deformation of the material and an irreversible increase in the diameter of the flywheel by 0.1-3%. After dynamic molding, the flywheel is finally balanced. The flywheel can be composite, with the rolling ring being pressed onto the rim by a reinforcing ring. In this case, dynamic molding may be carried out before and / or after pressing.

От прототипа заявленный способ отличается тем, что предварительная пластическая деформация материала маховика осуществляется динамически, путем разгона до скоростей, существенно превышающих рабочие. The claimed method differs from the prototype in that the preliminary plastic deformation of the flywheel material is carried out dynamically, by accelerating to speeds significantly exceeding the working ones.

Динамическая формовка маховика увеличивает предел текучести материала на 5-50% и предел упругости - на 50-100%. Кроме того, благодаря пластической деформации, ориентированной в направлении действия эксплуатационных нагрузок, внутри маховика формируются благоприятные по величине и направлению поля напряжений, обеспечивающие равномерную напряженность всех элементов маховика при его работе. Динамическая формовка обеспечивает стабильность геометрии и балансировки. Одновременно эта операция является испытанием маховика на прочность. Dynamic molding of the flywheel increases the yield strength of the material by 5-50% and the elastic limit by 50-100%. In addition, due to plastic deformation oriented in the direction of operation of the operating loads, stress fields that are favorable in magnitude and direction are formed inside the flywheel, ensuring uniform tension of all elements of the flywheel during its operation. Dynamic molding ensures geometry stability and balance. At the same time, this operation is a test of the flywheel's strength.

Раскатанное кольцо по сравнению с массивной кованой заготовкой маховика имеет более высокие прочностные характеристики при той же пластичности. Будучи натянутым на обод маховика, оно снижает растягивающие напряжения, возникающие в маховике при разгоне. The rolled ring, in comparison with the massive forged flywheel billet, has higher strength characteristics with the same ductility. Being pulled over the flywheel rim, it reduces tensile stresses that occur in the flywheel during acceleration.

Использование предлагаемого решения позволит применять для изготовления высокоскоростных маховиков экономнолегированные стали. Using the proposed solution will allow the use of economically alloyed steels for the manufacture of high-speed flywheels.

Пример 1. Маховик диаметром 300 мм изготовлен из поковки стали 12Х13, выбранной из-за возможности упрочняющей термической обработки без применения жидких закалочных сред (массивная деталь при закалке в воде или даже масле может треснуть), оптимального сочетания прочности и вязкости, высокой релаксационной стойкости, низкого газоотделения в вакууме. После упрочняющей термической (закалка на воздухе с обдувом вентилятором и последующим низким отпуском) и предварительной механической обработок маховик подвергнут динамической формовке разгоном до 12000 об/мин. После динамической формовки диаметр обода маховика увеличился на 0,3 мм. Последующий разгон до 11000 об/мин не привел к изменению геометрии и балансировки маховика. Example 1. A flywheel with a diameter of 300 mm is made of forged steel 12X13, selected because of the possibility of hardening heat treatment without the use of liquid quenching media (a massive part can crack when quenched in water or even oil), the optimal combination of strength and toughness, high relaxation resistance, low gas separation in vacuum. After hardening thermal (air quenching with blowing by a fan and subsequent low tempering) and preliminary mechanical treatments, the flywheel was subjected to dynamic molding with acceleration to 12000 rpm. After dynamic molding, the diameter of the flywheel rim increased by 0.3 mm. Subsequent acceleration to 11000 rpm did not lead to a change in the geometry and balancing of the flywheel.

Пример 2. Маховик диаметром 280 мм изготовлен из поковки стали 12Х13, подвергнут воздушной закалке и низкому отпуску. На него с натягом 0,5 мм напрессовано упрочняющее кольцо диаметром 300 мм из раскатанной кольцевой заготовки из стали 20Х13, закаленное на воздухе и отпущенное при 550^oС. Собранный маховик подвергнут динамической формовке разгоном до 13000 об/мин. Последующий разгон до 12000 об/мин не привел к изменению геометрии и балансировки маховика.Example 2. A flywheel with a diameter of 280 mm is made of forged steel 12X13, subjected to air hardening and low tempering. A reinforcing ring with a diameter of 300 mm was pressed onto it with a tightness of 0.5 mm from a rolled ring billet made of steel 20X13, hardened in air and tempered at 550 ^o C. The assembled flywheel was subjected to dynamic molding with acceleration to 13000 rpm. Subsequent acceleration to 12,000 rpm did not lead to a change in the geometry and balancing of the flywheel.

Источники информации
1. Гулиа Н. В. Инерционные аккумуляторы энергии. - Воронеж: изд-во Воронежского ун-та, 1973, с.21-38, 122-127.Sources of information
1. Gulia N.V. Inertial energy storage. - Voronezh: publishing house of Voronezh University, 1973, p.21-38, 122-127.

2. Патент РФ 2155430, МПК⁷ Н 02 К 15/03, 15/02, 21/14, 21/02, 1999.2. RF patent 2155430, IPC ⁷ N 02 K 15/03, 15/02, 21/14, 21/02, 1999.

Claims

1. A method of manufacturing high-speed flywheels from a highly plastic material with a relatively low yield strength, including the operations of manufacturing forgings, heat treatment, pre-machining and pre-balancing, characterized in that the flywheel is subjected to dynamic molding - acceleration to speeds exceeding the operating speed of 1.5- 2 times, and, if necessary, subsequent final balancing.

2. The method according to p. 1, characterized in that the flywheel with a reinforcing ring pressed onto the rim is subjected to dynamic molding before and / or after pressing the reinforcing ring.