碳纖維復合材料護環(huán)的制備及加工精度研究.pdf

1、隨著我國電力使用總量的不斷增加,電力供應壓力的日益加劇,我國亟待研制可自主生產制造的大容量發(fā)電機組。電機護環(huán)是發(fā)電機中的重要組成部分之一。電機運行時護環(huán)受到來自轉子的徑向壓力及自身轉動帶來的拉應力,所以護環(huán)對力學性能的要求尤其苛刻。傳統(tǒng)的反磁鋼電機護環(huán)由于加工困難、成本高以及原材料受限等原因,一直是制約我國研制大容量電機的主要因素。更因為在目前發(fā)電機不斷大容量化的環(huán)境下,傳統(tǒng)的反磁鋼護環(huán)的性能已無法滿足更大容量發(fā)電機組的需求,使用復合材

2、料代替?zhèn)鹘y(tǒng)反磁鋼材料已勢在必行。碳纖維增強復合材料(CFRP),因其具有高比強度、比模量等各項突出性能已經成為目前在工程應用上非常廣泛的一種材料。隨著高性能碳纖維的不斷發(fā)展,碳纖維增強復合材料的性能進一步提高,這直接使得用復合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料制造大容量電機護環(huán)成為可能。
　　本文中設計并制備了600MWe級發(fā)電機用的復合材料護環(huán)。首先,選擇復合材料的纖維-樹脂體系,進行復合材料鋪層設計,確定護環(huán)尺寸。其次,從受力及熱膨脹效應這兩個

3、方面分別對其進行分析,并利用有限元技術輔助驗證所設計復合材料護環(huán)的可靠性。再次,針對復合材料護環(huán)的結構確定成型技術及加工設備,并設計制造成型時需要的配套模具。最后,完成復合材料護環(huán)的制備及切削加工。
　　本文還針對復合材料的切削性能,利用有限元模擬技術對其進行了研究。
　　(1)通過模擬刀具切削加工復合材料護環(huán)時,復合材料產生的受熱變形,研究為保證護環(huán)最終的加工精度,所需提前改變的切削量。模擬結果表明:針對600MWe級發(fā)電

4、機用復合材料護環(huán)切削時,為保證切削后試件在常溫時的尺寸精度,在徑向上應提前留出0.210mm的切削量,在軸向上提前留出0.243mm的切削量。
　　(2)利用有限元模擬方法(FEM),對復合材料模型進行正交切削仿真,驗證了復合材料一般的切削理論,及得到不同纖維方向對切削過程的影響。仿真結果表明:1)仿真結果符合復合材料切削理論,纖維增強復合材料在切削時,切削力主要由纖維傳導,即纖維承受來自刀具加載的力再傳遞到試件整體;纖維方向角對

5、切削纖維增強復合材料試樣影響重大。2)當纖維方向角為0°時,復合材料工件受到的切削力最小,隨著方向角的提升,切削力在水平方向和垂直方向都逐漸增大。特別當纖維方向角為135°時,切削力最大,波動也較大3)當纖維方向角為90°時,復合材料受到的接觸應力最大,而當纖維方向角遠離90°時,即纖維越趨近于與切削方向平行時,接觸應力越小4)與切削力、接觸應力相比,摩擦力的模擬結果沒有特別突出的趨勢,但可以注意到當纖維角度為135°時復合材料受到的摩