基于储能飞轮的野外救援系统

摘要

本发明提供了一种基于储能飞轮的野外救援系统，包括救援执行装置、驱动电机、飞轮储能装置以及供电装置；该飞轮储能装置被配置为存储该供电装置提供的功率、以及为该驱动电机提供功率，该驱动电机被配置为驱动该救援执行装置对故障重载设备进行救援；该飞轮储能装置包括储能飞轮，该储能飞轮的飞轮本体包括若干个轴向堆叠连接的无轴向通孔的金属圆盘，各个金属圆盘的轴向厚度小于或等于40cm，相邻金属圆盘的径向直径尺寸不同。通过上述方式，实现了将几千瓦或几十千瓦的输入功率变换为几百千瓦甚至兆瓦级输出，大大简化了救援系统的体积、减轻了系统重量，以及大大降低了救援工程车辆的体积、重量和能耗，降低了救援成本。

权利要求

1.一种基于储能飞轮的野外救援系统，其特征在于，包括救援执行装置、驱动电机、飞轮储能装置以及供电装置；所述飞轮储能装置被配置为存储所述供电装置提供的功率、以及为所述驱动电机提供功率，所述驱动电机被配置为驱动所述救援执行装置对故障重载设备进行救援；

所述飞轮储能装置包括储能飞轮，所述储能飞轮的飞轮本体包括若干个轴向堆叠连接的无轴向通孔的金属圆盘，各个所述金属圆盘的轴向厚度小于或等于40cm，相邻金属圆盘的径向直径尺寸不同；

各个所述金属圆盘的材料为合金钢或工具钢；

组装后的相邻金属圆盘中，大径向直径尺寸的金属圆盘中残余压应力，小径向直径尺寸的金属圆盘中残余拉应力；

当组装后的相邻金属圆盘旋转时，小径向直径尺寸的金属圆盘中产生的最大径向拉伸应力σ1为σrot1+σres1，大径向直径尺寸的金属圆盘中产生的最大径向拉伸应力σ2为σrot2‑σres2，

其中，σrot1为小径向直径尺寸的金属圆盘在单体旋转过程中产生的径向拉伸应力最大值，σrot2为大径向直径尺寸的金属圆盘在单体旋转过程中产生的径向拉伸应力最大值，σres1为小径向直径尺寸的金属圆盘中残余的拉应力，‑σres2为大径向直径尺寸的金属圆盘中残余的压应力，σres1>0，σres2>0。

2.根据权利要求1所述的基于储能飞轮的野外救援系统，其特征在于，沿着位于中间位置的金属圆盘至最上端金属圆盘方向，各个金属圆盘的径向直径尺寸依次减小，以及沿着位于中间位置的金属圆盘至最下端金属圆盘，各个金属圆盘的径向直径尺寸依次减小。

3.根据权利要求1所述的基于储能飞轮的野外救援系统，其特征在于，所述金属圆盘的一个表面轴向中心位置上设有轴向凸起，另一个表面轴向中心位置上设有轴向凹槽，相邻金属圆盘通过第一金属圆盘的轴向凸起与第二金属圆盘的轴向凹槽配合连接；所述轴向凸起的高度和所述轴向凹槽的深度均小于所述金属圆盘的轴向厚度。

4.根据权利要求3所述的基于储能飞轮的野外救援系统，其特征在于，所述飞轮储能装置还包括转轴、分别固接于所述飞轮本体上表面的上档板、以及下表面的下档板；所述转轴包括固接于所述上档板的上表面的上转轴、以及固接于所述下档板的下表面的下转轴；或者所述转轴包括穿过所述上档板并固接于所述飞轮本体上表面的上转轴、以及穿过所述下档板并固接于所述飞轮本体下表面的下转轴。

5.根据权利要求4所述的基于储能飞轮的野外救援系统，其特征在于，所述上档板卡入最上端金属圆盘的轴向凹槽中，所述下档板的上表面上设有与最下端金属圆盘的轴向凸起相配合的轴向凹槽；或者

所述下档板卡入最下端金属圆盘的轴向凹槽中，所述上档板的下表面上设有与最上端金属圆盘的轴向凸起相配合的轴向凹槽。

6.根据权利要求3‑5中任一项所述的基于储能飞轮的野外救援系统，其特征在于，所述轴向凹槽的内角和所述轴向凸起的顶角均为圆角。

7.根据权利要求1‑5中任一项所述的基于储能飞轮的野外救援系统，其特征在于，各个所述金属圆盘的轴向厚度的设置范围为0.2～30cm。

说明书

基于储能飞轮的野外救援系统

技术领域

[0001] 本发明涉及救援装置技术领域，更具体而言，涉及一种基于储能飞轮的野外救援系统。

背景技术

[0002] 野外重载设备重量大、体积大，如矿井钻探设备运载车、或者军事装备及装甲车辆等，这些重载设备在野外作业时可能伴有随机的救援需求，譬如陷入低洼地带等，为了解决
该问题，这些重载设备在野外作业时一般均配备有能够提供很大提升或牵引功率的救援装
置、以及运载这些救援装置的救援工程车辆。然而，现有的救援装置体积、重量和能耗均比
较大，使得运载这些救援装置的救援工程车辆的体积、重量和能耗也相应很大，不仅限制了
这些救援工程车辆的越野能力，还大大增加了救援的成本。当故障点在野外时，这些均不利
于救援活动的实施开展。

发明内容

[0003] 本发明提供了一种基于储能飞轮的野外救援系统，以解决由于现有的救援装置体积、重量和能耗均比较大，使得运载这些救援装置的救援工程车辆的体积、重量和能耗也相
应很大，限制了这些救援工程车辆的越野能力、以及导致救援成本大大增加的问题。

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于储能飞轮的野外救援系统，包括救援执行装置、驱动电机、飞轮储能装置以及供电装置；所述飞轮储能装置被配置为存储所
述供电装置提供的功率、以及为所述驱动电机提供功率，所述驱动电机被配置为驱动所述
救援执行装置对故障重载设备进行救援；

[0005] 所述飞轮储能装置包括储能飞轮，所述储能飞轮的飞轮本体包括若干个轴向堆叠连接的无轴向通孔的金属圆盘，各个所述金属圆盘的轴向厚度小于或等于40cm，相邻金属
圆盘的径向直径尺寸不同。

[0006] 作为本发明的进一步改进，沿着位于中间位置的金属圆盘至最上端金属圆盘方向，各个金属圆盘的径向直径尺寸依次减小，以及沿着位于中间位置的金属圆盘至最下端
金属圆盘，各个金属圆盘的径向直径尺寸依次减小。

[0007] 作为本发明的进一步改进，所述金属圆盘的一个表面轴向中心位置上设有轴向凸起，另一个表面轴向中心位置上设有轴向凹槽，相邻金属圆盘通过第一金属圆盘的轴向凸
起与第二金属圆盘的轴向凹槽配合连接；所述轴向凸起的高度和所述轴向凹槽的深度均小
于所述金属圆盘的轴向厚度。

[0008] 作为本发明的进一步改进，所述飞轮储能装置还包括转轴、分别固接于所述飞轮本体上表面的上档板、以及下表面的下档板；所述转轴包括固接于所述上档板的上表面的
上转轴、以及固接于所述下档板的下表面的下转轴；或者所述转轴包括穿过所述上档板并
固接于所述飞轮本体上表面的上转轴、以及穿过所述下档板并固接于所述飞轮本体下表面
的下转轴。

[0009] 作为本发明的进一步改进，所述上档板卡入所述最上端金属圆盘的轴向凹槽中，所述下档板的上表面上设有与所述最下端金属圆盘的轴向凸起相配合的轴向凹槽；或者

[0010] 所述下档板卡入所述最下端金属圆盘的轴向凹槽中，所述上档板的下表面上设有与所述最上端金属圆盘的轴向凸起相配合的轴向凹槽。

[0011] 作为本发明的进一步改进，所述轴向凹槽的内角和所述轴向凸起的顶角均为圆角。

[0012] 作为本发明的进一步改进，各个所述金属圆盘的材料为合金钢或工具钢。

[0013] 作为本发明的进一步改进，各个所述金属圆盘的轴向厚度的设置范围为0.2~
30cm。

[0014] 作为本发明的进一步改进，相邻金属圆盘中，大径向直径尺寸的金属圆盘中残余压应力，小径向直径尺寸的金属圆盘中残余拉应力。

[0015] 作为本发明的进一步改进，所述供电装置为车载储能电池、汽车动力电池、汽车发动机或者蓄电池中的任意一种或者几种的组合。

[0016] 与现有技术相比，本发明提供的野外救援系统通过采用上述的飞轮储能装置和小功率的供电装置，实现了将几千瓦或几十千瓦的输入功率变换为几百千瓦甚至兆瓦级短时
大功率输出，替换了现有救援系统中使用的大功率发电装置，因此大大简化了救援系统的
体积、减轻了系统重量，以及大大降低了救援工程车辆的体积、重量和能耗，降低了救援成
本。

附图说明

[0017] 图1是本发明实施例基于储能飞轮的野外救援系统的一种结构示意图；

[0018] 图2为本发明实施例基于储能飞轮的野外救援系统中飞轮储能装置中的储能飞轮的第一种正视结构示意图；

[0019] 图3是本发明实施例中相邻金属圆盘组装示意图；

[0020] 图4为本发明实施例基于储能飞轮的野外救援系统中飞轮储能装置中的储能飞轮的第二种正视结构示意图；

[0021] 图5为本发明实施例基于储能飞轮的野外救援系统中飞轮储能装置中的储能飞轮的第三种正视结构示意图；

[0022] 图6为本发明实施例基于储能飞轮的野外救援系统中飞轮储能装置中的储能飞轮的第四种正视结构示意图；

[0023] 图7为本发明实施例基于储能飞轮的野外救援系统中飞轮储能装置中的储能飞轮的第五种正视结构示意图；

[0024] 图8为本发明实施例基于储能飞轮的野外救援系统中飞轮储能装置中的储能飞轮的第六种正视结构示意图；

[0025] 图9为本发明实施例基于储能飞轮的野外救援系统中飞轮储能装置中的储能飞轮的第七种正视结构示意图；

[0026] 图10为本发明实施例基于储能飞轮的野外救援系统中飞轮储能装置中的储能飞轮的第八种正视结构示意图。

具体实施方式

[0027] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，
并不用于限定本发明。

[0028] 为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式
中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺
序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

[0029] 请参阅图1所示，图1是本发明实施例基于储能飞轮的野外救援系统的一种结构示意图，由图1中可知，该野外救援系统1包括救援执行装置2、驱动电机3、飞轮储能装置4以及
供电装置5；该飞轮储能装置4被配置为存储供电装置5提供的功率、以及为驱动电机3提供
功率，驱动电机3被配置为驱动该救援执行装置2对故障重载设备进行救援。可选地，该救援
执行装置2在驱动电机3的驱动下为故障重载设备提供提升力或者牵引力。

[0030] 可选地，该供电装置5为小功率发电设备，例如为车载储能电池、汽车动力电池、或者汽车发动机中的任意一种或者几种的组合。利用汽车本身具有的一些供电设备，如直接
使用运载该救援系统的救援工程车辆本身具有的供电设备，无需额外设备，使得对重载设
备的救援不局限于专用发电装置和车辆，因此可以简化救援系统的体积。当然，该供电装置
5也可以为额外配置的蓄电池或小型发电设备。

[0031] 当不需要救援时，供电装置5可以为飞轮储能装置4提供几千瓦或几十千瓦的输入功率，以对飞轮储能装置4进行充电。飞轮储能装置4将供电装置5提供的功率以动能的形式
进行储存，当需要救援时，飞轮储能装置4再将储存的动能释放出来，实现几百千瓦甚至兆
瓦级的短时大功率输出，促使驱动电机3做功，驱动救援执行装置2对故障重载设备进行救
援。

[0032] 通过将飞轮储能装置和小功率的供电装置集成在救援系统中，实现了将几千瓦或几十千瓦的输入功率变换为几百千瓦甚至兆瓦级短时大功率输出，替换了现有救援系统中
使用的大功率发电装置，因此大大简化了救援系统的体积、减轻了系统重量，以及大大降低
了救援工程车辆的体积、重量和能耗，降低了救援成本。

[0033] 该飞轮储能装置4包括用于将供电装置5提供的功率以动能的形式进行储存的储能飞轮，为了能够实现几百千瓦甚至兆瓦级短时大功率输出，本发明对现有技术中提供的
储能飞轮结构进行了改进。请参阅图2所示，图2为本发明实施例基于储能飞轮的野外救援
系统中飞轮储能装置中的储能飞轮的正视结构示意图。该储能飞轮40包括飞轮本体41、以
及分别固接于飞轮本体41上表面的上档板44、和下表面的下档板45。其中，该飞轮本体41由
若干个金属圆盘411轴向堆叠连接而成，各个金属圆盘411的轴向厚度均不超过40cm。可选
地，上档板44和下档板45均通过焊接或粘合的方式分别固接于飞轮本体41的上表面和下表
面。上档板44和下档板45用于对飞轮本体41进行锁定，当储能飞轮40高速旋转时，可以防止
飞轮本体41在轴向上移动，以及防止各个金属圆盘411由于部分轴向作用力而散开，避免安
全事故的发生。

[0034] 传统储能飞轮结构中飞轮本体为一体化制造的金属圆柱状，制造过程中容易在结构内部产生初始裂纹，且一体化结构使得裂纹增长空间自由，增长速度快，不仅限制了储能
飞轮的最大转速，还容易由于裂纹增长导致安全事故发生。而转速大小直接影响储能飞轮
的能量存储能力，因此也限制了储能能力。而在本发明中，通过将飞轮本体41设计成由若干
个金属圆盘411轴向堆叠连接而成，当由于金属圆盘中的裂纹（简称裂纹盘）引发储能飞轮
故障时，可以通过一个或多个相邻金属圆盘支撑裂纹盘直到储能飞轮的速度降到安全范围
内，避免安全事故的发生。同时，由于金属圆盘的轴向厚度均不超过40cm，厚度薄、体积小，
降低了制造过程的热处理难度，使得金属圆盘的材料特性更加均匀，不易产生裂纹，并且也
限制了裂纹增长的方向，降低了裂纹增长速度，这些不仅可以提升储能飞轮的疲劳寿命，还
可以提高储能飞轮所能达到的最大转速，提升储能飞轮的储能能力。

[0035] 继续参阅图2所示，在该飞轮本体41中，相邻金属圆盘411的径向直径尺寸不同。通过这样的设置方式，可以减小径向直径尺寸较大的金属圆盘在旋转过程中所产生的拉伸应
力，从而进一步提高储能飞轮所能达到的最大转速，提升储能飞轮的储能能力，实现存储更
多能量，进而实现在救援时短时输出几百千瓦甚至兆瓦级功率。下面以相邻两个金属圆盘
为例进行解释说明：

[0036] 对于任意一块金属圆盘，旋转时其中心位置所受的径向拉伸应力大小均可用下述公式进行表示：

[0037]

[0038] 式中， 表示径向拉伸应力， 表示环向应力，表示金属圆盘的材料密度， 表示泊松比 (对大部分金属材料而言，泊松比为0.3)， 表示转速，Ro 表示金属圆盘外径，
Ri表示旋转轴外径。假设径向直径尺寸较小的金属圆盘在单体旋转过程中产生的径向拉伸
应力最大值为σrot1，径向直径尺寸较大的金属圆盘在单体旋转过程中产生的径向拉伸应力
最大值为σrot2，根据该公式可知，σrot1小于σrot2。

[0039] 如图3中所示，组装相邻金属圆盘时，利用不同的加工原理，可以使得径向直径尺寸较小的金属圆盘中残余拉应力（假定为σres1，σres1>0），使得径向直径尺寸较大的金属圆盘
中残余压应力（假定为‑σres2，σres2>0）。其中一种方法是利用热胀冷缩，将冷热金属圆盘同时
装配。当组装后的相邻金属圆盘旋转时，径向直径尺寸较小的金属圆盘中产生的最大径向
拉伸应力变为σ1=σrot1+σres1，而径向直径尺寸较大的金属圆盘中产生的最大径向拉伸应力
变为σ2=σrot2‑σres2。可见，通过设计优化，为相邻金属圆盘装配不同类型和大小的残余应力，
可以减小径向直径尺寸较大的金属圆盘在旋转过程中产生的最大径向拉伸应力，在保证径
向直径尺寸较小的金属圆盘在旋转过程中产生的最大径向拉伸应力不超标的同时，使得相
邻金属圆盘中的应力达到均衡最优，从而提高飞轮所能达到的最大转速，提升储能飞轮的
储能能力，实现存储更多能量，进而实现在救援时短时输出几百千瓦甚至兆瓦级功率。

[0040] 可选地，相邻金属圆盘的设置方式也可如图4中所示，沿着位于中间位置的金属圆盘至最上端金属圆盘方向，各个金属圆盘的径向直径尺寸依次减小，以及沿着位于中间位
置的金属圆盘至最下端金属圆盘，各个金属圆盘的径向直径尺寸依次减小。

[0041] 可选地，各个金属圆盘411上均无轴向通孔。飞轮本体高速旋转时，金属圆盘上若设有轴向通孔，会大大增加该金属圆盘的环向应力，从而限制储能飞轮的最高转速，进而限
制储能飞轮的储能能力。因此，在本发明中，各个金属圆盘411上均无轴向通孔。

[0042] 前述金属圆盘厚度薄时可以降低制造过程的热处理难度，这是因为金属圆盘过厚时，金属圆盘中心材料在热处理后不能快速冷却。而由于不能快速冷却，使得金属圆盘的靠
近中心材料处的部分材料力学性能大大降低，如硬度、抗拉强度等，容易产生初始裂纹。并
且金属圆盘的径向中心是金属圆盘在旋转时受到最大应力的位置，因此，也会限制该储能
飞轮所能达到的最大转速，限制该储能飞轮的储能能力。优选地，各个金属圆盘411的轴向
厚度设置范围为0.2 30cm，更优选为0.5 5.5cm，该厚度范围下金属圆盘的材料特性更加均
~ ~
匀，更不易产生初始裂纹、以及可以进一步降低裂纹生长速度，疲劳特性优异。同时，也由于
材料特性更加均匀，可以保证储能飞轮的储能能力。

[0043] 可选地，请参阅图5和图6所示，金属圆盘411的一个表面轴向中心位置上设有轴向凸起4111，另一个表面轴向中心位置上设有轴向凹槽4112，组装时，相邻金属圆盘通过第一
金属圆盘的轴向凸起4111与第二金属圆盘的轴向凹槽4112配合连接，该连接方式可以使得
相邻金属圆盘之间连接更牢固。优选地，轴向凸起4111的高度和轴向凹槽4112的深度均远
远小于金属圆盘的411轴向厚度。前述已经阐述，金属圆盘上不适宜设置轴向通孔，会显著
增加径向及环向应力，因此，轴向凸起4111的高度和轴向凹槽4112的深度相对于金属圆盘
的轴向厚度应足够短。更优选地，轴向凹槽的内角和轴向凸起的顶角均为圆角（如图7中所
示），以使得储能飞轮高速旋转时，集中在此处的应力最小化。当然，轴向凸起4111和轴向凹
槽4112也可以通过螺纹的方式连接，如轴向凸起4111的外周壁上设有螺纹，轴向凹槽4112
的内壁上设有与之相配合的螺纹。

[0044] 请继续参阅图5和图6所示，上档板44的截面尺寸大小小于最上端金属圆盘411的轴向凹槽4112的截面尺寸大小，以使得上档板44可以卡入最上端金属圆盘的轴向凹槽4112
中。下档板45的上表面上设有轴向凹槽451，最下端金属圆盘411的轴向凸起4111的截面尺
寸大小小于下档板45的轴向凹槽451的截面尺寸，以使得最下端金属圆盘411的轴向凸起
4111可以卡入下档板45的轴向凹槽451中。优选地，控制上档板44的截面尺寸大小略小于最
上端金属圆盘411的轴向凹槽4112的截面尺寸大小，以使得上档板44可以刚好卡入最上端
金属圆盘的轴向凹槽4112中。以及控制最下端金属圆盘411的轴向凸起4111的截面尺寸大
小略小于下档板45的轴向凹槽451的截面尺寸，以使得最下端金属圆盘411的轴向凸起4111
可以刚好卡入下档板45的轴向凹槽451中。当然，在本发明其他实施例中，下档板45上也可
以不设置轴向凹槽451，直接连接在最下端金属圆盘的轴向凸起4111上，与上档板44一起对
飞轮本体41进行锁定。

[0045] 同理，若储能飞轮结构如图8和图9中所示，对应的上档板44的下表面上设有轴向凹槽441，最上端金属圆盘的轴向凸起4111卡入上档板44的轴向凹槽441中，下档板45卡入
最下端金属圆盘的轴向凹槽4112中。当然，上档板44上也可以不设置轴向凹槽441，直接连
接在最上端金属圆盘的轴向凸起4111上，与下档板45一起对飞轮本体41进行锁定。

[0046] 请继续参阅图2所示，该飞轮40还包括固接于上档板44的上表面的上转轴42、以及固接于下档板45的下表面的下转轴43。可选地，上转轴42和下转轴43均通过焊接或粘合的
方式分别固接于上档板44的上表面、以及下档板45的下表面。

[0047] 可选地，当上档板44的径向直径尺寸远小于最上端金属圆盘的径向直径尺寸时，还可以将上转轴42设置为穿过上档板44后固接于飞轮本体41的上表面上，如图10中所示。
这是因为，当上档板44的径向直径尺寸越小时，可以承受的旋转应力越多，因此，此时在档
板上设置用于转轴穿过的通孔是可以被接受的，不会对飞轮的疲劳特性以及能量存储能力
产生很大的影响。同理，当下档板45的径向直径尺寸远小于最下端金属圆盘的径向直径尺
寸时，也可以将下转轴43设置为穿过下档板45后固接于飞轮本体41的下表面上，如图10中
所示。更可选地，上转轴42和下转轴43上均设有螺纹，上档板44和下档板45均可通过螺栓与
对应的螺纹配合，从而实现分别固接于飞轮本体41的上表面和下表面。

[0048] 可选地，相邻金属圆盘之间可以通过本领域中任何合适的方式实现固定连接，例如通过焊接或者粘合的方式实现固定连接。

[0049] 可选地，各个金属圆盘411的材料为合金钢或工具钢，由于合金钢的材料成本更低且具有更高的淬透性，因此更优选为合金钢。淬透性与碳和其他合金元素如镍的百分比直
接相关，因此，在本发明中，可以控制合金钢中镍的质量大于该合金钢总质量的1%，以获得
更优异淬透性的合金钢材料。当然也可以使用其他合适的钢材料。

[0050] 在本发明提供的野外救援系统中，飞轮储能装置4因包含上述结构的储能飞轮可以存储大于几百千瓦时甚至更多的能量，从而实现在救援时短时输出几百千瓦时甚至兆瓦
级的能量。且由于其体积小、重量轻，因此大大简化了救援系统的体积、减轻了系统重量，以
及大大降低了救援工程车辆的体积、重量和能耗，降低了救援成本。

[0051] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。