СУПЕРМАХОВИК

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в качестве накопителя энергии.
Известен маховик, содержащий обод, выполненный из волокон высокопрочного материала, например стекла, связанных между собой полимерным связующим материалом, и ступицу на которой установлен обод, пружинящие чашеобразные кольца, основания которых установлены на ступице, а стенки оперты на внутреннюю поверхность обода. (SU, №440514).
В этом устройстве в качестве связующего материала использован эластичный материал, имеющий относительное удлинение большее, чем относительное удлинение материала волокон обода.
Недостатком устройства является неустойчивость положения обода на ступице, а также трение и износ лепестков пружинящих чашеобразных колец при упругом увеличении диаметра обода вследствие вращения маховика.
Данные недостатки устранены в супермаховике, содержащем обод и ступицу с криволинейными лепестками, контактирующими с внутренними поверхностями обода, при этом лепестки жестко закреплены на внутренней поверхности обода по касательной, а форма лепестков выбрана, соответствующей определенному математическому условию. (SU, №1379521).
В этой конструкции обод закреплен в криволинейных лепестках ступицы устойчиво с отсутствием трения при упругом увеличении диаметра обода.
Однако недостатками этого устройства являются высокие напряжения изгиба в лепестках ступицы при изменениях диаметра обода, а также трудность балансировки супермаховика, вызванная невозможностью снятия или наращивания материала на криволинейные лепестки или на проведение таких операций с витым ободом. Удаление же материала со ступицы, которая весьма напряжена при вращении, малоэффективно из-за ее небольшой толщины ступицы.
Наиболее близким является супермаховик, содержащий ступицу, выполненную в виде диска, обод, выполненный навитым гибким материалом с эластичной связкой между витками, кольцеобразный элемент, снабженный балластом и расположенный между ступицей и ободом, причем кольцеобразный элемент соединен с диском ступицы, а обод выполнен навитым на кольцеобразный элемент, радиальные прорези, выполненные сквозными в направлении снаружи во внутрь в кольцеобразном элементе. (SU, №693073).
В этом устройстве кольцеобразный элемент выполнен упругим с кольцевой полостью, балласт расположен в кольцевой полости под витым ободом, причем балласт выполнен с радиальными прорезями для повышения его упругой податливости. Такой балласт способствует надежному прижиму ступицы к ободу при вращении супермаховика. Кроме того, в этом техническом решении обод снабжен щеками и выполнен навитым гибким материалом между ними с эластичной связкой между витками, а радиальные прорези выполнены как в кольцеобразном элементе, так и в балласте, и в щеках. Кольцеобразный элемент является отдельной деталью и имеет достаточно сложную конфигурацию, и выполнение радиальных прорезей в балласте и в щеках усложняет конструкцию в целом и ухудшает ее технологичность.
К тому же недостатком ближайшего аналога является трудность балансировки супермаховика из-за опасности разрушения или нарушения равномерности упругих свойств балласта при снятии с него материала, например, его сверления при наличии радиальных прорезей.
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Достигаемый технический результат полезной модели заключается в упрощении конструкции, в повышении удельной энергоемкости, а также в упрощении и улучшении балансировки.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном супермаховике, содержащем ступицу, выполненную в виде диска, обод, выполненный навитым гибким материалом с эластичной связкой между витками, кольцеобразный элемент, снабженный балластом и расположенный между ступицей и ободом, причем кольцеобразный элемент соединен с диском ступицы, а обод выполнен навитым на кольцеобразный элемент, радиальные прорези, выполненные сквозными в направлении снаружи во внутрь в кольцеобразном элементе, согласно заявленной полезной модели кольцеобразный элемент и ступица выполнены в виде единой детали, между радиальными прорезями выполнены поперечные отверстия, равномерно расположенные вдоль окружности кольцеобразного элемента, а балласт размещен по меньшей мере в одном из поперечных отверстий.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- в качестве гибкого материала обода была использована стальная холоднокатаная лента, а в качестве эластичной связки - слои клея;
- радиальные прорези были выполнены с фасонными поверхностями;
- единая деталь была выполнена из легкого металлического сплава на основе алюминия и/или магния и/или титана;
- в качестве материала единой детали был использован материал с меньшей плотностью и с меньшим модулем упругости, чем у обода;
- были введены фасонные прорези, выполненные одинаковыми, расположенные симметрично в диске ступицы с переменными углами к радиусам диска ступицы, и сообщенные с поперечными отверстиями в кольцеобразном элементе, причем ширина фасонных прорезей выполнена меньшей, чем диаметр поперечных отверстий.
Указанные преимущества полезной модели, а так же ее особенности поясняются с помощью лучшего варианта ее выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 изображает заявленный супермаховик, вид с торца.
Фиг. 2 - то же, что фиг. 1, поперечный разрез по A-A на фиг. 1.
Супермаховик (фиг. 1, 2) содержит ступицу 1, выполненную в виде диска, обод 2, выполненный навитым гибким материалом с эластичной связкой между витками, кольцеобразный элемент 3, снабженный балластом 4 и расположенный между ступицей 1 и ободом 2. Кольцеобразный элемент 3 соединен с диском ступицы 1, а обод 2 выполнен навитым на кольцеобразный элемент 3. Радиальные прорези 5 выполнены сквозными в направлении снаружи во внутрь в кольцеобразном элементе 3. Кольцеобразный элемент 3 и ступица 1 выполнены в виде единой детали - монолитной (фиг. 2). Между радиальными прорезями 5 выполнены поперечные отверстия 6, равномерно расположенные вдоль окружности кольцеобразного элемента 3 (фиг. 1, 2). Балласт 4 размещен по меньшей мере в одном из поперечных отверстий 6.
В качестве гибкого материала обода 2 использована стальная холоднокатаная лента, а в качестве эластичной связки - слои клея.
Радиальные прорези 5 могут быть выполнены с различными фасонными поверхностями (фиг. 1).
Единая деталь (ступица 1 + кольцеобразный элемент 3) выполнена из легкого металлического сплава на основе алюминия и/или магния и/или титана.
В качестве материала единой детали целесообразно использовать материал с меньшей плотностью и с меньшим модулем упругости, чем у обода 2.
Для дополнительного улучшения упругости и уменьшения плотности в устройство могут быть введены фасонные прорези 7, выполненные одинаковыми, расположенные симметрично в диске ступицы 1 с переменными углами к радиусам диска ступицы 1, и сообщенные с поперечными отверстиями 6 в кольцеобразном элементе 3, причем ширина фасонных прорезей 7 выполнена меньшей, чем диаметр поперечных отверстий 6.
На фиг. 1, 2 также показан вал 8, через который на ступицу 1 супермаховика подается вращение.
Работает супермаховик (фиг. 1, 2) следующим образом.
Супермаховик включает в себя обод 2, навитый из высокопрочной ленты, например, стальной холоднокатаной, со склейкой витков между собой, а также всего навитого обода 2 с единой деталью, выполненной из ступицы 1 и кольцеобразного элемента 3, на ее периферии. Единая деталь может быть выполнен из материала с меньшим модулем упругости, а также, возможно, и меньшей плотности, чем материал ленты в ободе 2, например, из легкого сплава, в частности, алюминиевого, титанового или магниевого. В кольцеобразном элементе 3 выполнены поперечные отверстия 6, распределенные по его торцевой поверхности, например, равномерно, через один и тот же угол одно от другого, причем между отверстиями 6 в кольцеобразном элементе 3 выполнены радиальные прорези 5, отделяющие друг от друга элементы 9 кольцеобразного элемента 3 с расположенными в них поперечными отверстиями 6. В них, в частности, можно располагать балласт 4 - цилиндрические стержни из тяжелого метала (стали, свинца) при балансировке супермаховика. В случае выполнения радиальных прорезей 5 фасонными, из двух половин, между которыми остаются части 10 кольцеобразного элемента 3, они могут содержать торцевые отверстия 11, в которые, также как и в поперечные отверстия 6, могут вставляться цилиндрические стержни для балансировки супермаховика. В диске ступицы 1 выполнены одинаковые по форме и симметричные фасонные прорези 7, расположенные под переменным углом к радиусами 12 (фиг. 1). То есть, фасонные прорези 7 изгибаются по форме таким образом, что их концы, как на большем, так и на меньшем удалении от центра диска ступицы 1 образуют с направлениями радиусов 12 углы меньшие, чем серединные части фасонных прорезей 7. Так, углы между средней линией фасонной прорези 7 на ее концах меньше, чем в середине. Внешние концы фасонных прорезей 7 выполнены соединяющимися (сообщенными) с поперечными отверстиями 6, диаметр которых больше ширины фасонных прорезей 7.
При вращении супермаховика его обод 2 упруго увеличивается по диаметру из-за напряжений растяжения в его материале. Благодаря выполнению ступицы 1 и кольцеобразного элемента 3 едиными из материала с меньшим, чем у обода 2, модулем упругости, и из-за выполнения кольцеобразного элемента 3 с поперечными отверстиями 6 и радиальными прорезями 5, раздвигающих элементы 9 кольцеобразного элемента 3, а также фасонных прорезей 7 в диске ступицы 1, упругая деформация кольцеобразного элемента 3 при вращении прижимает его к ободу 2, что способствует надежной работе супермаховика. Особенности формы фасонных прорезей 7, а так же радиальных прорезей 5 в кольцеобразном элементе 3, описанные выше, уменьшают радиальную жесткость диска ступицы 1, что позволяет выполнять единую деталь (ступица 1 + кольцеобразный элемент 3) даже из материалов с плотностью меньшей, чем плотность материала обода 2, а это повышает удельную массовую энергоемкость супермаховика. Таким образом, кольцеобразный элемент 3 с радиальными прорезями 5 и поперечными отверстиями 6 осуществляет функцию «упругость» ближайшего аналога. Части 10 кольцеобразного элемента 3, частично отделенные от него радиальными прорезями 5, позволяют осуществлять навивку первых витков ленты обода 2 без провалов к центру.
Благодаря выполнению ступицы 1 и кольцеобразного элемента 3 в виде единой детали с радиальными прорезями 5 и поперечными отверстиями 6 упрощается конструкция и балансировка супермаховика, которая сводится к размещению в уже имеющихся поперечных отверстиях 6 и торцевых отверстиях 11 (некоторой небольшой части из них) балласта 4 - цилиндрических стержней из тяжелого метала, равных или меньших по длине отверстиям, с фиксацией их в данных отверстиях, например с помощью клея.
Наиболее успешно заявленный «Супермаховик» применим в промышленности в качестве накопителя энергии в энергетике.