ЛЕНТОЧНЫЙ МАХОВИК

Ленточный маховик относится к области машиностроения и может быть использован в различных отраслях промышленности, в частности, в энергетике.
Уровень техники.
Из уровня техники известен маховик, навитый из высокопрочной ленты со склейкой витков на центр, выполненный упруго-податливым. (SU, №200359, F16F 15/30, опубл. 16.05.1966 г.).
В этом техническом решении последний (внешний) виток навивки соединен с предыдущим склейкой или другим, не нарушающим прочности ленты способом. Кроме того, последний виток ленты выполнен ослабленным, например, отверстием, для того, чтобы при превышении частоты вращения маховика был разорван именно последний виток, а предпоследний был бы прижат к внутренней цилиндрической поверхности корпуса маховика и трением замедлил бы его частоту вращения. Вращение маховика осуществляется в направлении навивки ленты.
Однако, этому аналогу присущ недостаток, заключающийся в том, что незакрепленный (просто приклеенный) конец ленты легко отрывается от остальной навивки, так как клей слабо сопротивляется отрыву склеенной кромки.
Известен ленточный маховик, содержащий ленту, упругий центр, на который навита лента, клеевой слой, расположенный между витками ленты, причем ширина ленты последнего витка выбрана меньшей, чем ширина остальной ленты, и конец ленты последнего витка размещен внутри предыдущего постоянной ширины витка с его склейкой сплошным клеевым слоем между упомянутыми витками. (SU, №353086, F16F 15/30, опубл. 23.11.1970 г.).
В этом устройстве последний виток ленты выполнен резко сходящимся в наклонную зигзагообразную полоску, шириной в 10% от ширины ленты других витков. Последний виток ленты навит в обратном направлении, который монтируется на клею внутрь предыдущего витка. В этом случае клеевой слой работает не на отрыв, а на сдвиг, поэтому прочность соединения намного выше.
Однако, ближайший аналог обладает рядом ограничений:
- резкий переход от полной ширины ленты к узкой полоске снижает прочность ленты;
- ширина полоски, составляющая точно 10% от полной ширины ленты может использоваться только в каком-то частном случае соотношения ширины ленты и диаметра маховика;
- длина узкой зигзагообразной наклонной полоски составляет около десяти длин окружности маховика, что ведет к перерасходу материала ленты и к появлению на большой длине погрешностей в ширине полоски, что ослабляет прочность конструкции;
- конец полоски, входящий между двумя последними витками равнотолщинной ленты предпоследним и рядом полосок в последнем витке выполнен той же толщины, что и основная лента, а это увеличивает силу отрыва этого конца от намотки и ухудшает в целом центрирование маховика, при этом сопротивление клея отрыву существенно меньше, чем сдвигу, а это снижает прочность конструкции.
Наиболее близким является ленточный маховик, содержащий упругий центр, выполненный с наружной цилиндрической поверхностью, широкую ленту, навитую в несколько витков на цилиндрическую поверхность упругого центра, узкую ленту, последовательно наружи навитую на широкую ленту, по меньшей мере, с образованием одного витого слоя, клеевой слой, расположенный между смежными поверхностями для широкой и узкой ленты, и боковые щеки, расположенные по обе стороны от упругого центра с возможностью фиксации широкой и узкой ленты. (Учебник для ВУЗов «Детали машин», под редакцией Н.В. Гулиа, изд. «Лань», Москва-С.Петербург, 2010, с.247-251).
В этом устройстве обеспечивается достаточно высокая частота вращения маховика до разрыва узкой ленты. Однако при большом количестве витков навивки широкой ленты внутренние витки могут быть напряжены существенно больше, чем внешние, т.к. склеенные витки узкой ленты напряжены почти так же, как и монолитный обод. В этом случае разрыв витков для витого обода может начаться с внутренних витков широкой ленты, что приведет к опасному разрушению всего обода, а не одного витого слоя наружного витка узкой ленты. Этому будет способствовать и давление упруго центра (упругоподатливого) на внутренние витки навивки широкой ленты. Кроме того, отсутствие боковых щек может вызвать спадание навитых частей ленточного маховика с упругого центра, особенно при вертикальной оси вращения маховика.
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик и повышение безопасности. Технический результат, который получен при выполнении заявленной полезной модели - повышение надежности крепления при обеспечении гарантированного отрыва только внешних витков во внештатном режиме функционирования ленточного маховика (при увеличении частоты его вращения выше заданной, эксплуатационной).
Дополнительный технический результат - повышение надежности за счет исключения спадания ленты с упругого центра.
Таким образом, задачей полезной модели является создание витого ленточного маховика, обеспечивающего его безопасный выход из строя при его высокой удельной энергоемкости, путем обеспечения разрыва именно внешних витков ленты при достаточно высоких частотах вращения маховика, а также и отсутствия спадания витого обода маховика с упругого центра.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном ленточном маховике, содержащем упругий центр, выполненный с наружной цилиндрической поверхностью, широкую ленту, навитую в несколько витков на цилиндрическую поверхность упругого центра, узкую ленту, последовательно снаружи навитую на широкую ленту, по меньшей мере, с образованием одного витого слоя, клеевой слой, расположенный между смежными поверхностями для широкой и узкой ленты, согласно заявленному устройству клеевой слой, выполненный сплошным, расположен на цилиндрической поверхности упругого центра и между смежными поверхностями широкой ленты внутренних витков, а клеевой слой, выполненный прерывистым, расположен между смежными поверхностями узкой ленты и широкой ленты.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- клеевой слой, выполненный прерывистым, был расположен между смежными поверхностями, по меньшей мере, двух наружных витков широкой ленты;
- толщина сплошного клеевого слоя, расположенного на цилиндрической поверхности упругого центра и между смежными поверхностями широкой ленты внутренних витков, была выбрана меньше половины толщины широкой ленты;
- модуль упругости на растяжение клеевого слоя был выбран меньше модуля упругости широкой и/или узкой ленты;
- были введены боковые щеки, расположенные по обе стороны от упругого центра с возможностью фиксации широкой и узкой ленты.
Для последнего дополнительного варианта целесообразно, чтобы:
- боковые щеки были выполнены с толщиной стенок, убывающей по направлению к периферии;
- боковые щеки были выполнены сплошными и соединены между собой винтами.
Вышеописанные признаки полезной модели являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата, заключающегося, в частности, в повышении надежности и безопасности работы устройства.
Указанные преимущества полезной модели, а также ее особенности поясняются с помощью варианта ее выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж.
Фигура 1 схематично изображает поперечный разрез заявленного ленточного маховика.
Данная полезная модель поясняется конкретным примером ее выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует обеспечение достижения заявленной совокупностью существенных признаков технического результата.
Ленточный маховик (фиг.1) содержит упругий центр 1, выполненный с наружной цилиндрической поверхностью. Широкая лента 2 навита в несколько витков на цилиндрическую поверхность упругого центра 1. Узкая лента 3 последовательно снаружи навита на наружную широкую ленту 2, по меньшей мере, с образованием одного витого слоя 4. Клеевой слой 5 расположен между смежными поверхностями широкой ленты 2 и узкой ленты 3. Клеевой слой 5, выполненный сплошным, расположен на цилиндрической поверхности упругого центра 1 и между смежными поверхностями широкой ленты 2 внутренних витков. Клеевой слой 5, выполненный прерывистым, расположен между смежными поверхностями узкой ленты 3 и широкой ленты 2 (клей нанесен частями поперечно широкой ленте 2 и узкой ленте 1).
Клеевой слой 5, выполненный прерывистым, также может быть расположен между смежными поверхностями, по меньшей мере, двух наружных витков широкой ленты 2 (на фиг.1 прерывистый клеевой слой 5 (5*) схематично показан жирными линиями).
Толщина сплошного клеевого слоя 5 (5*), расположенного на цилиндрической поверхности упругого центра и между смежными поверхностями широкой ленты внутренних витков, может быть выбрана меньше половины толщины широкой ленты 2 (на фиг.1 схематично показано более тонкими линиями).
Для обеспечения равнонапряженного состояния смежных витков (близким к равнонапряженному) модуль упругости на растяжение клеевого слоя выбран меньше модуля упругости широкой 2 и/или узкой 3 ленты.
Для дополнительного повышения надежности за счет исключения спадания широкой и узкой ленты 2, 3 с упругого центра 1 в устройство введены боковые щеки 6, расположенные по обе стороны от упругого центра 1 с возможностью фиксации широкой и узкой ленты 2, 3.
Для улучшения центрирования (уменьшения разбалансировки) боковые щеки 6 выполнены с толщиной стенок, убывающей по направлению к периферии.
Боковые щеки 6 могут быть выполнены сплошными (без центрального отверстия для прохождения вала) и соединены между собой винтами 7.
Конец 8 узкой ленты 3 заведен и вмонтирован между витым слоем 4 узкой ленты 3 и наружным витком широкой ленты 2 (так же, как в ближайшем аналоге скреплен клеем).
Работает ленточный маховик (фиг.1) следующим образом.
На упругий центр 1, изготовленный, например, из конструкционного текстолита, который выдерживает деформации в упругой зоне существенно большие, чем навитая на него широкая лента 2 (металлическая или выполненная из графеновой бумаги). Широкая лента 2 соединена смежными поверхностями в начальных витках сплошным клеевым слоем 5, как между первым витком широкой ленты 2 и упругим центром 1 так и, как минимум, между витками количеством более трех, для надежной клеевой фиксации друг на друге и на упругом центре 1.
Толщина сплошного затвердевшего клеевого слоя 5 (5*) между этими первыми витками выполнена меньше половины толщины широкой ленты 2. Таким же образом склеены и последние (внешние) слои широкой ленты 2, с числом витков не менее двух, с тем отличием, что клеевой слой 5 в варианте исполнения частично выполнен прерывистым (клей частями или периодически нанесен поперек широкой ленты 2). Витой слой 4 узкой ленты 3 обязательно скреплен прерывистым клеевым слоем 5 с наружной смежной поверхностью широкой ленты 2.
Модуль упругости на растяжение затвердевшего клея выбран менее модуля упругости склеиваемых лент, а толщина клеевого слоя 5 в принципе может быть выполнена переменной по длине навивки.
Отметим, что также целесообразно навивку маховика витого слоя 4 узкой лентой 2 выполнять одним куском.
Упругий центр 1 ленточного маховика снабжен боковыми щеками 6, закрепленными на упругом центре 1 без центрального отверстия в щеках 6, например, для прохождения вала. Такое выполнение обеспечивает высокую прочность боковых щек 6 при их быстром вращении вместе с упругим центром 1. Крепление боковых щек 6 к упругому центру 1 осуществляется с помощью установленных в отверстиях 9 винтов 7, которые не оказывает существенного влияния на прочность деталей. Боковые щеки 6 выполнены с переменной толщиной стенок, убывающей к периферии, что повышает их прочность на разрыв от вращения.
При вращении маховика витки ленты напряжены по-разному. Внутренние витки, особенно прилегающие к упругому центру 1, растянуты и напряжены больше других витков широкой ленты 2 почти так же, как если бы вместо навивки был бы сплошной материал ленты (металл). Напряжение от давления упругого центра 1 можно предельно ослабить, подбирая диаметр упругого центра 1 и плотность его материала. Внешние витки, особенно витой слой 4 узкой ленты 3, напряжены намного больше витков широкой ленты 2, и при превышении частоты вращения внешние витки, склеенные прерывистым клеевым слоем 5, разорвутся первыми, в особенности узкая лента 3 (например, также за счет давления конца 8 на витой слой 4). В дополнительном варианте клеевой слой 5 выполнен прерывистым например, также для двух наружных витков широкой ленты 2. Разрыв этих витков широкой ленты 2 приводит к отрыву витого слоя 4 и разрыву его узкой ленты 3. Разрыв витого слоя 4 узкой ленты 3 совершенно безопасен, т.к. не приводит к повреждению даже тонкой обечайки (1,5 мм) вокруг маховика, что было представлено на испытаниях заявленных ленточных маховиков, проведенных на стендах ЦНИИТМАШ.
Таким образом, поскольку клеевой слой 5 под витым слоем 4 узкой ленты 3 выполнен прерывистым, то производится гарантированный отрыв внешних витков при превышении частоты оборотов маховика выше эксплуатационных (или выше оборотов, заданных техническими условиями).
Наиболее успешно заявленный ленточный маховик промышленно применим в энергетике.