РАЗРЫВОБЕЗОПАСНЫЙ ВОЛОКОННЫЙ СУПЕРМАХОВИК
RUPTURE SAFE FIBER SUPER FLYWHEEL

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использована для накопителей энергии в энергетике и на автотранспорте.
Известен супермаховик, содержащий ступицу и обод, выполненный в виде навивки из высокопрочного волокна, при этом обод выполнен из двух сопряженных по диаметральной плоскости секций, навивка первой из которых выполнена от ступицы к внешней поверхности, а навивка второй секции выполнена непрерывно с навивкой первой секции от внешней поверхности к ступице и на ней закреплен последний виток навивки, причем введен балласт, в ступице выполнена расположенная под ободом кольцевая полость, в которой размещен балласт, а в балласте, щеках и части ступицы с кольцевой полостью выполнены радиальные прорези (SU №693073).
Недостатком устройства является возможность разрыва всего витого супермаховика при превышении расчетной частоты вращения, например в аварийных ситуациях. Возможность полного разрыва усугубляется еще и давлением на обод изнутри балластом.
Наиболее близким является маховик, содержащий вал, диск, установленный на валу, навивку, выполненную из гибкого материала, бандаж, выполненный намоткой гибким материалом и расположенный над навивкой (SU №578514).
В этом устройстве маховик установлен в защитном кожухе и содержит обод из навитой высокопрочной ленты и диск. Последний виток ленты не закреплен и выполнен с местным ослабленным сечением вблизи конца ленты. Между ободом и диском установлено упругое кольцо, жестко прикрепленное к ним. Введен бандаж, одетый с натягом на внешний виток обода и выполненный из последовательно намотанной проволоки, концы которой соединены с диском. Согласно этому техническому решению бандаж из высокопрочной проволоки должен предохранять витой из ленты обод от преждевременного разрушения при нагрузке его центробежными силами вращения.
Однако существенным недостатком этого устройства является то, что при превышении расчетной частоты вращения, например при наступлении аварийных ситуаций, высокопрочный бандаж, разрушаясь, вызывает взрывообразное разрушение всего маховика, что является очень опасным явлением и совершенно недопустимым на автотранспорте.
Решаемая задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Технический результат, который получен при выполнении заявленного устройства, - повышение безопасности и надежности устройства за счет разрыва бандажа, не причиняющего вреда кожуху.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном маховике, содержащем вал, диск, установленный на валу, навивку, выполненную из гибкого материала, бандаж, выполненный намоткой гибким материалом и расположенный над навивкой, согласно изобретению в качестве гибкого материала навивки и бандажа использовано волокно, соединенное клеем, при этом диск целиком выполнен из навивки в виде единой детали, введена прокладка, расположенная между диском и бандажом, скрепленная клеем с навивкой диска и намоткой бандажа, причем толщина бандажа выбрана меньшей радиуса диска не менее чем на порядок, прокладка выполнена из материала с модулем упругости, меньшим модуля упругости материала бандажа и диска, с плотностью материала в интервале от 0,2 до 5 плотности материала бандажа и диска и с толщиной в интервале от 0,2 до 2 толщины бандажа.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно чтобы:
- прокладка была выполнена преимущественно из пластиковой ленты, сплошной или ее отрезками, скрепленная клеем с навивкой диска и намоткой бандажа целиком или частями;
- намотка бандажа на прокладку была выполнена с натягом волокна.
За счет указанных выше существенных признаков обеспечивается предохранение всего супермаховика от опасного разрыва, т.к. бандаж разрывается от вращения при определенных, заранее рассчитанных частотах вращения, и своим безопасным разрывом, не повреждающим даже тонкой обечайки кожуха, предохраняет весь маховик от разрыва.
Специалистам понятно, что возможны и другие технические усовершенствования, дополняющие объем патентной охраны устройства, отраженный в независимом пункте формулы.
Указанные преимущества изобретения, а также ее технические особенности поясняются с помощью варианта его выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж.
На фиг. 1 представлен продольный разрез заявленного разрывобезопасного волоконного супермаховика (по поперечному сечению вала).
Маховик (фиг. 1) содержит вал 1, диск 2, установленный на валу, навивку, выполненную из гибкого материала, бандаж 3, выполненный намоткой гибким материалом и расположенный над навивкой.
В качестве гибкого материала навивки и бандажа 3 использовано волокно, соединенное клеем. Диск 2 целиком выполнен из навивки в виде единой детали. Введена прокладка 4, расположенная между диском 2 и бандажом 3, скрепленная клеем с навивкой диска 2 и намоткой бандажа 3. Толщина бандажа 3 выбрана меньшей радиуса диска 2 не менее чем на порядок. Прокладка 4 выполнена из материала с модулем упругости, меньшим модуля упругости материала (волокна) бандажа 3 и диска 4, с плотностью материала в интервале от 0,2 до 5 плотности материала бандажа 3 и диска 4 и с толщиной в интервале от 0,2 до 2 толщины бандажа 3.
Прокладка 4 может быть выполнена из различных материалов с указанным модулем упругости и с плотностью и может быть выполнена из пластиковой ленты, сплошной или ее отрезками, скрепленная клеем с навивкой диска 2 и намоткой бандажа 3 целиком или частями.
Кроме того, намотка бандажа 3 на прокладку может быть выполнена с натягом волокна.
Работает устройство (фиг. 1) следующим образом.
В качестве волокна может быть использовано высокопрочное волокно, например углеродное волокно - графен (http://nanodigest.ru/stati/issledovaniia-i-razrabotki/grafen), обладающее высокой удельной прочностью.
Прокладка 4 выполнена неотделимой при рабочем частоте вращения диска 2 маховика как от его внешней цилиндрической поверхности, так и от внутренней цилиндрической поверхности бандажа 3, как за счет склейки указанных поверхностей, так и за счет намотки волокна бандажа 3 на прокладку 4 с натягом.
Такое выполнение позволяет обеспечить предохранение от разрыва всего витого волоконного супермаховика, так как бандаж 3, отделенный от тела маховика прокладкой 4, мало влияет на прочность самого диска 2 маховика, так и бандажа 3. При этом бандаж 3, согласно расчетам по теории упругости, при вращении нагружен растягивающими силами примерно в 1,4 раза больше, чем самая опасная зона диска 2 витого маховика.
Вал 1 связан с диском 2 любым известным из практики способом, например склейкой, шпонкой и т.п. На внешней цилиндрической поверхности диска 2 закреплена, например, полной или частичной (участками) склейкой прокладка 4 из материала, по модулю упругости меньшего, чем материал диска 2, например из пластика. На внешнюю цилиндрическую поверхность прокладки 4 намотан и закреплен с помощью, например, клея бандаж 3 из высокопрочного волокна по всем показателям - модулю упругости, плотности, прочности, - аналогичный материалу витого диска 2 маховика, т.е. из того же материала с той же склейкой навитый по той же технологии. Как показали предварительные испытания и проведенные расчеты для достижения указанного технического результата толщина бандажа 3 выполняется меньшей радиуса диска 2, как минимум на порядок. Прокладка 4 находится в пределах от 0,2 до 2-х толщин самого бандажа 3, причем прокладка 4 может быть выполнена как в виде цельной ленты, опоясывающей диск 2, так и в виде отдельных ее отрезков, склеенных как с цилиндрической поверхностью диска 2, так и бандажа 3. Прокладка 4 должна быть выполнена по толщине в пределах от 0,2 до 2 толщины самого бандажа 3. Модуль упругости прокладки 4 должен быть выполнен меньшим модуля упругости бандажа 3, а плотность материала прокладки 4 выбирают в пределах от 0,2 до 5 плотности материала бандажа 3.
При изготовлении маховика с бандажом 3 и с прокладкой 4 она закрепляется на диске 2 клеем, а бандаж 3 также закрепляется на клею, но наматывается с натягом, зависящим от параметров устройства - плотности, модуля упругости, толщин прокладки 4 и бандажа 3, обеспечивая выполнение условия, чтобы при максимальной рабочей частоте вращения прокладка 4 была прижата не только к внутренней цилиндрической поверхности бандажа 3, но и к внешней поверхности диска 2. Этот натяг определяется опытным путем, или аналитически, или с помощью компьютерного моделирования.
При повышении частоты вращения диска 2 все вращающиеся части испытывают напряжения растяжения. У диска 2, как известно из теории упругости или расчетов дисков на вращение, напряжения материала тем больше, чем ближе к центру он расположен. У витого из склеенных тонких волокон диска 2 эти напряжения несколько меньшие, но все равно больше тех, что на периферии. Между тем, тонкое кольцо из волокна, диаметром примерно с тот же диск 2, например бандаж 3, почти не связанный жесткой связью с диском 2, напряжен в 1,3÷4,4 раза больше, что также следует из теории упругости. При достижении диском 2 с бандажом 3 недозволенных для маховика аварийных частот вращения, бандаж 4, который напряжен в 1,3÷1,4 раза больше диска 2, а прочность его равна прочности диска 2, разрывается. Ввиду того, что масса бандажа 3 весьма мала, а форма его не допускает образования крупных осколков, намотка тонкого кольца бандажа 3 разрывается практически в пыль. Однако этот «микровзрыв» дает возможность соответствующим датчикам (давления, вибрации и др.) включить режим торможения маховика и сохранить все устройство от разрушения, а также обеспечить безопасность окружающим предметам и персоналу.
Проведенные испытания полностью доказали решение поставленной задачи с достижением указанного технического результата.
Наиболее успешно заявленный «Разрывобезопасный волоконный супермаховик» промышленно применим в энергетике и в различных отраслях машиностроения, например на транспорте.