ЛЕНТОЧНЫЙ МАХОВИК

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в различных отраслях промышленности, в частности в энергетике. Известен супермаховик, содержащий ступицу, выполненную в виде диска, барабан, выполненный корытообразным, расположенным на периферии диска ступицы, и обод, выполненный в виде витков проволоки, навитой с натягом на внутреннюю поверхность барабана (RU, U1, №142820, F16F 15/30, опубл. 10.07.2014).
В этом устройстве на периферии диска ступицы выполнены выступы, равномерно расположенные вдоль окружности периферии диска и разделенные между собой радиальными прорезями. Барабан выполнен составным из накладок, обращенные наружу поверхности которых выполнены с поперечным сечением в форме равнобедренной трапеции, большее основание которой расположено снаружи, меньшее основание - дно накладки, а боковые стороны - боковые внутренние стенки накладки. Каждая из накладок в направлении центра диска ступицы снабжена двумя боковыми выступами, разделенными центральным пазом, и каждая из накладок установлена своим центральным пазом на выступе диска ступицы, а боковыми выступами - в соседних радиальных прорезях диска ступицы. В диске выполнены фасонные прорези, каждая из которых расположена симметрично в диске ступицы и исполнена изогнутой относительно радиальной плоскости диска ступицы. В качестве балансировочных элементов использованы металлические стержни, установленные в отверстиях фасонных прорезей.
Недостатком устройства является невозможность точной балансировки маховика из-за размещения корректирующих дисбаланс грузов - металлических стержней на упруго-податливом (из-за фасонных прорезей) диске, радиально-пружинящие элементы которого, где размещаются корректирующие дисбаланс грузы, не полностью отслеживают радиальные перемещения внутреннего слоя навивки обода из-за поворота радиально-пружинящих элементов при упругой деформации диска. Кроме того, при навивке проволоки обода с натягом диск маховика деформируется (из-за сжатия его лентой). Поэтому обод, состоящий из многих слоев проволоки, получает деформации, приводящие к расслоению витков, что не позволяет точно балансировать маховик как в радиальном, так и в поперечном направлении.
Наиболее близким является ленточный маховик, содержащий диск, установленный на валу и выполненный в виде шайбы, во внешней цилиндрической поверхности которой выполнен паз, упругое кольцо, расположенное в пазу, обод, выполненный из навитой ленты со скрепленными между собой витками, установленный снаружи упругого кольца (RU, U1, №167509, опубл. 10.01.2017).
В известном устройстве упругое кольцо выполнено в поперечном сечении таврообразным и закреплено в пазу, а его наружная часть - верхняя часть тавра - выполнена выступающей за наружную поверхность шайбы, равна ширине диска и ширине ленты внутренних витков, скрепленных между собой клеевыми слоями. В качестве материала упругого кольца может быть применен полиуретан.
В этом устройстве балансировочные элементы отсутствуют.
Если же использовать стандартные способы балансировки маховиков, то не удается устранить деформацию обода при навивке ленты с натягом. Обычное размещение грузов на диске не может обеспечить точности балансировки. Для обеспечения точности и надежности балансировки, а также отсутствия деформации обода при навивке ленты с натягом лента должна навиваться на жесткий диск, а не на деформируемую при навивке поверхность упругого кольца. В то же время балансировочные грузы должны быть надежно прижаты к навивке внутренней поверхности обода, то есть лента должна навиваться на детали, жестко связанные с балансировочными грузами, которые уже упруго могут быть связаны с жестким диском.
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Достигаемый технический результат полезной модели заключается в обеспечении улучшенной балансировки и, как следствие, повышении удельной энергоемкости, надежности и безопасности устройства в целом при высоких скоростях вращения маховика.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известном ленточном маховике, содержащем диск, установленный на валу и выполненный в виде шайбы, во внешней цилиндрической поверхности которой выполнен паз, упругое кольцо, расположенное в пазу, обод, выполненный из навитой ленты со скрепленными между собой витками, установленный снаружи упругого кольца, согласно заявленному устройству наружная поверхность упругого кольца расположена вровень с внешней цилиндрической поверхностью шайбы и введены балансировочные элементы, установленные поперечно и расположенные по окружности в упругом кольце, и сопряженные с наружной периферийной поверхностью упругого кольца и с внутренней поверхностью обода с возможностью их радиального перемещения при вращении вала.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- балансировочные элементы были выполнены из по меньшей мере трех втулок, выполненных с внутренней резьбой и торцы которых расположены вровень с боковыми поверхностями шайбы, из резьбовых деталей, полностью расположенных и установленных внутри втулок, а также из пробок, завинченных во втулки со стороны боковых стенок шайбы;
- наружный торец пробки был снабжен шляпкой, часть которой выполнена выступающей на боковую поверхность обода;
- упругое кольцо было скреплено с дном паза и/или с его боковыми стенками.
Указанные преимущества полезной модели, а также ее особенности поясняются с помощью варианта ее выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 изображает вид на заявленный ленточный маховик сбоку;
фиг. 2 - поперечное сечение на фиг. 1;
фиг. 3 - схематично состояние ленточного маховика, при отсутствии вращения или на низкой частоте;
фиг. 4 - то же, что фиг. 3, на высокой частоте вращения.
Ленточный маховик (фиг. 1, 2) содержит диск 1, установленный на валу 2 и выполненный в виде шайбы. Во внешней цилиндрической поверхности диска 1 (шайбы) выполнен паз 3. В пазу 3 расположено упругое кольцо 4. Обод 5 выполнен из навитой ленты со скрепленными между собой витками, установлен снаружи упругого кольца 4. Наружная поверхность упругого кольца 4 расположена вровень (заподлицо) с внешней цилиндрической поверхностью шайбы-диска 1. В устройство введены балансировочные элементы 6, установленные поперечно и расположенные по окружности в упругом кольце 4, и сопряженные с наружной периферийной поверхностью упругого кольца 4 и с внутренней поверхностью обода 5 с возможностью их радиального перемещения при вращении вала 2.
Балансировочные элементы 6 выполнены из по меньшей мере трех втулок 7, выполненных с внутренней резьбой и торцы которых расположены вровень (заподлицо) с боковыми поверхностями шайбы, из резьбовых деталей 8, полностью расположенных и установленных внутри втулок 7, а также из пробок 9, завинченных во втулки 7 со стороны боковых стенок шайбы (диска 1).
Кроме того, наружный торец пробки 9 может быть снабжен шляпкой 10, часть которой выполнена выступающей на боковую поверхность обода 5.
Упругое кольцо 4 скреплено с дном паза 3 и/или с его боковыми стенками, например, клеевым слоем и/или механическими элементами крепления 11.
Работает ленточный маховик (фиг. 1, 2) следующим образом.
Диск 1, изготовленный из металла или сплава, преимущественного легкого и прочного, например алюминиевого сплава, соединен с валом 2, передающим крутящий момент. Диск 1 имеет паз 3, ограниченный по бокам бортами 12 шайбы, например, с зубчатой периферией. Упругое кольцо 4 может быть выполнено в виде полимерной, например полиуретановой, прослойки. Упругое кольцо 4 на своей периферии содержит симметрично расположенные по окружности балансировочные элементы 6, выполненные из втулок 7 с внутренней резьбой, в которые завинчиваются резьбовые детали 8, выполняющие функцию грузов. С торцов во внутреннюю резьбу втулок 7 вводятся пробки 9, которые фиксируются во втулках 7, например, клеем. Диаметр шляпок 10 пробок 9 выбран таким, чтобы они контактировали с боковыми поверхностями диска 1 и обода 5. В резьбовых отверстиях втулок 7 частично помещены резьбовые детали 8, длиной которых регулируется масса грузов. Втулки 7 выполнены с длиной, равной толщине диска 1, и прочно склеены с упругим кольцом 4, например вварены в него, и своей внешней частью совпадают с внешней периферийной поверхностью упругого кольца 4. На эту внешнюю цилиндрическую поверхность упругого кольца 4 навивается со склейкой витков высокопрочная, например стальная, лента, образующая обод 5, накапливающий при вращении основную кинетическую энергию. Такие витые ободы 5 маховиков (супермаховиков) известны из многочисленных изобретений и полезных моделей, в частности из указанных аналогов полезной модели. Так как внешняя цилиндрическая поверхность упругого кольца 4 совпадает с частью цилиндрической поверхности балансировочных элементов 6, возможно даже прошедших совместную запланированную чистовую обработку, то внутренние витки обода 5, навитые с натягом, надежно соприкасаются со всей внешней поверхностью упругого кольца 4 и втулок 7. При увеличении вращения маховика балансировочные элементы 6 и упругое кольцо 4 все более сильно прижимаются к внутреннему витку обода 5, образуя надежный их контакт. Внутренняя цилиндрическая поверхность упругого кольца 4 надежно (склейкой, приваркой) соединена с дном паза 3 в диске 1.
Балансировка маховика, составленного из диска 1, упругого кольца 4 и обода 5, производится изменением массы грузов, в основном длиной резьбовых деталей 8, хотя может меняться и их материал (например, сталь или алюминий). Также может меняться материал и толщина пробок 9, хотя это и менее предпочтительно. Так как балансировочные элементы 6 фактически жестко связаны с ободом 5, то изменением массы части этих грузов - резьбовых деталей 8 - можно добиться уравновешивания обода 5, что важнее всего, так как он увеличивает диаметр при высокой скорости вращения (фиг. 4) в отличие от покоя и низкой скорости вращения (фиг. 3). Балансировка диска 1, как обычной жесткой шайбы, может производиться отдельно, до намотки обода 5, причем балансировка может осуществляться как в радиальном направлении за счет изменения длины и материала резьбовых деталей 8, так и в поперечном - за счет перемещения резьбовых деталей 8 вдоль осей втулок 7. Шляпки 10 пробок 9 удерживают диск 1 и обод 5 в боковом направлении, что не позволяет ободу 5 сползать с балансировочных элементов 6, закрепленных в упругом кольце 4. Упругое кольцо 4 прочно закреплено на дне паза 3 диска 1, и оно, растягиваясь при вращении маховика, скользит по внутренней поверхности бортов 12 паза 3 в диске 1. Удлинение упругого кольца 4 при вращении маховика весьма незначительное, не может повлиять на прочность и устойчивость конструкции. Число балансировочных элементов 6 выбрано не меньше трех, потому что при меньшем их количестве невозможно осуществить балансировку маховика, а реально их количество - несколько десятков.
При обрыве конца обода 5 происходит отход конечного витка от основной намотки и трение этого витка о внутреннюю поверхность корпуса маховика, останавливая его. Это свойство безопасного выхода из строя ленточного маховика было многократно проверено и является основным преимуществом ленточных маховиков.
Таким образом, за счет того что балансировочные элементы 6 расположены по окружности в упругом кольце 4 и сопряжены с наружной периферийной поверхностью упругого кольца 4 и с внутренней поверхностью обода 5 с возможностью их радиального перемещения при высокой скорости вращения вала 2, удается достичь технический результат - улучшить балансировку и, как следствие, повысить удельную энергоемкость, надежность и безопасность устройства в целом при высоких скоростях вращения маховика.
Наиболее успешно заявленный ленточный маховик промышленно применим в энергетике.