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.
Наиболее близким является 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.
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 внешнего витка во внештатном режиме функционирования маховика (при увеличении частоты его вращения выше заданной эксплуатационной), а также улучшение центрирования (уменьшение разбалансировки).
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном ленточном маховике, содержащем 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, согласно заявленному устройству конец последнего витка ленты выполнен плавно зауженным как по ширине, так и по толщине, а торцевая часть конца последнего витка выполнена с поперечным ответвлением, лента предыдущего постоянной ширины витка снабжена щелью, а поперечное ответвление вмонтировано внутри щели, причем клеевой слой, по меньшей мере, одного внутреннего витка, расположенного под упомянутым предыдущим постоянной ширины витком, выполнен прерывистым.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- поперечное ответвление было гладко сопряжено с плавно зауженным концом последнего витка ленты, щель была размещена по месту расположения средней части поперечного ответвления, выполнена продольной и ее длина соответствовала бы ширине поперечного ответвления, преимущественно была выбрана больше ширины поперечного ответвления;
- поперечное ответвление было выполнено под углом относительно продольной оси ленты;
- были введены полоски, периодически расположенные под упомянутым предыдущим постоянной ширины витком и приклеенные к поверхностям смежных витков;
- толщина ленты витка между полосками была выбрана большей, чем толщина ленты остальных витков, а полоски были выполнены разной толщины с возможностью обеспечения равнонапряженного состояния смежных витков;
- лента и клеевой слой были выполнены с переменными толщинами, которые выбраны соответствующими равнонапряженному состоянию смежных витков.
- лента была выполнена с переменной толщиной, а клеевой слой был выполнен из материалов с различными модулями упругости для обеспечения равнонапряженного состояния смежных витков;
- лента состояла бы из фрагментов.
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 обеспечении достаточной надежности закрепления конца последнего витка ленты при гарантированном ослаблении его прочности на разрыв, обеспечивающим безопасный выход из строя маховика при превышении расчетной безопасной частоты его вращения, а также улучшения центрирования.
Указанные преимущества полезной модели, а также ее особенности поясняются с помощью варианта ее выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен вид на последний виток ленты с криволинейной крайней частью.
На фиг.2 - продольный разрез витого ленточного маховика по линии А-А на фиг.1.
Раскрытие полезной модели
Ленточный маховик (фиг.1, 2) содержит ленту 1, упругий центр 2, на который навита лента 1. Клеевой слой 3 расположен между витками ленты 1, причем ширина ленты 1 последнего витка (фиг.1) выбрана меньшей, чем ширина остальной ленты 1. Конец ленты 1 последнего витка размещен внутри предыдущего постоянной ширины витка с его склейкой сплошным клеевым слоем 3 между упомянутыми витками.
Конец последнего витка ленты 1 выполнен плавно зауженным как по ширине, так и по толщине. Торцевая часть конца последнего витка ленты 1 выполнена с поперечным ответвлением 4. Лента 1 предыдущего постоянной ширины витка снабжена щелью 5, а поперечное ответвление 4 вмонтировано внутри щели 5 (склейкой его поверхностей). Клеевой слой 3, по меньшей мере, одного внутреннего витка, расположенного под упомянутым предыдущим постоянной ширины витком, выполнен прерывистым (клей нанесен частями поперечно ленте 1).
Кроме того, для улучшения надежности соединения и удобства монтажа поперечное ответвление 4 гладко сопряжено с плавно зауженным концом последнего витка ленты 1 (фиг.1) Щель 5 размещена по месту расположения средней части поперечного ответвления 4, выполнена продольной и ее длина соответствует ширине поперечного ответвления 4, преимущественно выбрана большей ширины поперечного ответвления. Поперечное ответвление 4 выполнен под углом относительно продольной оси ленты, позволяя удобно ввести его в щель 5 и склеить поверхности.
Клеевой слой 3 может быть выполнен сплошным (фиг.2), преимущественно для последнего витка ленты 1 и предыдущего, а также для внутренних витков, расположенных вблизи упругого центра 2.
Прерывистый клеевой слой 3 может быть нанесен на введенные в устройство полоски 6, периодически расположенные под упомянутым предыдущим постоянной ширины витком и приклеенные к поверхностям смежных витков (фиг.2).
Для этого варианта исполнения толщина ленты 1 витка между полосками 6 выбрана большей, чем толщина ленты 1 остальных витков, а полоски 6 выполнены разной толщины с возможностью обеспечения равнонапряженного состояния смежных витков (очень близким к равнонапряженному). На фиг.2 показаны соответствующие этому случаю разнотолщинные полоски 6, обеспечивающие общую «симметрию» конструкции, т.е. при наличии внутри устройства витка с большей толщиной ленты 1 достигается расположение наружных витков на равноудаленном расстоянии от оси упругого центра 2.
Из предыдущего описания специалистам понятно, что в частных случаях выполнения полезной модели лента I и клеевой слой 3 могут быть выполнены с переменными толщинами, которые выбраны соответствующими равнонапряженному состоянию смежных витков, а также лента 1 может быть выполнена с переменной толщиной, а клеевой слой 3 может быть выполнен из материалов с различными модулями упругости для обеспечения равнонапряженного состояния смежных витков.
Кроме того, для удобства сборки и надежности крепления лента 1 может состоять из фрагментов (отдельных кусков).
Работает ленточный маховик (фиг.1, 2) следующим образом.
Лента 1 постоянной ширины навита на упругий центр 2 (фиг.1, фиг.2), а также предпоследним витком склеена с наружным витком сплошным клеевым слоем 3. Причем лента 1 в начале навивки на упругий центр 2 может быть выполнена с плавно уменьшающейся толщиной к упругому центру 2, такое «заострение» показано на фиг.2 поз.7. Как сама лента 1, так и клеевой слой 3 могут быть выполнены переменной толщины, например, утолщающимися к началу навивки, т.е. к упругому центру 2. Лента 1 может быть навитой как одним цельным куском, так и отдельными кусками одинаковой или разной толщины сплошным или прерывистым клеевым слоем 3. При превышении частоты оборотов устройства выше эксплуатационной необходимо обеспечить гарантированный отрыв по меньшей мере одного или двух наружных витков ленты 1. Для этого под упомянутым предыдущим постоянной ширины витком может быть нанесен прерывистый клеевой слой 3. Вместо прерывистого клеевого слоя 3 также могут быть введены полоски 6, периодически расположенные под упомянутым предыдущим постоянной ширины витком и приклеенные к поверхностям смежных витков (фиг.2).
Для этого варианта исполнения толщина ленты 1 витка между полосками 6 выбрана большей, чем толщина ленты 1 остальных витков, а полоски 6 выполнены разной толщины с возможностью обеспечения равнонапряженного состояния смежных витков. Таким образом, полоски 6 обеспечивают осевую направленность конструкции.
Кроме того, склейка ленты 1 может быть выполнена с переменными параметрами и свойствами - толщиной и модулем упругости. Это оказывает влияние на напряженное состояние ленты 1 при вращении маховика, которое может быть выполнено близким к равнонапряженному в соседних витках, независимо от радиуса, что очень важно для эффективности работы маховика. Следует отметить, что лента 1 может быть выполнена из стали, или другого более перспективного материала, например, из графеновой бумаги. Выполнение ленты 1 из графеновой бумаги позволяет увеличить удельную энергоемкость маховика на несколько порядков.
Во вращающемся маховике, составленном из отдельных витков, напряжение в витках увеличивается от упругого центра 2 к периферии маховика. При связи витков сплошным клеевым слоем 3 напряженное состояние ленты 1 изменяется - внутренних слоев возрастает, а внешних - убывает. Это изменение тем сильнее, чем тоньше клеевой слой 3 склейки и чем выше модуль упругости материала клея. В частности, подбором упомянутых параметров можно добиться равнонапряженного состояния смежных витков ленты 1, склеенной сплошным клеевым слоем 3, что важно для эффективности работы маховика. Внешние слои навивки могут быть склеены посредством внутренних полосок 6, которые дополнительно ослабляют влияние склейки на напряженное состояние ленты 1, которое во внешних витках является наибольшим. Это необходимо для того, чтобы при превышении допустимой частоты вращения маховика разрывался именно последний виток(и) ленты и трением о внутреннюю поверхность корпуса тормозил маховик, делая такой разрыв безопасным. Разумеется, вращение маховика производится в направлении навивки ленты. Лента 1 предыдущего постоянной ширины витка по отношению к наружному последнему витку снабжена щелью 5, а поперечное ответвление 4 вмонтировано внутри щели. Это обеспечивает надежность закрепления последнего витка ленты 1 и устранение разбалансировки устройства, что подтверждено экспериментом. Поскольку клеевой слой 3, по меньшей мере, одного внутреннего витка, расположенного под упомянутым предыдущим постоянной ширины витком, выполнен прерывистым или в виде полосок 5, то производится гарантированный отрыв внешних витков при превышении частоты оборотов маховика выше эксплуатационных (выше оборотов, заданных техническими условиями).
Промышленная применимость
Наиболее успешно заявленный ленточный маховик промышленно применим в энергетике.