МАХОВИЧНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ

Полезная модель относится к накопителям энергии, в частности, к опорам скоростных маховичных накопителей энергии, используемых в технике.
Из уровня техники известны маховичные накопители, включающие вращающийся маховик в корпусе, закрепленный там на шарикоподшипниках (см., например, монографию Джента Дж. «Накопители кинетической энергии», «Мир», М., 1988, глава 4, «Система подвески маховика», раздел 4.2 «Шарикоподшипники», с.198-206). Для снижения потерь в подшипниках используются так называемые «двойные» или «каскадные» (если число подшипников в опоре равно двум и более) опоры (см. цитированную выше книгу, с. 204, рис. 4.5).
В качестве аналога взята конструкция маховичного накопителя, где в качестве опор использованы двойные подшипники, где внутренняя обойма одного подшипника совмещена с внешней обоймой другого и эта совмещенная обойма принудительно вращается с помощью сервопривода (см. цитированную выше книгу, с. 204, рис. 4.5, а). Недостатками аналога являются сложность конструкции и высокие потери энергии на принудительное вращение.
Известна конструкция каскадной опоры маховика, где составляющие каждую опору подшипники, как минимум два, расположенные в опоре один за другим в осевом направлении так, что в средних подшипниках внутреннее кольцо одного и внешнее кольцо другого установлены в промежуточной опоре (см. цитированную книгу, с. 204, рис. 4.5, б). Подшипники здесь одинаковые, причем подчеркивается, что в этом случае достигается наименьшее сопротивление в опоре. Промежуточная обойма приводится во вращение без каких-либо сервоприводов самостоятельно за счет сопротивлений вращению средних подшипников.
Недостатками данной конструкции, принятой за прототип, являются повышенные сопротивления в опоре и пониженный ее ресурс, что является следствием того, что составляющие подшипники взяты одинаковыми.
Задача полезной модели состояла в создании маховичного накопителя, обладающего пониженным сопротивлением в опорах и высокой их
долговечностью. Предложен маховичный накопитель, включающий маховик с цапфами и корпус, в котором маховик посажен на каскадных опорах, в котором согласно полезной модели каскадные опоры выполнены, как минимум, из одной пары подшипников качения разных диаметров и грузоподъемности, расположенных один за другим в осевом направлении, причем подшипники связаны друг с другом промежуточной обоймой так, что подшипники малых диаметров установлены в обойме внешним кольцом, а подшипники больших диаметров - внутренним, при этом внутренние кольца подшипников малых диаметров установлены на цапфе маховика, а внешние кольца подшипников больших диаметров - в посадочном гнезде корпуса накопителя, причем промежуточная обойма имеет два участка разного диаметра и участок малого диаметра контактирует с цапфой, а участок большего диаметра - с посадочным гнездом корпуса.
Другим отличием полезной модели является то, что подшипники меньшего диаметра выполнены большей динамической грузоподъемности, чем большего диаметра.
Следующим отличием полезной модели является то, что каждая опора выполнена из двух одинаковых пар подшипников, причем пара крайних подшипников имеет одни размеры по диаметрам, а пара средних - другие, и средняя пара подшипников установлена в обойме рядом друг с другом, а крайняя - через среднюю пару.
При этом каждая пара подшипников разного диаметра имеет соответствующую промежуточную обойму.
Устройство представлено на чертежах, где на фиг.1 и фиг.2 изображены схемы маховичных накопителей с каскадными опорами из одной пары подшипников, а на фиг.3 и фиг.4 - из двух пар подшипников качения, соответственно с крайними подшипниками большого (фиг.1, фиг.3) и малого (фиг.2, фиг.4) диаметров.
Маховик 1 (фиг.1) закреплен в корпусе 2 с возможностью вращения в нем на двух подшипниках на каждой цапфе 3 - подшипнике 4 большого диаметра, посаженного своим внешним кольцом в гнездо 5 корпуса 2, а своим внутренним кольцом - на промежуточной обойме 6. Подшипник 7 малого диаметра своим внешним кольцом установлен на промежуточной обойме 6, а своим внутренним кольцом сидит на цапфе 3. Подшипники 4 и 7 зафиксированы, соответственно, в гнезде 5 корпуса 2 и на цапфе 3, от осевого
перемещения любыми устройствами для осевой фиксации подшипников, например, стопорным кольцом 8 и упором 9.
На фиг.2 представлен маховичный накопитель, отличающийся от изображенного на фиг.1 тем, что подшипник 7 малого диаметра размещен на краю цапфы 3 и упирается в стопорное кольцо 8, а подшипник 4 большего диаметра расположен ближе к маховику 1.
На фиг.3 представлен маховичный накопитель с опорами, составленными из двух пар подшипников каждая - пары подшипников 4 большого диаметра и пары подшипников 7 малого диаметра, посаженных в две промежуточные обоймы 6, примыкающие друг к другу малыми диаметрами, где установлены подшипники 4 большого диаметра, посаженные в гнезде 5 корпуса 2. Подшипники 7 малого диаметра установлены в обоймах 6 по краям цапфы 3 и посажены на цапфе 3 своими внутренними кольцами. Зафиксированы подшипники 7 на цапфе в осевом направлении стопорным кольцом 8 и упором 9.
На фиг.4 представлен маховичный накопитель, отличающийся от представленного на фиг.3 тем, что промежуточные обоймы 6 примыкают друг другу большими диаметрами, где установлены подшипники 7 малого диаметра, сидящие на цапфе 3, а по краям цапфы 3 установлены в промежуточных обоймах 6 подшипники 4 большого диаметра, сидящие в гнезде 5 корпуса 2 и зафиксированные там от осевого перемещения стопорным кольцом 8 и упором 9.
Конструкции по фиг.3 и 4 имеют грузоподъемность опор выше, чем по фиг.1 и 2. Подшипники 7 малого диаметра выполнены большей грузоподъемности, и статической и динамической, чем подшипники 4 большого диаметра, так как подшипники 4 более легкой серии, чем подшипники 7. Все подшипники, изображенные на чертежах фиг.1, 2, 3 и 4 - однородные шарикоподшипники, хотя здесь могут применяться и другие подшипники, например, четырехточечные, для более грузоподъемных опор, или радиальные сферические для случаев монтажа подшипников с перекосами, т.е. подшипники используются по их прямому и известному применению.
Работа устройств по фиг.1, 2, 3 и 4 происходит одинаково и выражается в том, что промежуточные обоймы 6 при вращении маховика 1 из-за разности сопротивлений в подшипниках большого и малого диаметров, соответственно, 4 и 7, пропорциональных кубу диаметров по центру шариков, вращаются не с
-1
половинной частотой вращения маховика 1, как в прототипе, а с меньшей. Благодаря этому, моменты сопротивления в каждом из подшипников опор, равные для каждого из подшипников, оказываются меньшими, чем в прототипе, а ресурс всех подшипников больше, чем в прототипе, при одинаковых диаметрах цапф 3, посадочном отверстии в гнезде 5, частоте вращения маховика 1 и нагрузках на опоры. Расчеты показывают, что в предложенном устройстве момент сопротивления в опорах маховика ниже примерно на 30%, а ресурс в 1,7 раза выше, чем в прототипе с теми же диаметрами цапфы 3-30 мм, гнезда 5-75 мм, частотой вращения маховика 1-15000 мин, нагрузкой на опоры 2 кН на каждую (500 Н на подшипник), диаметром внешнего кольца малого подшипника 7-72 мм и внутреннего кольца большого подшипника 4-75 мм.
Для обоснования достигаемого технического результата ниже приведена методика и результаты расчета опор качения для двух случаев. Первый случай касается опоры качения, состоящей из двух одинаковых по размерам подшипников (прототип). Второй случай связан с использованием двух подшипников разного диаметра (Полезная модель). Конструкция прототипа и предложенная конструкция сравнивалась расчетом, причем как прототип, так и предложенная полезная модель имели одинаковые габариты и диаметры цапф маховичного накопителя, составляющие подшипники качения были взяты стандартные и подбирались из справочника (см. Бейзельман Р.Д., Цыпкин Б.В., Перель Л.Я. «Подшипники качения. Справочник.»- М.: Машиностроение, 1975). Результаты расчета опор вычислялись для максимальной частоты вращения маховичного накопителя 15000 об/мин.
тр
Суммарные потери (момент сопротивления) М, (Н·мм) каждого из подшипников складываются из двух составляющих.
0
0
Основная составляющая М главным образом зависит от вязкого сопротивления смазки и угловой скорости и может считаться не зависящей от нагрузки. Эмпирическое выражение для расчета М имеет следующий вид:
0
m
2
где f - коэффициент, характеризующий тип подшипника (выбирается из справочника); ν-кинематическая вязкость масла, мм/с; d- средний диаметр подшипника, мм; n - частота вращения, об/мин.
где d - внутренний диаметр подшипника, мм; D - наружный диаметр подшипника, мм.
1
Составляющая M определяется главным образом гистерезисными потерями и трением, определяется нагрузкой:
i
0
где f, с, С - определяются по справочникам для соответствующих подшипников, Р - эквивалентная нагрузка, Н.
Работа опоры как в прототипе, так и в полезной модели основана на равенстве сопротивлений, возникающих в каждом из подшипников опоры.
0
m
i
0
(1)
(2)
(1)
(2)
m
Поскольку в прототипе составляющие f, d, f, с, С равны, следует равенство n=n. В предложенной конструкции эти значения различны, следовательно, n≠n, причем для подшипника с меньшим d будет соответствовать n большего значения. Известно, что подшипники с меньшим диаметром имеют большие допустимые угловые скорости.
Таким образом, используя данную методику расчета, получены следующие результаты - для прототипа:
(1)
(2)
n=n=7500 об/мин
тр(1)
тр(2)
М=М=48,399 Н·мм
Для полезной модели:
(1)
n=10126 об/мин
(2)
n=4874 об/мин
тр(1)
тр(2)
М=М=36,31
д
Еще один важный показатель - долговечность, т.е. ресурс подшипников, задействованных в опоре. Долговечность каждого шарикоподшипника F (в часах) определяется по следующей формуле:
m
m
Для прототипа - ресурс каждого подшипника одинаков. В предложенной конструкции С и n для каждого из подшипников различны, причем для подшипника с меньшим d - С и n значительно больше, чем у соответствующего с большим d. Следовательно и ресурс каждого из приблизительно равен.
Для прототипа:
д1
д2
21174
F=F= часов
Для полезной модели:
д1
36519
F= часов
д2
35426
F= часов
Расчет долговечности производился для каждого из случаев при равной нагрузке Р.