ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ПРЕСС-МАХОВИК (ВАРИАНТЫ)
CENTRIFUGAL PRESS FLYWHEEL (OPTIONS)

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к механическим прессам, использующим в своей работе центробежные силы. Кроме этого оно может найти применение как механизм для преобразования вращательного движения в поступательное.
Как цельная конструкция, среди известных в технике машин и прессового оборудования, данное изобретение аналогов не имеет.
Но отдельная и главная ее часть - рабочий орган пресса, внешне похож и имеет в качестве прототипа стальной ленточный маховик, только с двумя отличиями от классической конструкции. Самое главное - это отсутствие внутренней части со ступицей, которая не позволяла маховику менять форму. И второе отличие - поворот оси вращения относительно витков ленты, что привело к нарушению внутреннего равновесия (баланса сил) в ободе маховика и создало возможность для преобразования вращательного движения в поступательное.
А по способу создания усилия, центробежный пресс, как видно из его названия, имеет сходство с центрифугой, использующей те же центробежные силы, только в ней они действуют напрямую на обрабатываемый объект, и их уровень (при равном ускорении) полностью зависит от его массы, которая имеет свои ограничения. В данном же изобретении, центробежные силы возникают в боковых частях вращающегося маховика, и уже оттуда передаются на саму заготовку. А поскольку масса маховика может быть очень большой, на несколько порядков превышать массу заготовки, то и его эффективность будет во столько же раз выше, чем в случае с центрифугой.
Схема центробежного пресса в нерабочем состоянии изображена на фиг. 1
Устройство состоит из станины 1 внутри которой расположен рабочий орган пресса -кольцо 2 ленточного маховика, имеющее форму овала вытянутого по вертикали. Оно закреплено на держателях кольца 3, которые насажены на валы вращения 4, верхний из которых, имея возможность двигаться вверх-вниз, выходит наружу станины и удерживается в верхнем положении пружиной 5. Нижний вал вращения 4 выходит через ферму станины наружу и соединяется с валом электропривода, который на схеме не показан. К держателям кольца 3 крепятся стальные плиты 6, на нижнюю из которых установлена заготовка 7.
Схема центробежного пресса в рабочем состоянии изображена на фиг. 2
После начала вращения маховика на боковые части кольца 2 начинают действовать центробежные силы, приводящие к его деформации и опусканию верхней части вместе с кольцедержателем 3 и плитой 6 на заготовку 7. После достижения маховиком расчетных оборотов, усилие пресса возрастает настолько, что начинает превышать предел текучести материала заготовки и она начинает деформироваться. После совершения прессом полезной работы, вращение маховика замедляют, применяя пассивное или активное (рекуперативное) торможение. После его остановки, под действием сил упругости кольца 2 и пружины 5, обод маховика выпрямляется, занимая верхнее положение. На этом рабочий цикл пресса завершается.
Как видно из приведенного описания, рабочим органом пресса является стальной ленточный маховик, только не с цельной обмоткой, а полый - с удаленной сердцевиной, витки которого могут свободно скользить относительно друг друга. Благодаря такой конструкции, кольцо или обод маховика может деформироваться с достаточной амплитудой, меняя свою форму с овальной на круглую и обратно.
Из теории машин известно, что в классическом ленточном маховике ось вращения перпендикулярна плоскости намотки ленты, а сам он представляет цельную конструкцию без возможности изменения формы. Поэтому центробежные силы возникающие в таком маховике при вращении, направлены радиально от его центра и полностью уравновешивают друг друга, не вызывая никаких внутренних деформаций и перемещений, а сама лента работает только на растяжение (вид сверху на фиг. 3).
Но вышеописанная картина совершенно изменится, если вместо цельного взять полый маховик, а ось его вращения повернуть на 90°, расположив ее параллельно плоскости намотки ленты. В результате этого векторы центробежных сил совершат разворот в той же плоскости и станут параллельными друг другу и перпендикулярными оси вращения (показано стрелками на фиг. 4). При этом горизонтальная составляющая этих сил достигнет максимума, а их вертикальная составляющая (проекция центробежных сил на ось вращения), наоборот станет равной нулю.
1
2
Теперь баланс сил в кольце маховика будет нарушен и на его полюсах (в точках пересечения с осью вращения) возникнут силы P и P направленные внутрь кольца, под действием которых оно начнет деформироваться и давить на заготовку, совершая тем самым полезную работу.
ц
Главной характеристикой пресса является развиваемое им усилие, которое полностью определяется центробежными силами F действующими на массу заключенную в ободе маховика, которые можно найти по формуле:
где m - масса маховика в кг;
2
а - центробежное ускорение в м/с;
V - линейная скорость обода маховика в м/с;
R - радиус вращения обода маховика (среднее значение) в метрах.
2
Из этой формулы следует вывод, что усилие пресса пропорционально кинетической энергии маховика (mV) и обратно пропорционально его диаметру.
1
ц
1
Дальше, в качестве примера для расчета, возьмем кольцо намотанное из стальной ленты с внешним диаметром 3 м, средним радиусом вращения 1,2 м, шириной обода 0,6 м и массой равной 20000 кг, а линейную скорость движения зададим 500 м/сек. Подставив эти значения в формулу получим результат 4170000000 Н, из которых только небольшая ее часть принимает участие в создании полезной силы P (см. фиг. 4). Условно примем, что на ее долю приходится четвертая часть из суммарных сил F. Тогда разделив полученный результат 4170 МН на 4 и переведя ньютоны в тонны, получим, что при круговой скорости вращения в 70 об/сек маховичное кольцо массой 20 т создает полезное усилие P равное 100000 тонна-сил.
Надо понимать, что приведенный выше способ вычисления является весьма приближенным и пригодным только для грубой оценки усилия центробежного пресса.
Тем не менее он наглядно показывает какую колоссальную мощь способны создать центробежные силы во вращающемся маховике и свидетельствует о высоких удельных характеристиках данной машины, ведь пресс на максимальных оборотах способен развить усилие превосходящее его собственную массу в 5000 раз!
Конечно, в нее не вошла масса самой станины и другого оборудования, но все равно это очень высокий показатель и для сравнения скажем, что у самого мощного гидравлического пресса НКМЗ с усилием в 70000 тонн, он составляет всего 4 единицы, что на три порядка меньше, чем у центробежного пресса.
Если теперь пропорционально увеличить размеры маховика в три с лишним раза, доведя наружный диаметр до 10 м и сохранив туже линейную скорость в 500 м/сек, то его масса увеличится до 700 т, а усилие пресса вырастит до 1000000 тонна-сил.
Если дальше продолжить туже операцию с увеличением размеров, то получим пресс с диаметром маховика 30 м, а его масса уже составит 20000 т, а усилие вырастит до 10000000 тонна-сил.
Из полученных результатов видно, что при увеличении линейных размеров маховика, масса его кольца растет в кубической степени, усилие пресса только в квадрате, а удельная мощность наоборот, снижается в линейной зависимости.
Подводя итог сказанному отметим, что главное достоинство данного изобретения, является сверхбольшое усилие создаваемое центробежным прессом при относительно малых размерах и массе установки, что позволяет строить очень мощные прессы при меньших финансовых затратах, по сравнению с их гидравлическими аналогами.
Кроме вышеперечисленных достоинств, данная конструкция обладает и серьезными недостатками.
1. Поскольку обрабатываемая заготовка располагается внутри маховика и вращается вместе с ним, то на нее также действуют центробежные силы, которые могут привести к ее деформации и даже разрушению.
2. Вращающийся маховик на рабочих оборотах обладает очень высокой кинетической энергией, часть которой при его торможении неизбежно будет потеряна, что указывает на его невысокий энергетический КПД.
3. На разгон маховика и последующее его торможение уходит довольно много времени, что растягивает рабочий цикл и снижает его производительность. Из этого, в свою очередь, вытекает четвертый недостаток пресса.
4. Это невозможность оперативно регулировать его усилие и точно дозировать перемещение "траверсы" пресса, что для некоторых технологических операциях над заготовкой, является важным фактором получения изделия высокого качества. Следует уточнить, что это перемещение вообще не поддается прямому регулированию и как-то воздействовать на этот процесс возможно только косвенным путем - через изменение усилия, а значит и оборотов маховика.
5. Быстровращающийся обод маховика, подобно вентилятору, создает вокруг себя мощный вихревой поток, что делает невозможным для обслуживающего персонала находиться рядом с ним, а также резко увеличивает энергетические потери на трение о воздух, дополнительно снижая его КПД.
6. К мелким недостаткам пресса можно отнести вибрацию его маховика и сложность наблюдения за быстровращающейся заготовкой.
Все перечисленные выше недостатки имеют те или иные способы их полного или частичного устранения, рассмотрению которых будет посвящена дальнейшая часть статьи.
Дополнительные виды конструкций центробежного пресса.
Кроме однокольцевой схемы маховика его можно изготовить в виде двух взаимосвязанных ленточных колец, имеющих общую ось вращения и расположенных под некоторым углом друг к другу, где в качестве основного варианта выбран угол равный 90°, как это показано на фиг. 5 (вид сверху). Причем ленты этих колец, пересекаясь на полюсах маховика, взаимно чередуются, как это показано на фиг. 6, на которой представлено продольное сечение верхней части одного из колец.
Плюсом такой конструкции является удвоение массы маховика, а значит и усилия пресса, при тех же его габаритах. А минусом - это сложность в изготовлении (намотке) сдвоенного маховичного кольца. Кроме этого, толщина обода в районе полюсов возрастает в два раза, что несколько снижает максимальную амплитуду хода «траверсы» пресса.
При описании устройства центробежного пресса был приведен один из главных его недостатков - это вращение заготовки вместе с маховиком. Избавиться от него, а значит и от вредных центробежных сил, можно, если плиты с которыми контактирует заготовка сделать неподвижными, расположив между ними и кольцом (ободом) маховика подшипники скольжения, выполненными в виде двух дисков, и применительно к нижней его части, один из них (наружный и подвижный диск) нужно соединить со втулкой запрессованной в кольцо и далее с валом вращения маховика, сделав его полым, через который будет проходить неподвижная ось и вверху соединяться с внутренним (неподвижным) диском подшипника, а внизу, на выходе из него, она будет крепиться скобой к станине. Для ликвидации трения между дисками, в зазор между ними, необходимо подать жидкую или газообразную (желательно гелиевую) смазку под высоким давлением.
При этом верхняя часть пресса имеет такую же конструкцию, как и нижняя его часть, но со своими отличиями. Центральная ось, что проходит сквозь полый вал маховика, должна иметь возможность двигаться (опускаться и подниматься) одновременно вместе с ним, но при этом не вращаясь. Поэтому крепиться к станине она должна не жестко скобой, а через скользящий узел, конструкция которого очень похожа на конструкцию скользящего вала центробежного пресса, изображенного на фиг. 14 (описание см. на стр. 11).
Схема, реализующая такой вариант, изображена на фиг. 7
На чертеже показана нижняя часть пресса и разрезы деталей: нижний (наружный и подвижный) диск 8, который крепится к полой втулке 10, составляющей вместе с полым валом вращения 4 маховика единое целое, а также разрезы прилегающих к ним участков кольца 2 и станины 1.
В цельном виде изображены: центральная (неподвижная) ось 11, нижний конец которой крепится скобой 12 к станине 1, а верхний конец соединяется с верхним (внутренним и неподвижным) диском 9, на котором установлена стальная плита 6, передающая давление на заготовку. По центру неподвижной оси. И имеется сквозное отверстие (обозначено штриховыми линиями), по которому гелий движется до верхнего диска 9 и через мелкие отверстия в нем проходит в зазор между дисками и выходит наружу (на схеме показано стрелками). В свою очередь, полый вал 4 маховика, выходя наружу станины 1, через зубчатую (или иную) передачу соединяется с валом электропривода, которые на схеме не показаны.
2
На примере пресса с усилием в 100000 тонна-сил найдем давление гелия в зазоре между плитами. При их площади равной 1 м оно составит 10000 атм., что очень и очень много. Поэтому на практике усилие пресса придется снизить в 2 - 3 раза, тем самым снижая и давление газа.
Можно также увеличить площадь контакта плит, пропорционально увеличивая все размеры пресса и доведя диаметр маховика до 5 - 6 метров, что одновременно увеличит его стоимость.
Но существует еще один способ, чтобы снизить давление газа.
Поскольку плиты, которые давят на заготовку, остаются вместе с ней неподвижными, то нет необходимости размещать ее внутри маховика. Заготовку можно вынести наружу, расположив ее между двумя маховиками, а усилие сжатия передавать на нее с помощью силовых балок.
Схема, реализующая такой вариант пресса, изображена на фиг. 8
В данной конструкции отсутствует станина, а ее функцию выполняет две горизонтальные балки 13, которые передают усилие от двух маховиков 2, расположенных по ее краям, через стальные плиты 6 на заготовку 7. Верхнюю балку-траверсу 13 держат на себе два гидроцилиндра 14, которые поднимают ее после окончания рабочего цикла.
При этом подшипник скольжения (пп. 8, 9 на фиг. 7) может, как и в предыдущем варианте, располагаться внутри маховика, а может быть вынесен наружу, как это показано на фиг. 8 (п. 15) и размещаться в углублениях по краям балок (изображены штриховыми линиями). В этом случае, вместо полого вала и центральной оси (с каждой из сторон маховика), он будет иметь только один сплошной вал, но увеличенного диаметра.
Поскольку эта схема состоит уже из двух маховиков, то и давление газа в подшипнике скольжения между дисками-плитами (при том же их сечении), будет в два раза меньше. Его можно еще снизить, если количество силовых блоков (маховиков) увеличить до 3, 4, 5, 6 и так далее, расположив их симметрично по кругу относительно центра с заготовкой.
Достоинством такой конструкции центробежного пресса является неподвижность заготовки с плитами и, как следствие - отсутствие неприятных последствий (деформаций) от ее вращения. А по сравнению с вариантом на фиг. 7 ее размер больше не ограничен размером маховика и может быть таким же большим как и у гигантских гидравлических прессов.
Но есть у такого варианта и существенный минус - это высокие растягивающие силы, действующие на валы вращения маховиков. Поэтому они должны быть большого сечения и изготовлены из высокопрочной стали.
1
2
В начале этой статьи было рассказано о способе получения во вращающемся маховике, необходимого для работы пресса, дисбаланса сил, путем поворота оси его вращения на 90°, благодаря чему векторы центробежных сил разворачиваются и появляются полезные силы P и Р, направленные внутрь маховика (см. фиг. 4).
Кроме такого способа, который можно назвать векторным, для получения того же результата существует еще один метод: это когда ось вращения маховика не меняют и она сохраняет перпендикулярное положение к плоскости намотки ленты.
В этом случае необходимый дисбаланс сил можно получить путем неравномерного распределения массы в кольце (или ободе) ленточного маховика, с удаленной центральной частью обмотки, используя два способа:
Первый - это добавляя лишнюю (балластную) массу внутрь обода маховика на его противоположные стороны. Из-за низкой эффективности и повышенной сложности, такой способ перспектив не имеет и в данной статье не рассматривается.
Второй - это меняя сечение (ширину) самого обода, одновременно увеличивая и уменьшая его на взаимно противоположных направлениях, как это показано на фиг. 9 (вид сбоку со стороны полюса маховика).
ц.y
ц
ц.х
ц
1
2
На фиг. 10 изображен тот же маховик (вид сверху), центр вращения которого совпадает с точкой пересечения координатных осей х и у, а масса его обода вблизи оси х больше, а вблизи оси у меньше среднего значения. Из-за этого возникает неравенство между центробежными силами F (сумма проекций векторов F на ось у) и F (сумма проекций векторов F на ось х). В результате возникшего дисбаланса сил, на полюсах маховика (в точках пересечения с осью у), появляются силы давления P и Р направленные внутрь кольца, которые можно использовать для обработки (деформации) заготовки.
1
2
ц.х
ц.у
Значения этих сил (в случае, когда обод маховика имеет круглую геометрию) можно рассчитать по формуле: P+Р=F-F
Схема, реализующая такой вариант пресса, изображена на фиг. 11 (вид сбоку) и на фиг. 12 (вид сверху).
Вместо станины данный пресс использует круглую платформу 16 с утолщением в центре, насаженную на вал вращения, который закреплен в основании пресса 17 и к которому подключается силовой электропривод (на схеме не показан). Кольцо маховика 2 установлено на двух кольцедержателях 3, которые свободно и синхронно передвигаются от центра платформы к ее периферии и обратно. В режиме вращения усилие с обода маховика передается от его полюсов через стальные плиты 6 на заготовку 7, которые свободно скользят по стальному брусу 18.
Центробежный пресс, построенный по такой схеме, имеет свои достоинства: простоту конструкции и отсутствие станины, небольшие габариты и низкое воздушное сопротивление.
Однако, конструктивные особенности данной схемы, не позволяют создать достаточно большой дисбаланс масс (а значит и сил) в ободе маховика. Поскольку при оптимальном соотношении ширины его обода на полюсах и периферии 1 к 2, на долю тяжелой части маховика приходится 58% массы, а на долю легкой части - 42%, что составляет разницу всего 16% (от общей массы маховика), которая и создает необходимый (полезный) дисбаланс сил в центробежном прессе. Это в теории, а на практике эта величина будет еще меньше из-за отрицательного влияния стальных плит передающих давление на заготовку, и учитывая меньшую максимальную скорость вращения маховика (из-за малой ширины его обода в районе полюсов), то реальный показатель его эффективности будет еще меньше и составит примерно 10%.
Поэтому, по удельным силовым характеристикам, такой пресс будет уступать прессу с вертикально расположенным маховиком (с векторным дисбалансом сил), у которого этот показатель в теории и на практике доходит до 50%, из-за чего, при равной массе, он будет иметь пятикратное превосходство в усилии.
Имеются у такой конструкции и другие, более мелкие изъяны, которые вместе с главным недостатком, делают ее использование экономически не выгодным и технически не целесообразным на практике.
Дополнительные виды конструкций центробежного пресса с неподвижной заготовкой и гелиевой смазкой.
Выше в описании (на стр. 5, 6) был приведен вариант пресса с неподвижной заготовкой, который имеет своим недостатком невозможность прямого соединения электродвигателя с валом маховика. Избавиться от центральной оси, мешающей это сделать, можно, если перейти от пассивного подшипника скольжения к его активному варианту, имеющем в нижнем (наружном и подвижном) диске встроенную обмотку электродвигателя, а в верхнем (внутреннем и неподвижном) диске - встроенные постоянные магниты.
Благодаря такой конструкции при подаче на обмотку переменного напряжения, в зазоре между дисками возникает вращающееся магнитное поле, которое увлекает за собой верхний диск с постоянными магнитами. Таким образом при вращении вала маховика в одну сторону, верхний диск с установленной на нем заготовкой, начнет вращаться в противоположную сторону, оставаясь относительно станины неподвижным, или двигаясь вслед за маховиком с малой скоростью.
Поэтому необходимость в центральной оси, которая удерживала верхнюю плиту от вращения, соединяясь со станиной посредством скобы, полностью отпадает. И теперь вал маховика можно напрямую (а не через зубчатую передачу) соединить с валом электропривода. При этом в обоих валах (маховика и электродвигателя) должно быть центральное сквозное отверстие, по которому газ гелий будет поступать вверх к подшипнику скольжения. Также по нему будет проходить кабель, питающий обмотки электродвигателя в нижнем (подвижном) диске подшипника. И поскольку электрокабель будет вращаться вместе с маховиком, перед его вводом в отверстие вала электродвигателя, должно располагаться устройство (электрическая муфта), разделяющая неподвижную часть кабеля на входе и его подвижную часть на выходе через скользящие контакты. При этом корпус электромуфты будет находиться под очень высоким давлением гелия, и, чтобы его выдержать, он должен иметь толстые стенки и быть изготовлен из высокопрочного материала.
Схема, реализующая такой вариант пресса, изображена на фиг. 13
На чертеже показана нижняя часть пресса, состоящая из кольца 2 маховика, в ленту которого запрессована втулка, которая вверху соединяется с наружным (подвижным) диском 8 подшипника скольжения, имеющим в своем составе электромагнитные катушки 19 вспомогательного электродвигателя, а снизу она соединяется с валом вращения 4, который выходя из станины 1, подключается к валу силового электродвигателя 20, на нижнем конце которого располагается электрическая муфта 21, имеющая два входа: для гелия и питающего кабеля. В свою очередь, на внутреннем (неподвижном) диске 9 подшипника скольжения, содержащего в себе постоянные магниты 22, располагается стальная плита 6, передающая давление на заготовку. Вдоль центральной оси электродвигателя и вала маховика, а также втулки и наружного диска имеются сквозные отверстия, по которому гелий поднимается до внутреннего диска 9 и через мелкие отверстия в нем проходит в зазор между дисками, и далее выходит наружу подшипника (на схеме показано стрелками).
При этом верхняя часть пресса может быть выполнена по старой схеме (полый вал с центральной осью) или иметь такую же конструкцию, что и нижняя ее часть (с электромагнитами), или совершенно новую, которая будет описана ниже.
Поскольку верхняя часть пресса является пассивной (без силового электропривода), то весь этот узел можно изготовить совершенно по-другому, а именно: сделать вал маховика независимым (полусвободным), отделив его от самого маховика. Благодаря этому он может оставаться неподвижным, но по-прежнему выполнять свою функцию: удерживать обод маховика от смещения (центрировать его) и поднимать его после окончания рабочего цикла.
Теперь уже неподвижный вал будет проходить сквозь полую втулку, запрессованную в обод маховика, и далее через отверстие в верхнем (наружном) диске подшипника скольжения он на выходе будет соединяться с нижним (внутренним) диском этого же подшипника. Как и прежде, через центральное отверстие неподвижного вала, к дискам подшипника должна подаваться гелиевая смазка.
Поскольку на вал с неподвижным диском со стороны вращающегося диска подшипника, будет действовать момент вращения, его необходимо будет купировать.
В первом варианте конструкции, что изображена на фиг. 7 (применительно к верхней ее части) это достигалось с помощью центральной оси, которая крепилась к станине через скользящий узел и удерживала диск подшипника от проворачивания.
Во втором варианте конструкции (фиг. 13) момент вращения купировался обмоткой электродвигателя, создающей электромагнитный момент с противоположным знаком.
Третий вариант конструкции идентичен первому, только центральную ось здесь заменяет полусвободный (полуподвижный) вал маховика, который конструктивно выполнен так: его наружный конец с полукруглой головкой имеет по бокам два выступа (ушка), входящие в пазы двух реек, установленных вертикально наверху станины по бокам от верхнего вала с пружиной. Благодаря этому вал маховика может двигаться вверх-вниз (одновременно с ободом), но при этом не поворачиваясь.
Как видно из описания, третий вариант конструкции верхней части пресса, является самым лучшим, так как содержит меньше деталей и не требует питающего напряжения. А нельзя ли упростить и нижнюю часть пресса, исключив из нее электродвигатель в подшипнике скольжения вместе с кабелем и муфтой?
Есть один простой способ как это сделать. Для этого нужно механически связать (соединить) оба внутренних (неподвижных) диска подшипников скольжения в единое целое, путем установки между ними перемычки. Соединение должно быть мягким (подвижным) в продольном направлении (вдоль оси вращения) и жестким в поперечном направлении. Конструктивно его можно выполнить в виде двух гибких полуколец, своими концами соединяющие оба диска в единое целое, как это показано на фиг. 14 (п. 23). Также как и обод маховика, это кольцо имеет овальную форму, вытянутую по вертикали. Оно может быть изготовлено из металлической ленты, но только более толстой, чем лента маховика, и из более дешевой стали. Можно пойти еще дальше, увеличив жесткость полуколец настолько, что они смогут держать вес верхней части маховика и после окончания рабочего цикла поднимать ее вверх без помощи пружины, что позволит исключить ее из конструкции пресса.
Таким образом, центробежный пресс-маховик с неподвижной заготовкой, будет состоять из двух ленточных колец: большого кольца-маховика, вращение которого создает нужное давление и малого кольца-перемычки, диаметром и толщиной меньше главного, конструктивно соединенного с неподвижными дисками подшипников скольжения и способного заменить возвратную пружину.
Схема, реализующая такой вариант пресса, изображена на фиг. 14
На нижнем валу вращения 4 жестко закреплены (запрессованы) кольцо 2 маховика и нижний (наружный) диск 8 подшипника скольжения, на короткую ось которого насажен верхний (внутренний) диск 9 того же подшипника. Оба внутренних диска 9 с двух сторон соединены гибкой перемычкой 23, при этом верхний из дисков прикреплен к концу верхнего (полуподвижного) вала на оси которого свободно вращаются, скрепленные вместе, кольцо 2 маховика и верхний (наружный) диск 8 подшипника скольжения. Пройдя полую втулку маховика, этот вал выходит наружу станины, где удерживается в верхнем положении пружиной 5, по бокам от которой расположены две направляющие рейки 24, имеющие внутренние пазы, по которым при опускании и подъеме маховика, скользят два выступа (ушка), расположенные на полукругом конце верхнего вала. Оба вала маховика, а также вал электродвигателя (который на схеме не показан), имеют сквозные центральные отверстия, по которым газ гелий под высоким давлением поступает к дискам подшипников скольжения, и, пройдя которые, он свободно выходит наружу.
Кроме независимого способа подачи газа к дискам подшипников скольжения, также возможен зависимый вариант, когда к одному из подшипников гелий подают не напрямую через отверстие в вале, а посредственно - от второго, противоположного подшипника скольжения, сделав отвод от его внутреннего (неподвижного) диска, и далее по гибкому трубопроводу высокого давления его направляют к внутреннему (неподвижному) диску первого подшипника. Но такой способ применим только для вариантов с жестко закрепленными (относительно станины) внутренними дисками подшипников скольжения, что изображены на фиг. 7 и фиг. 14. А вариант с "мягким" креплением (см. фиг. 13), для этого не подходит, т.к. предполагает проскальзывание между внутренними дисками, что неизбежно приведет к повреждению трубопровода.
Такой способ подачи гелия особенно подходит для варианта с внутренней перемычкой (см. фиг. 14), т.к. трубопровод (или трубопроводы) можно непосредственно закрепить по бокам кольца-перемычки, что повысит их сохранность. При этом независимой в плане смазки, лучше сделать верхнюю часть маховика (через неподвижный вал которого, газ легче подвести к верхнему подшипнику и далее вниз), а зависимой сделать нижнюю часть маховика, т.к. в этом случае отпадает необходимость в центральном отверстии электродвигателя.
Для осуществления на практике такого (зависимого) способа подачи гелия, необходим гибкий трубопровод способный выдержать давление в несколько тысяч атмосфер и его создание является непростой технической задачей.
Для облегчения ее решения, давление газа в трубопроводе после прохождения верхнего подшипника с помощью редуктора снижают до несколько сотен атмосфер и далее после его ввода во внутренний диск нижнего подшипника, повышают на порядок при помощи компрессора, установленного в этом же диске (а за нехваткой места, то и в стальной плите к нему прилегающей). При этом энергию для своей работы он будет брать непосредственно от вращающегося вала маховика, с которым он (его ротор) будет механически связан.
Все вышеописанные способы подачи гелия, предполагали выбрасывать газ после его использования в атмосферу помещения, после чего заново извлекать его из воздуха, что значительно увеличивало бы стоимость обслуживания центробежного пресса, поскольку этот процесс сложный и дорогостоящий.
Для устранения этого недостатка необходимо перейти на замкнутый, а значит и более экономичный цикл использования гелия, и для этого оборудовать подшипники скольжения герметичными экранами (в форме кольца, охватывающего неподвижный диск), из под которых откачивать газ вакуумным насосом и направлять его на повторное использование. Но это предполагает наличие трубопроводов низкого давления, по которому гелий будет течь в обратную сторону и размещение их в валах маховика одновременно с трубами высокого давления (особенно со стороны электродвигателя) весьма проблематично. Конечно, роль обратного трубопровода может с успехом выполнить зазор между неподвижным валом и полой втулкой маховика применительно для его верхней части, но в случае с нижним валом все обстоит значительно сложней, т.к. он является подвижным и механически связан с валом электродвигателя и поэтому произвести разделение двух газов (с высоким и низким давлением) будет весьма непростой задачей. Не будем вдаваться в подробности тех трудностей с которыми придется столкнуться инженерам-проектировщикам такой разновидности пресса, а лучше сразу перейдем к описанию его улучшенного варианта.
Он предполагает отказ от обратного трубопровода в нижнем (вращающемся) валу маховика и переход на сквозную схему питания гелием. Ее идея заключается в том, чтобы с одной (нижней) стороны гелий под высоким давлением входил в маховик, и пройдя последовательно оба подшипника скольжения, он с другой (верхней) стороны уже под низким давлением выходил наружу.
Схема такого варианта пресса, со сквозной подачей гелия по замкнутому контуру, изображена на фигурах 15, 16, 17, 18.
На фиг. 15 изображена нижняя часть маховика, через вал вращения которого гелий под высоким давлением, пройдя наружный (подвижный) диск 8, поступает в зазор между дисками нижнего подшипника скольжения, откуда он выходит наружу и уже под низким давлением и с большой скоростью, гелий огибает внутреннюю поверхность экрана 25 (он показан в разрезе) и заходит в боковые отверстия 26 внутреннего (неподвижного) диска 9, имеющих прямоугольный профиль, где он движется по системе внутренних каналов (разделенных толстыми перегородками) по направлению к перемычкам 23. В свою очередь, часть гелия в зазоре между дисками ответвляется через 4 отверстия (проходящих сквозь толстые перегородки) и направляется к 4 трубопроводам высокого давления 27, идущих вдоль гибких перемычек 23 (на фиг. 15 они полностью сливаются друг с другом, поскольку имеют одинаковую с перемычкой толщину), и далее по ним он движется вверх к внутреннему (неподвижному) диску верхнего подшипника скольжения.
На фиг. 16 изображен этот же (нижний) подшипник скольжения (вид сверху) с частью обоих перемычек и гибких трубопроводов, но без обода маховика.
Пунктирными стрелками обозначено направление движения гелия низкого давления (за исключением стрелок входящих в трубопроводы высокого давления 27), который пройдя экран 25, и, развернувшись, заходит в боковые отверстия 26 неподвижного диска 9 и, двигаясь по внутренним каналам между толстыми перегородками, он разворачивается на угол от 90° до 180° и направляется к перемычкам 23, внутри которых и по их центру располагается полость 28, выполняющая функцию трубопровода низкого давления, и по нему гелий движется дальше до внутреннего (неподвижного) диска верхнего подшипника скольжения.
На фиг. 17 изображена верхняя часть маховика с полым неподвижным валом, к концу которого крепится внутренний (неподвижный) диск 9 подшипника скольжения, по бокам которого расположены гибкие перемычки 23, соединяющие оба внутренних диска 9 в единое целое и имеющих в центре полость 28 по которой гелий с высокой скоростью и под низким давлением поступает в этот же (неподвижный) диск 9 и далее, по системе внутренних каналов (разделенных толстыми перегородками), он движется к центру диска и, повернув на 90°, через полый вал маховика гелий выходит наружу пресса. В свою очередь, вдоль двух перемычек 23 (по бокам от них) проходят 4 гибких трубопровода 27 (на фиг. 17 они полностью сливаются друг с другом, поскольку имеют одинаковый с перемычкой диаметр) по которым гелий под высоким давлением поступает во внутренний (неподвижный) диск 9 верхнего подшипника скольжения и, пройдя 4 отверстия в толстых перегородках, поступает в зазор между дисками и выходит наружу, где уже с высокой скоростью и под низким давлением он огибает внутреннюю поверхность экрана 25 (он показан в разрезе) и заходит в боковые отверстия 26 этого же диска 9, имеющих прямоугольный профиль, где гелий по внутренним каналам движется к центру диска и, повернув на 90°, через полый вал маховика он выходит наружу пресса.
На фиг. 18 изображен этот же (верхний) подшипник скольжения (вид снизу) с частью обоих перемычек и гибких трубопроводов, но без обода маховика.
Пунктирными стрелками обозначено направление движения гелия низкого давления (за исключением стрелок исходящих из трубопроводов высокого давления 27), который пройдя экран 25 и, развернувшись, заходит в боковые отверстия 26 неподвижного диска 9 и по внутренним каналам направляется к центру диска, где повернув на 90° гелий, через полый вал маховика, выходит наружу пресса.
Проблему с повторным использованием гелия можно решить не прибегая к сложной схеме его улавливания и отвода наружу пресса. Существует еще один вариант, по которому он из подшипников скольжения выходит в помещение, газовый состав которого совпадает с газовым составом смазки подводимой к подшипникам. В этом случае чистый гелий является не лучшим вариантом применения, т.к. обслуживающий персонал пресса вынужден будет использовать дыхательные приборы. Поэтому гелий необходимо разбавить кислородом, сделав его пригодным для дыхания, и в таком составе использовать для смазки подшипников скольжения.
Но такой вариант имеет и два существенных минуса: для обслуживающего персонала -это значительное изменение (повышение тона) голоса во время разговора, а для самого пресса, из-за повышения вязкости газовой смеси - это возрастание потерь на трение, что увеличит нагрев как самого газа так и подшипников, а также повысит крутящий момент действующий со стороны вращающихся дисков на неподвижные диски подшипника.
Несмотря на приведенные недостатки, такой вариант использования гелия все же имеет право на существование, вследствие своей простоты и экономичности.
Одним из серьезных недостатков центробежного пресса является его вращение со сверхзвуковой скоростью, вследствие чего потери на трение о воздух очень значительны и поэтому требуют принятия специальных мер по их уменьшению.
Одним из способов это сделать является изолирование части воздуха, который вращается вместе с маховиком, от остального воздуха в помещении, путем установки между ними экрана из эластичного материала.
Он может быть подвижным и крепиться с наружной стороны маховика, вращаясь вместе с ним, и тогда на него будут действовать большие центробежные силы, что предполагает использование в конструкции экрана высокопрочного материала, который по своим свойствам не может быть прозрачным, что затрудняет наблюдение за заготовкой. Однако такой вариант является наилучшим из-за минимальных потерь на трение.
В случае неподвижного экрана, из-за отсутствия центробежных сил, резко снижаются требования к его прочности, и он может быть изготовлен из прозрачного и эластичного материала. Такой экран может иметь круглую или овальную форму вращения, которая должна совпадать с наружной формой маховика и устанавливаться с небольшим зазором от его обода. А крепиться он должен в районе нижнего и верхнего полюсов маховика; в последнем случае - напрямую к его неподвижному валу, а если конструкцией предусмотрено его вращение - то через скользящее кольцо. Не смотря на очевидные плюсы такой конструкции, наличие зазора между экраном и маховиком приводит к циркуляции внутри них воздуха, что снижает экономичность такого варианта по сравнению с вращающимся, плотно прилегающим экраном.
В обоих случаях эластичный экран должен иметь раздвижные створки, открывающие доступ для рабочего персонала к центру маховика с заготовкой. А если во втором варианте воздух внутри маховика заменить на легкий гелий, то это позволит, за счет уменьшения вязкости газа, значительно снизить потери на трение. Однако надо иметь в виду, что при открывании и закрывании створок экрана, гелий из него будет попадать наружу, а внутрь заходить воздух, что снизит эффект от его использования.
Кроме гибкого экрана, который меняет свою форму одновременно с ободом маховика, возможна конструкция полностью неподвижного экрана из твердого и прозрачного материала, который крепится к внутреннему контуру станины и при этом способен раздвигаться, обеспечивая доступ внутрь пресса. Однако в этом случае, наличие большого зазора между экраном и наружной часть маховика (в десятки сантиметров) сводит на нет эффект от его использования, и только наличие внутри него гелия могло бы улучшить его эффективность.
А применительно к прессу с внешним расположением заготовки (см. фиг. 8), жесткий экран можно выполнить из двух неподвижных, но при этом скользящих относительно друг друга герметичных цилиндров, что не только изолирует маховик от внешней среды, но позволит создать внутри них сильное разрежение, вплоть до вакуума, что полностью решит "воздушную" проблему.
Одной из технических проблем конструирования пресса является улучшение его энергетических показателей, связанных с экономией энергии во время торможения маховика в режиме рекуперации. Поскольку энергопотери определяются исключительно характеристиками электродвигателя (его КПД в режиме генератора и двигателя), и если взять наиболее распространенный показатель в 90 - 95% и перемножить их, то суммарный КПД составит 81 - 90%. А это значит что 10 - 20% электроэнергии при рекуперации неизбежно будет потеряна.
И если электрическая схема рекуперации не позволяет достичь высоких показателей экономии, то, может, механическая схема способна это сделать? Да, такая схема и такой способ передачи энергии существует, и заключается в отказе не только от промежуточного преобразования (в электромагнитную энергию), но и от использования механической трансмиссии, а это всевозможные редукторы и вариаторы, имеющие невысокий КПД. Без всего этого можно обойтись, если в качестве приемника энергии выбрать маховик классического типа (назовем его вторичным или просто вторым маховиком), обладающий таким же моментом инерции, что и главный маховик, и имеющего на валу бухту с лентой. А передавать ему энергию от пресс-маховика можно путем перемотки ленты с бобины второго маховика на такую же бобину, но пустую, расположенную на валу первого маховика. Во время такой перемотки пресс-маховик начнет тормозиться, а вторичный маховик наоборот разгоняться, и когда лента полностью перемотается, то обороты второго маховика достигнут максимальной величины и станут равны (или почти равны) оборотам пресс-маховика, которые были у него до начала перемотки. При этом его обороты упадут до минимальной величины и составят всего несколько оборотов в секунду. После окончания перемотки пустая бобина (с помощью муфты) отсоединяется от второго маховика (который продолжает вращаться) и обе бобины (полная и пустая) вместе с пресс-маховиком тормозятся. Обратная передача энергии от второго маховика к первому, осуществляется таким же способом, только в этом случае направление вращения пресс-маховика меняется на обратное. Кроме вышеперечисленных деталей эта система должна иметь на валах маховиков муфты сцепления, механизм перемотки ленты и ее торможения (а возможно и натяжения), что делает ее похожей на ЛПМ катушечного магнитофона.
Об экономичности такого способа рекуперации, можно судить по остаточной энергии вращения пресс-маховика, которая при падении его оборотов в 10 раз составит всего 1% от первоначальной, и такой же будет энергия перемотанной ленты при условии равной ее массы с пресс-маховиком. Точное значение всех потерь зависит от материала и массы ленты, и может колебаться в ту или иную сторону.
При обратном процессе передачи энергии от второго маховика к первому, потери будут примерно такими же и в сумме составят около 5% от первоначальной величины, что в 2 - 4 раза меньше по сравнению с торможением электродвигателем в режиме рекуперации. На лицо энергетическая и значит экономическая выгода, которая достигается за счет усложнения и удорожания всей механической системы.
Еще надо сказать, что вышеописанный способ передачи энергии (с использованием ленточного привода) не является новым изобретением автора, поскольку уже применяется в технике и описан в разных патентах, например авт. св. 335476 за 1970 г "Устройство для разгона маховых масс".
Логичным и дальнейшим развитием этой идеи является замена второго маховика обычной конструкции на такой же центробежный пресс-маховик, что и первый. При этом их общая стоимость увеличится незначительно, зато потери энергии сократятся в два раза и производительность системы из двух маховиков вырастет в 2 раза.
Кроме прямого назначения пресс-маховика - работа с заготовкой, его можно использовать и для другой цели, например в качестве линейного привода гидроцилиндра для мощной водометной пушки.
Для этого внутрь маховика вместо стальных плит ставят гидроцилиндр, который своим основанием крепится к держателю кольца на стороне пассивного (не имеющего электропривода) полюса маховика, а штоком упирается в держатель кольца на его противоположной (активной) стороне полюса. В центре основания цилиндра, а также в ленте и вале маховика для выхода воды делают сквозные отверстия. Такие же отверстия делают в самом штоке и в ленте маховика, а также в валах маховика и электродвигателя, через которые вода будет поступать и заполнять цилиндр перед началом работы. При этом на конце штока (в районе поршня) в отверстии должен быть клапан, не выпускающий воду обратно из цилиндра. А также на выходное отверстие (сопло водомета) нужно установить заслонку с центробежным приводом, предотвращающую вытекание воды при неподвижном маховике.
Эксплуатация гидродинамической пушки возможна в двух режимах: основном и вспомогательном.
В первом случае рабочий ход пресса, т.е. движение его "траверсы", начинается после заполнения цилиндра водой и набором маховика расчетных оборотов. А для этого его конструкция должна иметь управляемый запорный механизм, предотвращающий это движение в режиме разгона. Его можно изготовить в виде двух подпорок, установленных параллельно штоку в распор между держателем кольца и цилиндром, и способных раздвигаться в стороны под действием импульса от электромагнита. Но можно поступить еще проще и установить на выходное отверстие, вместо простой заслонки, мощную запорную арматуру и открывать ее по достижению маховиком расчетных оборотов. Недостатком такого способа является повторно-кратковременный режим работы пресса, требующий каждый раз по окончании рабочего цикла останавливать маховик и заполнять цилиндр водой.
Вспомогательный режим работы пресса отличается от основного тем, что заполнение цилиндра водой происходит сразу после его опорожнения, при вращающемся маховике и одновременно с его разгоном, для чего необходим насос высокого давления и большой мощности. С его помощью под высоким напором в цилиндр нагнетают воду, которая с большой силой давит на поршень, заставляя маховик раскручиваться до высоких оборотов, а его полюса расходиться и подобно пружине запасать энергию. При этом на сопле водомета должна обязательно стоять запорная арматура, способная выдерживать сверхвысокое давление.
Как видно из описания, в таком режиме отпадает необходимость каждый раз останавливать маховик, а потом опять его разгонять, что увеличивает производительность всего процесса, но все равно требует перерыва в своей работе. А также наличие в этой схеме мощного насоса с невысоким КПД, значительно увеличивает энергетические потери всей установки, а еще усложняет и удорожает ее. Кроме этого оба варианта имеют недостатком значительный перепад давления в цилиндре, вызванный снижением усилия пресса в нижнем положении "траверсы" маховика, что негативно влияет на скорость истечения воды.
Кроме медленного или плавного режима работы пресса, центробежный пресс-маховик можно использовать и в ударном режиме. Для этого придется немного доработать его конструкцию, установив в распор между стальными плитами две подпорки, препятствующие движению "траверсы " пресса во время разгона маховика, и имеющие дистанционный привод.
На примере 100000 тонного пресса посмотрим какую силу удара он способен развить на максимальных оборотах и линейной скорости вращения 500 м/с. А поскольку сила или мощность удара пропорциональна кинетической энергии выделяемой в единицу времени, необходимо сначала найти скорость движения его "траверсы" (вместе с прилегающими к ней частями маховика), а также ее массу. А подсчет ее скорости осложняется тем, что для разных частей маховика она различна как по модулю так и по направлению, и плавно уменьшается начиная сверху вниз. И когда верхний полюс маховика движется с максимальной скоростью, то его части вблизи "экватора" перемещаются вдвое медленней, а нижний полюс вообще остается неподвижным. Расчеты значительно упростятся, если условно принять, что в движении участвует только половина массы маховика (10 т), и что вся она движется с одинаковой скоростью, равной скорости верхней его части, и до удара по заготовке она проходит расстояние в 1 м.
2
Теперь если раскрутить маховик до максимальных оборотов и выбить из под плит подпорки, то его верхняя часть массой 10 т, под действием силы 1000000000 Н, начнет двигаться с ускорением в 100000 м/с и на участке длиной 1 м разовьет скорость почти 450 м/с, ударив по заготовке с невероятной силой.
Так было бы, если разгоняющие маховик центробежные силы оставались постоянными. Но поскольку с расстоянием они резко убывают, то и конечная скорость "траверсы" будет значительно меньше, примерно 350 м/с, что все равно очень много для небольшой по размерам заготовки, неспособной выдержать такой мощный удар, чтобы не разлететься вдребезги. Действительно, ведь энергия ее удара составит около 600 МДж, что в пересчете на тротиловый эквивалент будет 140 кг. Это все равно, если бы внутри маховика взорвать бомбу ФАБ-250 массой в четверть тонны. Понятно, что такая огромная энергия, выделяемая при ударе, очень опасна как для самого маховика так и для станины, и неминуемо приведет к их повреждению. Да и удар такой мощи для обработки заготовки на практике будет не востребован. Поэтому, для эксплуатации пресса в ударном режиме, линейную скорость его маховика ограничивают 50 - 100 м/с, что вполне достаточно для большинства случаев.
И тут сам собой напрашивается вопрос, а нельзя ли такую мощную энергетику пресса, точнее его маховика, использовать для ускорения и разгона артиллерийских снарядов, прежде всего крупных калибров? Да, такое возможно, только конструкцию пресса придется кардинально переработать, одни элементы убрать, а другие добавить, превратив его в настоящую центробежную пушку. Но это уже тема для отдельной заявки на изобретение.