СУПЕРМАХОВИК

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в качестве накопителя энергии.
Известен супермаховик, содержащий ступицу и обод, выполненный в виде навивки из выскопрочного волокна. (SU, №507729).
В этом устройстве навивка выполнена в параллельных бортах ступицы, обод выполнен из двух сопряженных секций, навивка первой из которых выполнена от ступицы к внешней поверхности, а навивка второй секции выполнена непрерывной с навивкой первой секции от внешней поверхности к ступице и на ней закреплен последний виток навивки.
Недостатком этой конструкции является трудность навивки волокна в двух противоположных направлениях на одном ободе, опасность расклинивания бортов при навивке с натягом, а также меньшие упругие деформации при вращении ступицы, чем у обода, что приводит к появлению зазоров и разбалансировке конструкции.
Известен супермаховик, содержащий ступицу, выполненную в виде диска, обод, выполненный навитым гибким материалом с эластичной связкой между витками, кольцеобразный элемент, снабженный балластом и расположенный между ступицей и ободом, причем кольцеобразный элемент соединен с диском ступицы, а обод выполнен навитым на кольцеобразный элемент, радиальные прорези, выполненные сквозными в направлении снаружи во внутрь в кольцеобразном элементе. (SU, №693073).
В этом устройстве кольцеобразный элемент выполнен упругим с кольцевой полостью, балласт расположен в кольцевой полости под витым ободом, причем балласт выполнен с радиальными прорезями для повышения его упругой податливости. Такой балласт способствует надежному прижиму ступицы к ободу при вращении супермаховика. Кроме того, в этом техническом решении обод снабжен щеками и выполнен навитым гибким материалом между ними с эластичной связкой между витками, а радиальные прорези выполнены как в кольцеобразном элементе, так и в балласте, и в щеках. Кольцеобразный элемент является отдельной деталью и имеет достаточно сложную конфигурацию, и выполнение радиальных прорезей в балласте и в щеках усложняет конструкцию в целом и ухудшает ее технологичность.
К тому же недостатком ближайшего аналога является трудность балансировки супермаховика из-за опасности разрушения или нарушения равномерности упругих свойств балласта при снятии с него материала, например, его сверления при наличии радиальных прорезей.
Наиболее близким является проволочный супермаховик, содержащий ступицу, выполненную в виде диска, барабан, выполненный коротыобразным, расположенным на периферии диска ступицы, и обод, выполненный в виде витков проволоки, навитой с натягом на внутреннюю поверхность барабана (SU, №1048196).
В этом устройстве внутренние боковые стенки барабана выполнены параллельными, а наружные стенки барабана выполнены в его поперечном сечении с внешним конусообразным профилем. Барабан и ступица выполнены из упругого материала, относительное удлинение которого при нагружении ступицы центробежной силой больше, чем у материала обода в окружном направлении.
Ограничениями ближайшего аналога является следующие:
- небольшие скорости вращения, т.к. материалами для ступицы с высоким модулем упругости, способными «отследить» за упругим перемещением проволочного обода при вращении, могут быть только отдельные пластмассы, неспособные сохранять устойчивость при высоких частотах вращения;
- прямоугольный внутренний профиль барабана для навивки проволоки подвержен «расклиниванию» при навивке проволоки с натягом из-за весьма малых углов набегания проволоки на внутренних боковых стенках барабана - его бортах;
- при вращении супермаховика борта барабана с внешним конусообразным профилем будут отгибаться наружу (как показали исследования трехмерной модели), что вызывает нарушение устойчивости намотки;
- в устройстве отсутствуют средства для балансировки супермаховика.
Эти недостатки снижают работоспособность устройства при высоких скоростях вращения и, соответственно, удельную энергоемкость устройства.
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Достигаемый технический результат полезной модели заключается в повышении удельной энергоемкости, в улучшении работоспособности при высоких скоростях вращения, а также в улучшении балансировки.
Поставленная задача решается тем, что предложен проволочный супермаховик, включающий центр с ободом в виде катушки с желобом с навитой в нем с натягом высокопрочной проволокой с закрепленными концами, характеризующийся тем, что желоб катушки выполнен в виде накладок с внутренним сечением трапециевидного профиля, а сам обод с центром выполнены в виде пружины, позволяющей упругое увеличение его диаметра при вращении большее, чем увеличение диаметра сопрягающейся с ободом проволочной навивки при ее совместном с ободом вращении.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном супермаховике, содержащем ступицу, выполненную в виде диска, барабан, выполненный коротыобразным, расположенным на периферии диска ступицы, и обод, выполненный в виде витков проволоки, навитой с натягом на внутреннюю поверхность барабана, согласно заявленной полезной модели 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, причем 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, при этом выполнены фасонные прорези, каждая из которых расположена симметрично в диске ступицы и исполнена изогнутой относительно радиальной плоскости диска ступицы.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- ступица была выполнена из материала с плотностью, меньшей плотности обода;
- ступица была выполнена из металлического сплава на основе алюминия и/или магния и/или титана;
- витки проволоки были соединены друг с другом клеем;
- был введен антиадгезионный слой, расположенный на боковых внутренних стенках и дне накладки;
- конец проволоки наружных витков обода был закреплен клеем между ними и предпоследними витками;
- конец проволоки наружного витка был выполнен сплюснутым;
- внешний край фасонной прорези был расположен в выступе диска ступицы и снабжен отверстием, причем диаметр отверстия выполнен большим, чем ширина фасонной прорези;
- был введен по меньшей мере один металлический стержень, выполненный с возможностью его установки в отверстии и предназначенный для балансировки.
Указанные преимущества полезной модели, а так же ее особенности поясняются с помощью лучшего варианта ее выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 изображает заявленный проволочный супермаховик, вид с торца.
Фиг. 2 - то же, что фиг. 1, разрез по A-A на фиг. 1.
Фиг. 3 - вид снаружи на барабан с витками проволоки.
Супермаховик 1 (фиг. 1, 2) содержит ступицу 1, выполненную в виде диска 2, барабан 3, выполненный коротыобразным, расположенным на периферии диска 2 ступицы 1, и обод 4, выполненный в виде витков проволоки 5, навитой с натягом на внутреннюю поверхность барабана 3. (На фиг. 2 и 3 диаметр проволоки 5 витков значительно увеличен по отношению к реальному устройству для наглядности и простоты чтения чертежа). На периферии диска 2 ступицы 1 выполнены выступы 6, равномерно расположенные вдоль окружности периферии диска 2 и разделенные между собой радиальными прорезями 7. Барабан 3 выполнен составным из барабан 3 выполнен составным из накладок 8. Обращенные наружу поверхности накладок 8 выполнены с поперечным сечением в форме равнобедренной трапеции (фиг. 2), большее основание которой расположено снаружи, меньшее основание - дно накладки 8, а боковые стороны - боковые внутренние стенки накладки 8. Каждая из накладок 8 в направлении центра диска 2 ступицы 1 снабжена двумя боковыми выступами 9, разделенными центральным пазом 10 (фиг. 1, 2). Каждая из накладок 8 установлена своим центральным пазом 10 на выступе 6 диска 2 ступицы 1, а боковыми выступами 9 - в соседних радиальных прорезях 7 диска 2 ступицы 1. Дополнительно выполнены фасонные прорези 11, каждая из которых расположена симметрично в диске 2 ступицы 1 и исполнена изогнутой относительно радиальной плоскости диска 2 ступицы 1 (фиг. 1).
В устройстве ступица 1 может быть выполнена из материала с плотностью, меньшей плотности обода 4.
Ступица 1 может быть выполнена из металлического сплава на основе алюминия и/или магния и/или титана.
В устройстве витки проволоки 5 соединены друг с другом клеем.
В устройство целесообразно ввести антиадгезионный слой, расположенный на боковых внутренних стенках и дне накладки 8, предотвращающий склейку витков проволоки с ними.
Для дополнительного повышения надежности и улучшения работоспособности конец проволоки 5 наружных витков обода (последнего слоя витков) закреплен клеем между ними и предпоследними витками (фиг. 3).
С целью улучшения предварительной балансировки конец проволоки 5 наружного витка выполнен сплюснутым.
Внешний край фасонной прорези 11 расположен и в выступе 6 диска 2 ступицы 1 и снабжен отверстием 12, причем диаметр отверстия 12 выполнен большим, чем ширина фасонной прорези 11 (фиг. 1).
Для дополнительного улучшения балансировки введен по меньшей мере один металлический стержень 13, выполненный с возможностью его установки в отверстии 12.
На фиг. 1-3 также показан вал 14, через который на ступицу 1 супермаховика подается вращение.
Работает проволочный супермаховик следующим образом (фиг. 1, 2).
Проволочный супермаховик включает в себя ступицу 1, диск 2 которой выполнен, в частности, из металла с плотностью, меньшей плотности проволоки 5 обода 4, навитой со склейкой на накладки 8 с внутренним сечением трапецеидального профиля. Накладки 8 устанавливаются на выступах 6 диска 2 вплотную друг к другу, изготавливаются они, преимущественно, из материала с малой плотностью, например, высокопрочного пластика или металла типа алюминиевого или магниевого сплава, причем внутренняя поверхность накладок 8 выполнена с антиадгезионным покрытием, предотвращающим склейку витков проволоки 5 с желобом накладок 8, образованным боковыми внутренними стенками и дном накладок 8. Диск 2 ступицы 1 с накладками 8 выполняют функцию упругой пружины, позволяющей обеспечивать упругое увеличение диаметра диска 2 при вращении большее, чем увеличение диаметра сопрягающимся с ним обода 4 из проволочной навивки при их совместном вращении.
Это свойство достигается выполнением диска 2 ступицы 1 с фасонными прорезями 11, а периферии диска 2 в виде отдельных выступов 6, разделенных радиальными прорезями 7, в которых устанавливаются боковые выступы 9 соседних накладок 8. При этом резко снижается жесткость ступицы 1, обеспечивается плавное взаимодействие в радиальном направлении с накладками 8, делая их совместно сходными с пружиной, способной значительно увеличивать диаметр поверхности, контактирующей с внутренней поверхностью барабана 3, выполненного составным из накладок 8, при несущественном повышении в них напряжений при вращении. В результате диск 2 ступицы 1 при увеличении скорости вращения оказывается все более прижатым через накладки 8 к ободу 4 из проволоки 5 со склейкой. Диск 2 соединен с валом 14, через который вращающий момент передается на обод 4 и снимается с него, позволяя осуществить накопление и выделение кинетической энергии с проволочного супермаховика. Последний виток проволоки 5, представляющий собой ее внешний конец, выполнен закрепленным со склейкой между предпоследним и последним слоем проволочной навивки, причем этот внешний конец для его более надежного закрепления и улучшения предварительной балансировки может быть выполнен сплющенным.
Окончательная балансировка осуществляется установкой одного или нескольких металлических стержней 13, например, выполненных из тяжелого металла, в отверстиях 12, выполненных в выступах 6 диска 2 ступицы 1.
-4
При навивке проволоки 5 в накладки 8 с трапецеидальным профилем поперечного сечения повышается устойчивость и работоспособность устройства, а это приводит к возможности увеличения скорости вращения. Из фиг. 3 видно, что угол α между накладкой 8 и крайним витком проволоки 5 крайне мал - при диаметре проволоки 0,3 мм и диаметре навивки 1 м (а, следовательно, длине периферийного витка свыше 3 м или 3000 мм) угол α равен отношению 0,3 мм и 3000 мм, т.е. 10 радиан. Этот угол ничтожно мал, а поэтому даже при небольшом натяге проволоки при навивке осевое усилие достигает огромных величин, что может вызвать выпучивание как боковых стенок накладок 8, так и самой навивки обода 4. Уклон внутренней боковой стенки трапецеидального сечения накладки 8 (фиг. 2) позволяет в тысячи раз уменьшить это усилие, а, стало быть, и его последствия. Силы, распирающие стенки накладок 8 и соседние витки навивки N-N всего в несколько раз выше силы нормального нажима F проволоки 5, которое обычно составляет около 10 H (фиг. 2). (Отметим, что на фиг. 2, 3 диаметр проволоки значительно, в десятки раз, увеличен для удобства и простоты чтения чертежа.) Таким образом, выполнение внутреннего поперечного сечения желоба накладки 8 трапецеидальным с углом β (фиг. 2) порядка 0,1 радиан (5…6°) существенно увеличивает устойчивость навивки проволоки 5. Закрепление последнего витка проволоки 5 между предпоследним и последним слоями навивки, тем более, если этот виток выполнен сплющенным, также существенно повышает надежность навивки по сравнению с другими видами закрепления этого витка, например, на накладках 8, деформирующихся в тангенциальном направлении при вращении иначе, чем сама проволока 5.
Таким образом, повышение надежности и работоспособности проволочного супермаховика обеспечивает возможность использования его при скоростях вращения, больших, чем у аналогов, а это в свою очередь приводит увеличению удельной энергоемкости. Это достигается выполнением диска 2 ступицы 1 пружинящим, а барабана 3 - составным из накладок 8 (подвижным и пружинящим), что позволяет сохранять плотность навивки проволоки 5 при высоких скоростях вращения. Исследование напряженно деформированного состояния трехмерной модели заявленного устройства при вращении подтверждают это положение. При превышении частоты вращения допустимых значений (вращение предполагается в направлении навивки) обрывается наиболее напряженный и ослабленный подложенным витком наружный виток и проволока 5, разматываемая при ее износе трением о внутреннюю поверхность корпуса (на фигурах не показан), тормозит супермаховик. Конечно же, звуковой и вибрационный сигналы при разрыве проволоки 5 и трении ее конца о корпус, позволяют прекратить разгон супермаховика и начать его торможение (средства обнаружения сигналов, а также торможения супермаховика на фигурах не показаны ввиду их известности и разнообразия).
Наиболее успешно заявленный «Проволочный супермаховик» промышленно применим в качестве накопителя энергии в энергетике.