Маховик Советский патент 1992 года по МПК F16F15/30 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройству маховиков для инерционных накопителей энергии и механизмов с вращающимися массами.

Известные маховики из изотропных материалов представляют собой диски, наружный диаметр которых при заданной предельной угловой скорости вращения определяется удельной прочностью материала 1. Увеличение момента инерции такого диска, а с ним и энергоемкости маховика, осуществляется присоединением (намоткой) к его периферии обода из анизотропного материала, например стеклянных, угольных или органических волокон, пропитанных связующим. Диск уже перестает быть основным энергоемким элементом, отдавая эту роль ободу, и служит лишь для соединения обода с валом.

Основной проблемой является обеспечение совместности перемещений контактирующих поверхностей обода и диска без существенных потерь в несущей способности и в энергоемкости.

Прототипом нового технического решения является маховик, содержащий обод, соединенный с диском при помощи упругого элемента с кольцевой полостью, в которой расположен балласт 2. Балласт, нагружая упругий элемент, обеспечивает его совместную деформацию с ободом в процессе вращения и касание щеками упругого элемента поверхности кожуха, вызывающее торможение махов ика при разрыве обода.

Основными недостатками прототипа являются малые радиальная, угловая и крутильная жесткости маховика, что может послужить источником автоколебаний маховика и ограничить передаваемую им мощность.

Цель изобретения - повышение энергоемкости за счет снабжения маховика дополнительным ободом из материала с высокой удельной прочностью и нового исполнения балласта маховика.

Выполнение поставленной цели позволяет создать новые типы накопителей энергии, обладающих большей энергоемкостью и мощностью, но в то же время - более упрощенной и совершенной конструкции, т.г. экономических и безопасных.

На фиг. 1 изображен маховик в разрезе; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1.

Маховик состоит из металлического диска 1, выполненного в виде многогранника, установленного на его периферии балласта 2 и обода-бандажа 3 из композитного материала. Балласт 2 выполнен в виде кольца из

сегментов, которые своими наклонными внутренними гранями взаимодействуют с гранями наружной поверхности диска 1. При этом угол наклона внутренних-граней

сегментов кольца балласта 2 меньше угла самоторможения для сопрягающихся материалов, а балласт 2 и обод-бандаж 3 на диск 1 установлены с натягом. Выполнение этого условия позволяет использовать балласт пу0 тем приложения осевого усилия к сегментам для создания предварительного напряжения в системе - диск, балласт, обод-бандаж - и обеспечить взаимную неподвижность сопрягаемых деталей до расчетного числа

5 оборотов маховика. При превышении числа оборотов, соответствующего предварительному натягу, и при вертикальной установке маховика вместо появления зазора будет происходить проскальзывание сегментов 2

0 по поверхности диска 1 под действием силы тяжести, что позволяет избежать появления дебаланса в маховике и повысить надежность его работы. Кроме того, поверх обода- бандажа 3 и балласта 2 на поверхность В

5 наматывается дополнительный внешний обод 4 из материала с высокой удельной прочностью. Таким материалом может послужить стекло-, угле- или боропластики. Балансировка такого собранного махо0 вика осуществляется высверливанием отверстий в сегментах балласта 2.

Маховик работает следующим образом.

При вращении во всех элементах махо5 вика развиваются центробежные силы, а контактное давление, созданное натягом на поверхности Б, с увеличением числа оборотов уменьшается. Напряженное состояние рбодэ-бандажа 3 изменяется крайне незна0 чительно, так как это изменение должно соответствовать радиальным упругим перемещениям поверхности металлического диска 1 в пределах той величины, которая была реализована при напряженной посад5 ке составного обода.

Дополнительный внешний обод 4, стремясь увеличить свой диаметр под действием центробежных сил, создает радиальные контактные напряжения на поверхности В.

0 Из-за малой удельной плотности материала этого обода 4 и относительно невысокой скорости вращения эти напряжения невелики и учтены при назначении величины предварительного натяга, который- выби5 рается из условия, чтобы погонное контактное давление было не меньше погонных центробежных сил, развиваемых всей расположенной над контактной поверхностью частью маховика при предельном числе оборотов.

В случае превышения расчетного предельного числа оборотов контактное давление упадет до нуля, на поверхности Б появится зазор и резко начнут увеличиваться напряжения в обоих ободах 3 и 4. Это будет сопровождаться возникновением существенных вибраций, что может послужить сигналом к аварийному торможению маховика.

В случае разрушения диска 1 или обода- бандажа 3 значительная часть энергии разлетающихся осколков и балласта будет поглощена до этого малонагруженным внешним ободом 4. При достаточно большой его толщине будет предотвращен кон- такт осколков маховика со стенками кожуха, что во многом увеличит безопасность работы и надежность маховика.

Пример конкретного выполнения.

Диск и балласт выполняют из стали 40Х, а обод-бандаж и дополнительный внешний

обод - из стеклопластика, при пмакс 7050 об/мин по расчетным данным удельная энергоемкость увеличивается примерно на 30%, а момент инерции - на 60% по сравнению с маховиком таких же габаритов и веса, но традиционного исполнения. Формула изобретения Маховик, содержащий металлический диск и расположенные на его периферии балласт и обод из композитного материала, отличающийся тем, что, с целью повышения энергоемкости, он снабжен дополнительным ободом из материала с высокой удельной прочностью, охватывающим обод с балластом, на наружной поверхности диска выполнены наклонные грани, балласт выполнен в виде составного кольца из сегментов с наклонными внутренними гранями для взаимодействия с наклонными гранями диска, а угол их наклона меньше угла самоторможения.

Использование: в машиностроении, в частности в накопителях кинетической энергии. Сущность изобретения: маховик снабжен дополнительным ободом 4 из материала с высокой удельной прочностью, охватывающим обод 3 с балластом 2, которые соединены с диском 1 с натягом, на наружной поверхности последнего выполнены наклонные грани, балласт 2 выполнен в виде составного кольца из сегментов с наклонными внутренними гранями для взаимодействия с наклонными гранями диска 1, a yi ол их наклона меньше угла самоторможения 2 ил XI CJ N3 О Фиг.1