Обод маховика Советский патент 1993 года по МПК F16F15/30 

1зобретение относится к машиностроению, энергетике, транспорту и может быть использовано для накопления и выдачи энергии.

рзвёстен обод супермаховика, навитый из ленты постоянного сечения (например, стальная), чередующаяся с лентой переменного сечения (например, свинцовая), причем толщина последней увеличивается по направлению к центру.

Недостатком известного устройства является низкая надежность из-за необходимости применения склейки или натяга для фиксации витков друг с другом, а также из- за неравномерности намотки ленты переменного сечения, когда намотка ведется попеременно двумя типами лент, что может привести к несимметричной концентрации масс относительно диаметральной плоскости супермаховика и вызвать дисбаланс при его вращении.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является обод маховика, содержащий сплошное кольцо из композиционного материала (волокна, полимерного связующего, мелкодисперсного балласта), у которого плотность снижается в радиальном направлении от внутреннего радиуса к наружному за счет включения в связующий полимерный материал мелкодисперсного балласта, т.е. добавок материала с высокой плотностью (свинец или железо в виде порошка). Доля волокна в материале обода возрастает от внутреннего радиуса к наружному, таким образом обеспечивая увеличение окружного модуля упругости композиционного материала. Следовательно, в известном устройстве плотность композита уменьшается из-за переменного содержания мелкодисперсного балласта, а окружной модуль увеличивается путем изменения доли волокна к периферии. Недостатком известного обода является низкая надежность из-за необходимости применения трех видов материала (волокна, связующего, балласта), а также из-за ослаб(Л

XI

ю со

«-А

ю

ения прочности обода вследствие наличия елкодисперсного балласта (концентратоа напряжений). Балласт ведет к созданию в ободе дополнительных напряжений, сниающих допускаемую скорость вращения. . Цель изобретения - повышение надежности обода маховика за счет обеспечения овместности радиальных перемещений лоев обода при работе маховика,

Указз нная цель достигается тем, что в ободе маховика из металлической арматуры проволоки или ленты) в виде слоев непрерывной окружности намотки, скрепленных металлической матрицей, у которой отношение плотности к модулю упругости отлично от арматуры, объемное содержание арматуры непрерывно изменяется.по радиусу обода так, чтобы отношение плотности получаемого композиционного материала к его окружному модулю упругости уменьшалось пропорционально увеличению куба радиуса. Различная податливость (отношение плотности к модулю упругости) материалов арматуры и матрицы, а также непрерывное изменение объемного содержания арматуры позволяет получить обод, у которого податливость получаемого композиционного материала уменьшается к периферии обода пропорционально кубу радиуса.

Обод маховика, можно представить состоящим из набора тонких колец (слоев), скрепленных между собой. Радиальное перемещение Urтонкого кольца определяется по формуле

Ur p«2r3/E, где р- плотность кольца; Е - модуль упругости кольца; ( угловая скорость вращения; г-радиус кольца.

(См. Справочник машиностроителя. Т.З / Под ред. С.В.Серенсена. - М,: 1963, с.224):

Окружной модуль упругости композиционного материала Ек равен

EK EfVf+(1-Vi)Em, /2/

где Ef - модуль упругости арматуры ;

Ет - модуль упругости матрицы;

Vf - объемное содержание арматуры

(Композиционные материалы: Справрч- ник / Под ред. Д.М.Карпиноса. - Киев: Нау- кова думка, 1985, с.47)

Аналогично плотность композиционного материала р к равна. . :

pK pfVf+pnn(l-Vf), /3/

где р f и /От - плотность арматуры и матрицы соответственно.

Тогда радиальное перемещение любого

кольца равно

Уг рк« 2г3/Ек

/4/

гдер к и ЕК зависят от объемного содержания арматуры кольца и изменяются по радиусу обода.

Вводя обозначения

10

К1 Ј.. ь,К1 , К2

f/5/;

А(г)

Vf(r)+(1 Vf(r)+(T

-Vf( WWz

имеем

20

U(r)

a /6/

5

0

5

0

5

0

5

радиальные расслоению

Переменная податливость обода A(r)pf/Ef позволяет повысить надежность в работе обода маховика за счет обеспечения совместности радиальных перемещений слоев обода.

Если податливость материала арматуры и матрицы равны т.е. , то в этом случае величина А(г) постоянна и равна единице. Тогда податливость композиционного материала не зависит от объемного содержания арматуры, постоянная по толщине обода и paBHapf/Ef pm/Em. Следовательно, применять материалы с одинаковой податливостью арматуры и матрицы нельзя, так как в этом.случае слои (по формуле /4/) стремятся иметь разные перемещения, возникают значительные растягивающие напряжения, что приводит к обода.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявленный обод маховика отличается тем, что отсутствует мелкодисперсный балласт и объемное содержание арматуры непрерывно изменяется по радиусу обода (одновременное изменение плот- ноетй и окружности модуля упругости композиционного материала) так, чтобы отношение плотности получаемого композиционного материала к его окружному модулю упругости уменьшалось-пропорцио- нально увеличению куба радиуса, при этом отнбшение плотности к модулю упругости для материала арматуры отлично от этого отношения для матрицы. В этом заключается новизна. Использование указанных признаков приводит к появлению нового свойства - обеспечению совместности радиальных перемещений слоев обода и, еледовательно. к повышению надежности маховика.

Таким образом, можно сделать предварительный вывод о соответствии критерию существенные отличия.

ia чертеже представлен обод маховика, |

редлагаемый обод маховика 1 содержит металлическую арматуру 2, скрепленную металлической матрицей 3, объемное содержание арматуры непрерывно изменяется по радиусу обода 1. При этом материалы арматуры и матрицы имеют различную податливость.

бод маховика работает следующим образом.

ри вращении под действием центро- бежнУх сил слои обода 1 стремятся к расслоению, поскольку радиальные перемещения слоев пропорциональны кубу радикса (Ur /Okfo 2r3/Eic). Однако различное объемное содержание арматуры 2 в матрице 3 обеспечивает изменение податливости композита/9k/E« пропорционально кубу радиуса что обеспечивает совместность ради- альних перемещений слоев обода и снижение радиальных напряжении практически до нуля.

Для разгона и торможения обода маховика можно использовать известные устройства маховичной техники, например, при помощи податливой упругой прослойки (А.с. СССР № 582429), канатной подвески (Гулиа И.В. Инерция. М.; Наука, 1982,с.1Ю, рис.. 23) или с использованием линейного двигателя-генератора и магнитных опор (Там , рис.24).

Пример 1. Обод с наружным радиусом RH и внутренним радиусом ,5 м намотан из стальной проволоки. В качестве матрицы применен свинец. Объемное изменение объемного содержания арматуры Vf(r) по радиусу, .обеспечивающей нерасслоение обода при вращении. Модуль упругости и плотность арматуры: ,1 -1011 Па р, f 7800 атрицы: ,6-1010 Па/)

кг/м3; кг/м3.

Проверяем условие неравенства податливости (матрицы и арматуры

Рт Em

Ф О |

Обод ой намо

11300 .

ю

7,063-10

-7

1,6-10

мула изобретения маховика, образованный окруж- кой арматуры и матрицы с возрастанием соличества последней к периферии обода, отличающийся тем, что, с целью повышен 1Я надежности, соотношение коЈL 3.714-10- Ef 2,1-Ю11

5Для любого текущего радиуса гт должно выполняться условие

U . 1®Используя соотношение /6/. имеем

R3ft; Vf(H.)+n-Vf(RH))KT н (Vf(RO+(1-Vf(RH))K2

гЪ2 WT)+(1-Vf(rT))Ki Vf(rT)+(1-Vf(rr))K2

Проводя преобразования и используя обозначения /5/, получим

Vf(r)К1-А(Рн)(Нь/гт)3 А(Ин)()3(1 -К2)-0 -К1)

Верхним предельным значением объемного содержания арматуры является , нижним . Например, использование матрицы с большей податливостью, чем у арматуры, соответствует следующему случаю, На наружном радиусе - арматура (проволочный бандаж). На внутренней поверхности - однородный материал с податливостью, равной податливости матрицы,

Последний виток арматуры может закрепляться, например, с помощью сварки или пайки. Другими известными способами закрепления последнего витка могут быть закрепление под внутреннюю поверхность

предыдущего витка. Отметим, что проблемы закрепления последнего витка не возникает в случае, когда объемное содержание арматуры на наружной поверхности равно нулю.

Использование предлагаемого изобретения повышать надежность обода махови- ка из-за отсутствия расслоения обода при вращении, позволяет изготовлять ободы маховиков с большей плотностью энергии за

счет повышения допускаемой скорости вращения обода.

личестаа, арматуры и матрицы выбрано из условия уменьшения отношения плотности обода к его окружному модулю упругости пропорционально увеличению куба радиуса обода маховика.

Изобретение относится к машиностроению и может использоваться для аккумулирования и повторной отдачи энергии. Цель изобретения - повышение надежности обода маховика. Обод 1 выполнен намоткой из арматуры 2, скрепленной матрицей 3, с различным отношением плотности обода к модулю упругости, при этом обьемное содержание арматуры непрерывно меняется по толщине обода 1. Тем самым обеспечивается совместность перемещений слоев при работе. 1 ил.