Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Гулиа Н.В. Инерционные аккумуляторы энергии

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

25.10.2023

Размер:

12.25 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910 / 2410 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 > Следующая >>>

бо система м о т о р — н а с о с ) 1 при помощи магнитных муфт 2 соединяется с супермаховиком 4, посаженным в подшипники

покрытые M0S2 и работающие			без смазки. Эти	подшипники
' с л у ж а т	в основном для	восприятия динамических гироскопи
ческих	нагрузок, силу	ж е веса	супермаховика	целиком вос

принимает магнитная подвеска 5. Весь силовой агрегат по мещен в герметичный вакуумный кожух 6 и подвешен в шар нирных подвесках 7 и 8 с упорными кольцами 9, гарантирую щими надежность подвески. К раме автомобиля агрегат кре

пится при		помощи амортизаторов 10. З а р я д к а						инерционного
аккумулятора			(раскрутка маховика)			производится			включени
ем	мотора	1	в сеть в течение нескольких минут						(около		20).
З а т е м ток,		вырабатываемый			генератором		(или	масло		от	насо
с а ) , приводит			в движение мотор-колеса				автомобиля			и обеспе
чивает пробег			с	достаточно	высокой	средней скоростью — до
90	км/час.
	Общий	вид		автомобиля	Д . В. Рабенхорста			представлен
на	рис. 48.

\|	Рис.	48.	Гнроавто-
\|	мобиль	Д.	В. Рабен-
'	хорста.

Г Л А В А IV

И Н Е Р Ц И О Н Н Ы Е А К К У М У Л Я Т О Р Ы Д Л Я Р Е К У П Е Р И Р О В А Н И Я К И Н Е Т И Ч Е С К О Й Э Н Е Р Г И И

§	1. Анализ энергетики
	рабочих процессов машин
	Рабочий процесс каждой		машины		обязательно	вклю
чает	в себя	разгоны и замедления . Д л я		машин непрерывного
действия они не имеют существенного				значения, т а к к а к			их
работа носит характер установившегося режима . К таким							ма
шинам относятся различные транспортеры,					эскалаторы, мно
гоковшовые		экскаваторы, ткацкие	станки и		др . Что ж е	каса
ется	машин	цикличного действия,	то щ данном случае			разгон

и замедление составляют значительную часть рабочего про цесса. К т а к и м м а ш и н а м можно отнести .почти <все транспорт

ные машины,	большинство грузоподъемных		и землеройно-
строительных	м а ш и н ,	м е т а л л о о б р а б а т ы в а ю щ и е	машины	л др.
Р а с с м а т р и в а я два		названных процесса — разгон и		замед

ление, можно заметить, что в первом случае происходит на копление кинетической энергии, во втором — ее поглощение.

При м а л ы х скоростях машин доля кинетической энергии в общем энергетическом балансе невелика. Однако с повышени ем скоростей кинетическая энергия машины возрастает, за воевывая п р е о б л а д а ю щ у ю роль т энергетическом балансе. Та

кое	ж е	явление	имеет	место при снижении	сопротивлений
(пли	повышении		общего	к. п. д. машины) и	уменьшении дли
ны пути		цикла.

В качестве примера рассмотрим зависимость изменения доли кинетической энергии Е % в общем расходе механичес кой энергии от вышеперечисленных факторов применительно к городскому транспорту. Кривая 1 (рис. 49) представляет за-

Рис. 49.

Доля кинетической

энергии

в общем

расходе

механичес

кой энергии

для

городского

транспорта:

. / — зависимость

доли

кине

тической

энергии

Е%от

скорости

(км/нас) при постоянных

расстоя

ниях между

остановками

S = 300 м

сопротивлении

движению

R =

= 1,5%

от

веса машины; 2— зависимость

Е% от

расстояния между

ос

тановками

S, м,

при V ==60 км/час

и R = 1.5%;3— зависимость

Е%

от

сопротивления

движению R%

при

V=60

км/час HS = 300 М.

висимость

изменения

Е % от скорости движения v км/час

при

расстоянии

между остановками

S =

300 м

среднем

сопро

тивлении

движению

R = l , ' 5 %

от

веса м а ш и н ы . Кривая

от

р а ж а е т

тот

ж е

процесс,

но

у ж е в зависимости

от

расстояния

между

остановками

S, при максимальной скорости движения

60 км/час

и том ж е

значении R. Наконец, кривая 3 характе

ризует

зависимость

той

ж е

величины от сопротивления

дви

жению

при постоянных v = 6 0

км/час

и S =

300

м.

Ясно, что при одновременном повышении скорости дви жения, уменьшении расстояния между остановками и сопро

тивления движению доля кинетической энергии в общем			рас
ходе энергии за	цикл увеличивается	еще интенсивнее.	М е ж
ду тем следует	отметить, что как у	машин, с л у ж а щ и х	сред

ством транспорта, так и у других машин циклического дейст

вия	скорость	движения неуклонно повышается, сопротивле
ния	движению	уменьшаются, увеличивается общий к. п. д.

Кроме того, у транспортных м а ш и н иногда желательно 'умень

шение	расстояния	между остановками.	Д л я современных ма
т и й цикличного		действия: автобусов,	троллейбусов, поездов
метро,	пригородных поездов, мостовых		кранов и аналогичных

им — при наиболее эффективных циклах на совершение ра боты тратится примерно Ю-ь-30% 'суммарной энергии дви гателя, а переходит в кинетическую с последующим ее рас сеиванием 70—80%. В будущем ж е это соотношение, несом ненно, еще более ухудшится. Такое положение приводит к не обходимости как постоянного повышения мощности двигате ля для обеспечения хороших динамических качеств машины, так и применения устройств, поглощающих кинетическую энергию,— различных замедлителей и тормозов. В результа

те задерживается	дальнейшее повышение производительности
и экономичности	цикличных машин.

Использование кинетической энергии цикличных машин могло бы обеспечить весьма большой экономический .эффект.

Орезервах кинетической энергии, которые могли бы быть

использованы в машинах цикличного действия, упоминается

вработах Е. А. Чудакова [96] .

Н. К. Куликов предложил следующую формулу для опре деления экономического эффекта использования энергии тор

можения автомобиля [ 7 6 ] :

			д о /			1 0 0 г ) П У т а * 2			, ( - - ,
			/ 0	> 2 6 0 0 0 i \| ) g + ( n + l ) v m a K » '					К ]
где т) — к . п. д. силовой передачи автомобиля;							п — число		оста
новок		на	пути в	1	км;	vmax— м а к с и м а л ь н а я	скорость		авто
мобиля		на	этом	участке		пути; гр — коэффициент		сопротивле
ния	дороги.
	П р а в и л ь н а я			оценка		резервов кинетической		энергии	д л я
различных м а ш и н в разных условиях их эксплуатации									тре
бует	установления				особого критерия, который			может	быть

определен при рассмотрении					энергетического баланса движу
щейся	машины .
Энергетический б а л а н с д в и ж у щ е й с я машины в любой
отрезок	времени	можно	выразить уравнением:
		Е с	=	Е р	-J- Е,;1 Ш ,			(5S)
где Е с	— полная	энергия,		затраченная			до	рассматриваемого
момента; Е,, — энергия,			затраченная			на	реактивные сопротив
ления;	Ек н -„ — кинетическая				энергия	машины .
При остановке машины					накопленная			кинетическая энер

гия расходуется на преодоление реактивных сопротивлений и

поглощается тормозами . Отношение энергии Ер,				затраченной
на реактивные сопротивления, к		полной	энергии	Е с	может
служить критерием	для оценки	резерва	кинетической		энер
гии в машине в заданных условиях. Следовательно, для					рабо
чего цикла пбступательно движущейся машины этот					крите
рий выразится:
° ~ 2 W l + 0 , 5 m v 2 '					( }
а для вращательно	движущегося	агрегата:

Е М ? Мср+0,51со2

где 2W1, 2Мср — произведение реактивных сопротивлений на перемещения соответственно д л я поступательного и враща тельного движения; m и I — с о о т в е т с т в е н н о масса и момент инерции агрегата; у и со — линейная и угловая скорости перед началом торможения до остановки.

С улучшением использования энергии 6, увеличиваясь, стремится к единице. Резерв кинетической энергии при этом уменьшается . В качестве примера в таблицах 2 и 3 приводят

ся значения б д л я различных циклов			р а б о т ы транспортных
машин на пневматиках	(автобус	или	троллейбус) и на	рель
совом ходу (трамвай или поезд) .		Д л я простоты оценки		аэро
динамическими сопротивлениями		пренебрегаем.
Д а н н ы е таблиц свидетельствуют,			что б достигает высоких
значений при малой скорости и больших расстояниях				между
естановками . Вместе с	тем большинство 'современных			машин

работает на высоких скоростях и имеет низкое значение б, а следовательно, большие резервы кинетической энергии.

Расстояние меж ду оста новками,

100

200

300

400

500

						Т а б л и ц а		2
Значения		6 для транспорта на пневматиках
Значение		о-при скорости		перед	началом торможения
2 Ї	20 км\час		•у	44	о	о	о \|
2 Ї	20 км\час		г- Ч		о	о	о \|

			со і:		ю *		Si
0,8	0,49		0,3	0,196		—	—
0.89	0,66		0,464	0,32	0,238	—	—
0,92	0,74		0J565	0,42	0,29	0,246	—
0,94	0,79		0,635	0,42	0,385	0,3	0,242
0,95	0,83		0,69	0,55	0,44	0,35	0,284
						Т а б л и ц а		3
	Значения б		для рельсового транспорта

Расстоя ние меж ду оста новками

100

200

300

400

500

Значения о при скорости перед началом торможения

	•о	ча
	с	ча		S'	g
	о ^	—	о ^	о ~.	О	О ч
	сч і;	со і;			с:
0,565	0,244	0,125	0,075	—	—	—
0,72	0,39	0,224	0,14	0,094	—	—
0,8	0,49	0,3	0,196	0,135	0,097	—
0,84	0,56	0,365	0,245	0,172	0,127	0,09В
0.87	0,62	0,42	0,29	0,206	0,153	0,117

Д л я ориентировочной оценки .резервов кинетической энергии

у различных видов	машин при их работе в реальных услови
ях эксплуатации с	максимальной, среднетехнической ско

ростью за цикл в таблице 4 приведены соответствующие зна чения б.

. И з приведенного следует, что у перечисленных машин" значительная часть механической энергии, выделенной двига телем, расходуется на торможение . Использование этой энер

гии может дать большой экономический эффект .		Особенно
значительный эффект возможен	при малых значениях б.
Н а практике кинетическая	энергия д в и ж у щ и х с я	машин

частично используется путем рационального управления при свободном выЬеге (накате) и динамическом преодолевании

Т а б л и ц а 4

Скорость Тип машин перед тормо

жением

о-

<->Э о о

до ж о

Си <и s ^

Н к - s S і ш й s

— ^ я

-5 E S

ош

а. я

СX

о<и

Пригородный

поезд

км/час

4 км

500 г

кя

0,45'

Мостовой

кран

км)час

10 ,и

50 г

2,5

ни(

0,33

Поезд метро

км/час

800

300

5 кн

0,225

Трамвай

автобус

км/час

400

лг

1,5 кн

0,365

Городской

км/час

400

1,5 кк

0.49

Башенный

кран

0,3 сек - 1

2 pad

1000 тм- 500

н,и

9,17

Поворотная

платформа

экскаватора

средней

мощности

0,5 сек - 1

2 рад

1000 т.и2 500

нм

0,06

П р и м е ч а н и е . На указанных

режимах

свободное

качение

исключе-

подъемов.

П р и использовании

наката

кинетическая

энергия

машины

расходуется

на преодоление

сил сопротивлений

на

участке, называемом путем выбега или наката . Энергетичес

кий баланс при накате					можно		выразить:
							oJ		(61)
					2		oJ
где	Е,( — кинетическая				энергия			машины в момент перехода
на	накат;	m — масса машины					с учетом инерции		вращающих
ся	частей;	v — скорость машины; R — сопротивление движе
нию машины;			S — п у т ь		наката .
	По мере		прохождения пути					наката скорость	уменьшает
ся по следующему				закону:
				= У		2 E K		- 2 j RdS
			v	= У				m

Исходя из этого, можно заключить, что накат ведет к уменьшению среднетехнической скорости, а'следовательно, и производительности машины. Кроме того, естественное ис-

7. Н. В. Гулиа

пользование	кинетической энергии путем наката при		обыч
ных сопротивлениях движению имеет малую		интенсивность,
в связи с чем	при небольших сопротивлениях	и высокой	цик

личности оно малоэффективно . Кинетическая энергия, исполь

зуемая д л я	преодоления			подъемов, частично		аккумулируется
в виде потенциальной энергии. Энергетический							б а л а н с при
этом выражается:
			•>	s
і	Ек =		^ г	+ о\ R d S + H G ,			(63)
і
где Н — высота преодолеваемого					подъема.
Если принять,			что скоростьавтомобиля			при	переходе на
п о д ъ е м — v ,	то	максимальная			высота	преодолеваемого
подъема равна:
		Н	= —		•		(64)

Ясно, что использование кинетической энергии д л я преодоле ния подъемов носит частный характер, так как не всегда на данном отрезке пути имеется соответствующий подъем.

Использование	кинетической	энергии машины может
быть осуществлено	т а к ж е путем	соответствующих специаль

ных мероприятий. В том случае, когда большое количество машин связано единой сетью питания (например, электри


ческий	транспорт),		вероятное число		тормозимых м а ш и н			близ
ко к числу разгоняющихся . Здесь принципиально							возможной
является отдача		в	сеть	энергии, выделяемой		п р и т о р м о ж е н и и ,
и использование		ее	д л я	разгона других машин .			Это	может
быть	осуществлено		путем перевода		тяговых	двигателей в

генераторный р е ж и м с отдачей выделенной энергии в сеть. Однако, ввиду того что р е ж и м замедления до остановки весь ма неэффективен применительно к работе генераторов, этот метод позволяет использовать всего несколько процентов ки нетической энергии. Торможение до остановки не следует смешивать с торможением при движениипод уклон. В послед

нем	случае генераторы	работают	с	большей эффективностью .
	Описанный метод	для машин	с	индивидуальным питани
ем	непригоден.

Р а д и к а л ь н ы м методом использования кинетической энер гии ящляетоя такой, при котором эта энергия 'может быть на коплена в аккумуляторе, установленном на самой машине, а затем выделена для использования. К а к было отмечено ра нее, в настоящее время техника располагает различными ви дами аккумуляторов энергии. Из них наиболее распростране ны электрические, тепловые и механические. Д л я накопления энергии при торможении машины аккумулятор должен обла


дать специфическими свойствами, которые						обусловлены крат
ковременным		и	интенсивным		характером	протекания	про
цесса. И з	рассмотрения,			по-видимому, следует исключить
тепловые	аккумуляторы,			требующие преобразования механи
ческой энергии		в	тепловую и		обратно. Эти	процессы,	особен

но последний, как известно, весьма трудоемки и неэффектив


ны, а	т а к ж е имеют низкий			к. п. д.
Электрические (электрохимические) аккумуляторы наи
более	распространены в технике. Они обладают					высокой
удельной энергоемкостью				(кислотные	порядка	105 дж/кг),
способностью сохранять энергию длительное время .
Основным		недостатком		этих аккумуляторов является			их
м а л а я	удельная мощность как при зарядке, так и при раз
рядке.	Кроме того, для преобразования механической энер
гии в	электрическую и		обратно требуется электродвигатель,
могущий т а к ж е		играть	роль генератора.		Однако	следует	от

метить, что электрические аккумуляторы принципиально при годны для аккумулирования кинетической энергии машин, что отмечено Е. А. Чудаковым .

Наиболее практичными типами аккумуляторов, исполь зуемых д л я указанных целей, являются, по-видимому, акку муляторы механической энергии — статические и динамичес кие.

Статические аккумуляторы ч а щ е всего представляют со бой пружину или иное упругое тело. Процесс перевода кине тической энергии в потенциальную заключается в деформиро вании упругого тела импульсом силы д в и ж у щ е й с я массы и фиксировании этого тела в деформированном состоянии. Д а лее, д л я перевода потенциальной энергии в кинетическую де формированное тело освобождается, создавая импульс, раз гоняющий требуемую массу до скорости, соответствующей затраченной энергии.

Рассмотрим удельную энергоемкость статических и ди-

намических

(инерционных)

аккумуляторов

механической

энергии. Д л я простоты

считаем,

что

при

деформировании

упругого

тела

сила

возрастает

пропорционально

деформации

и в начальный

момент равна нулю. Удельная

потенциальная

энергия при упругой

одноосной

деформации

равна:

и =

2 1 п =

2 Ё 6 '

( 6 5 )

где Р — м а к с и м а л ь н а я

внешняя

сила;

m — масса

тела;

Е —

модуль

упругости;

а — н а п р я ж е н и я ; / — длина

тела; б — п л о т

ность;

є — относительная д е ф о р м а ц и я .

Обозначив

все постоянные

д л я материала

через

К ь

пре

образуем выражение

(65):

U =

KiG2 .

(66)

Известно,

что д л я

маховиков

инерционных

аккумулято

ров связь удельной энергоемкости е с максимальными

напря

жениями

имеет вид (см. гл. V I ) :

е =

Кст.

(67)

Сравним численные значения К и Кі в

ф о р м у л а х

(66) и

(67) д л я наиболее распространенного конструкционного

мате

р и а л а — с т а л и .

Д л я в ы р а ж е н и я

(66)

п р и

Е = 2 , 2 - 1 0 8

кн/м2,

6 = 7850

кг!м3,

значение

K i равно

2 , 9 - Ю - 1

м6/кн2-сек2.

Д л я

в ы р а ж е н и я (67), т. е. .для маховиков,

значение

стремится

к некоторому пределу, равному 12,5-10- 4

м4/кн-сек2.

Сопоставляя

формулы (66)

(67), получим, что при

зна

чении

а = 4 , 3 - 1 0 8

кн/м2

удельные

энергоемкости

обоих

типов

аккумуляторов

совпадают.

Ка к

видно

из

приведенного,

это

происходитПри практически

недостижимых

значениях

напря

жений. Д л я реальных напряжений

о = 2 — 3 - Ю 5

кн/м2

энерго

емкость

статических

аккумуляторов примерно

в 6 - Ю 4

раз ни

же, чем

динамических

того

ж е

веса.

Этим

объясняется

не

приемлемость

пружинных

статических

аккумуляторов

дл я

накопления значительных количеств энергии.

Небольшие

количества

кинетической

энергии

могут

быть

накоплены в маховике инерционного рекуператора с резино вым упругим звеном (рис. 50). Рекуператор подключается к трансмиссии машины при помощи фрикционной муфты. Н а первом э т а п е торможения основная часть энергии аккумули руется в упругом звене в виде потенциальной. Затем, по мере

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 910 / 2410 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ