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 23 / 243 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 > Следующая >>>

отпечаток на их работу. Маховики, применяемые в подобных


случаях, накопляют	некоторый запас	кинетической	энергии
при избыточной мощности на его валу		и в дальнейшем		отда
ют эту энергию при падении мощности, поддерживая,				таким
образом, более или	менее равномерное	движение	машины .

Так как скорость вращения маховика зависит от запаса кине тической энергии в нем, то ясно, что при колебаниях величи ны энергии4 изменяется и скорость вращения, правда, в мень шей степени. Следовательно, наличие маховика в трансмис сии не может обеспечить абсолютную равномерность хода машины, а лишь поддерживает ее в необходимых пределах. Степень равномерности д в и ж е н и я зависит от энергоемкости маховика, т. е. от момента инерции маховика и средней ско- рости-.его вращения .

Роль маховика при временном повышении мощности ус тановки существенно не отличается от его роли в рассмотрен


ном случае.		Р а з н и ц у создают в основном три		момента:
	1. П р и	временном повышении мощности		установок мощ
ность основного двигателя			примерно постоянна, нагрузка		ж е
на	рабочий	орган установки	от внешних источников изменяет
ся.	Это ведет к падению скорости вращения			трансмиссии,	а

следовательно, и маховика, что, в свою очередь, вызывает вы деление кинетической энергии. Таким образом, о б щ а я мощ ность установки повышается. Впоследствии, при снижении нагрузки на рабочий орган, скорость основного двигателя по вышается и маховик накапливает энергию;

2. Неравномерность хода машины, вызванная особенно стями двигателя ИЛ.И трансмиссии, обычно детерминирована и определяется спецификой привода. Снижение и повышение


скорости, вращения маховика в		этих	случаях	происходит
строго определенное число раз за		время	одного оборота вала
двигателя — как т р а в и л о , не	менее одного раза . При				времен
ном ж е повышении мощности	установки		нагрузки	на	рабочий

орган носят чаще всего неопределенный, случайный характер .

При этом	периоды	ускорения	и', замедления движения	махови
ка имеют	всякий	раз новую	продолжительность, а	-нередко

длятся значительно дольше одного оборота основного двига теля;

f 3. Временное повышение мощности установки вовсе не означает снижения неравномерности ее хода, хотя иногда функции маховика и бывают совмещены. Временное повы-

шение мощности нередко сопровождается значительной не

равномерностью \хода		или		д а ж е	полной остановкой			махови
ка.				,
Сказанное необходимо				проиллюстрировать .			Поршневые
двигатели,	например, сообщают маховику строго определен
ное число	ускорений	за	один оборот; такое			ж е число		раз	по
вышается	и падает	мощность двигателя .				Н о р м а л ь н а я			экс
плуатация	двигателя	не допускает			полной его остановки. Ана
логичными	свойствами		обладают		трансмиссии,		создающие

неравномерность хода .(кривошипные, кулисные и другие спе

циальные

механизмы) .

Число, ж е временных повышений мощности

установки

мо

ж е т

совершенно не зависеть от количества

оборотов

двигате

ля . Например, в прокатных станах оно определяется

подачей-

металла

валки; в дробильных установках

—

наличием

ма

териала;

строительных

машинах

зависит

от

ж е л а н и я

опера

тора

и т.

д. Н а г р у з к а

на

рабочий

орган

и,

следовательно,

ха

рактер и

продолжительность ускорений

замедлений

махо

вика

в данном случае имеет совершенно неопределенный

ха

рактер. При этом если в некоторых машинах

равномерность

хода

более

или менее

соблюдается (дробильные установки),

то

других маховик

нередко доводится

до

полной

останов

ки

(например, винтовые

прессы) .

Совмещение в маховике двух названных выше функций характерно для большинства случаев его применения, одна ко преобладание той или другой функции делает возможным некоторое разграничение маховиков.

Инерционными аккумуляторами высокой удельной энер гоемкости могут считаться такие, в которых высокие скорости

вращения маховиков, необходимые для накопления			значи
тельной энергии, н а к л а д ы в а ю т существенный отпечаток				на
конструкцию	инерционного аккумулятора,	материал	и	фор
му маховика.	Маховики высокоэнергоемких	аккумуляторов

имеют чаще всего форму дисков без отверстий, ободов с дис


ками, а т а к ж е	специальную		(см. н и ж е ) ; изготовляются			махо
вики из1 высококачественных			легированных	сталей,	проволок,
лент, а в ^последнее время		,н	из стеклопластиков.		О к р у ж н ы е
скорости таких	маховиков	могут достигать		1000 м/сек		и бо

лее. Высокие скорости вращения вызывают большие аэроди намические потери, вследствие чего маховики помещаются в специальные кожухи, которые способствуют снижению этих потерь.


Высокоэнергоемкие инерционные аккумуляторы							исполь
зуются как для кратковременной, так и				д л я	сравнительно
длительной	работы. Д л я кратковременной			работы		с продол
жительностью циклапримерно			до 1 мин	применяются			обыч
но малогабаритные		(массой до	200—300 кг)		маховики,			д л я
длительной	же,, продолжительностью до			десятков		м и н у т , —
крупногабаритные, ч а щ е всего массой около 1—1,5						г,	а в	не
которых случаях и		больше.

Высокоэнергоемкие инерционные аккумуляторы кратко временного действия, так ж е как н низкоэнергоемкие, могут использоваться для временного повышения мощности уста новки. При этом основная их разница заключается в величи не удельной энергии, расходуемой в течение цикла. Четкого разграничения устройств, использующих энергию низкоили высокоэнергоемких аккумуляторов, наметить невозможно — могут использоваться как одни, так и другие. Например, пусковое устройство может содержать как крупногабаритный маховик малой удельной энергоемкости, так и малогабарит ный высокой удельной энергоемкости.

Другое назначение инерционных аккумуляторов кратко временного действия — рекуперирование кинетической энер

гии.	Д л я этой	цели применяются	обычно маховики, обладаю
щие	средней и	высокой удельной	энергоемкостью. Р е ж и м ра

боты инерционных аккумуляторов, рекуперирующих кинети

ческую	энергию, существенно зависит от типа	привода, а
т а к ж е	от связи привода с основным двигателем.	Рекуператор,

не связанный с основным двигателем, накопляет только энер гию торможения, и маховик его малогабаритен . Рекуператор, связанный с основным двигателем, может содержать как ма логабаритный маховик (при связи с двигателем внутреннего сгорания или иным, не инерционным), так и крупногабарит ный (при совмещении функций основного двигателя инерци онного типа и рекуператора) . Продолжительность работы, на пример, автобусного рекуператора о к о л о . 1 0 сек [105].

Высокоэнергоемкие инерционные аккумуляторы длитель ного действия применяются в качестве как основных, так и вспомогательных источников энергии на машинах . Гировозы, гиробусы, тележки, тельферы и другие гироскопические транспортные средства ' содержат инерционный аккумулятор как основной источник энергии. Маховик таких аккумулято ров разгоняется путем подключения к тому или иному источ-

пику энергии, и затем, после отсоединения от него, накоплен ная энергия расходуется при работе машины .

Как вспомогательные источники энергии инерционные аккумуляторы длительного действия применяются, в случаях продолжительных перерывов в "работе основного двигателя пли недостаточной его мощности. Ветродвигатели, например, содержат инерционный аккумулятор, питающий электрогене ратор при отсутствии ветра. При наличии ветра инерционный аккумулятор з а р я ж а е т с я .

Рассмотрим подробно основное звено инерционного ак кумулятора, которое, собственно, н является накопителем ки

нетической энергии, — маховик (рис. 13).
Следует	отметить, что маховики бывают постоянного	и
переменного	момента инерции. Увеличением момента инер
ции маховика вследствие его упругих деформаций при		в р а :


щении мы пренебрегаем, и маховик, в котором		особо	не	пре
дусмотрено устройство для изменения момента		инерции,		счи
таем о б л а д а ю щ и м постоянным значением	последнего.
Существует большое разнообразие предложений и про
ектов создания маховика переменного	момента		инерции.

Большинство из них основано на раздвижении грузов, играю щих роль маховых масс, при помощи винтовых пар или иным


образом, а				т а к ж е на	наполнении пустотелых	б а р а б а н о в раз
личным			количеством		жидкости или сыпучего материала .
Н у ж н о			признать, что,		несмотря на это разнообразие и несом
ненную нужность маховиков переменного момента							инерции,
работоспособной конструкции таких маховиков еще							не	созда
но.	Все		существующие конструкции весьма			малоэнергоемки
и	обладают			низким	к. п. д. Основной ошибкой изобретате
лей и		конструкторов			таких маховиков является излишнее увле
чение		кинематикой устройства д л я изменения				момента		инер

ции маховика, в результате чего они забывают, что основным фактором повышения энергоемкости маховиков является его

прочность. Чем более равномерно «загружен»				материал ма
ховика	н а п р я ж е н и я м и	(разумеется, при каком-то			конкрет
ном значении допускаемого			н а п р я ж е н и я ) , тем	рациональнее
маховик	[25] . В предлагаемых ж е проектах основная масса
маховиков практически		не	н а п р я ж е н а , почти	вся	нагрузка

приходится на небольшую и наиболее сложную их часть — механизм управления . Это и обусловливает малую эффектив -

		MaxoSunu
	Постоянного	Переменного
	момента	момента
	инерции	инерции
	Нщкоскорост-	Ьысокоскорост-
	наїе	ные
	Ododco	Диски с
	спица пи	центральным
	спица пи	отверстием
		отверстием

Оооа'соис/<ем\

постоянной

толщины

Согта£ныеснене\ та/ілачесігой па^еаи^гщро

Специальной

<рерм&

\Пламеторныр

Рис. 13. Классификация маховиков ннерци^ онных аккумуляторов.

ность таки х маховиков, из-за чего они и не нашл и себе при менения.

Одн а из конструкций подобных маховиков представлен а на рис. 14. Этот махови к бы л предложе н известным ф р а н -

Рис. N. Ма ховик переменного момента, инерции, предложенный из вестным писателем и летчиком СентЭкзюпери: 1 — ци линдры, 2 — порш ни, 3 — пружины, 4 — жидкость.

цузским писателем и летчиком Сент'-Экзюперн. Принцип дей


ствия маховика заключается в следующем:			при	отсутствии
давления	воды	поршни, стягиваемые пружинами,		нахбдятся-
у центра. При подаче воды в центральную часть				маховика
поршни	раздвигаются, увеличивая общин		момент	инерции.
При выпуске воды они возвращаются в исходное				положение.
Несмотря		на то, что кинематически этот маховик впол

не работоспособен, анализ динамики показывает полную его

непригодность

для выполнения

поставленной

цели.

Н а п р и

мер,

при

массе

одного

из

поршней

(грузов),

равной

кг

(

J , и

угловой

скорости

вращения

маховика

628

рад/сек

(6000

об/мин)

при

расстоянии

груза от

центра

вращения

0,25

м нагрузка

на к а ж д у ю пружину

составит свы

ше

мн

(100

т), что явно

невыполнимо.

Следует еще

раз отметить

актуальность

задачи

создания

работоспособных

маховиков переменного

момента

инерции,

поскольку

изменение

момента

инерции

дает

возможность

варьирования скорости вращения маховика, а это

является

очень ценным

свойством любого

привода

[63].


М а х о в и ки	с	постоянным моментом инерции могут			экс
плуатироваться	и	при высоких, и	при низких о к р у ж н ы х		ско
ростях. Так как	о к р у ж н а я скорость		является основным	факто
ром, вызывающим напряженное состояние м а т е р и а л а				махови

ка, она накладывает существенный отпечаток на его конструк

цию. В зависимости от этого маховики могут делиться		на
ннзкоскоростные (соответствующие их малой удельной		энер
гоемкости) и	высокоскоростные (соответствующие их	высо
кой удельной	энергоемкости) .

Низкоскоростные маховики выполняются в виде ободов, поскольку в том -случае, есл.и н а п р я ж е н и е не лимитирует о к р у ж н у ю скорость маховика, целесообразно максимальное удаление .массы от оси вращения . Обод может крепиться к ступиц'е спицами и диском. Обод с диском обеспечивает несколь ко большую прочность, чем обод со спицами, и поэтому при меняется при больших скоростях.


Низкоскоростные			маховики	одновременно		<с	функцией
аккумуляторов		механической энергии			способны	выполнять
роль элемента привода. Н а п р и м е р , маховик может							служить
шкивом	ременной передачи, зубчатым				колесом,	полумуфтой
и т. д.	В этих	случаях	возможна	специальная форма			махови

ка, необходимость которой диктуется условиями работы. Од нако и тогда основную массу материала стараются макси мально удалить . от центра.

Как у ж е было упомянуто, ннзкоскоростные маховики вы полняются в основном из чугуна или стального литья. Однако и тогда часто имеет место недонапряженне материала, в ре

зультате чего недоиспользуются	прочностные свойства метал
ла. В этих случаях маховики	изготавливаются составными,

например, -с неметаллической основной маховой массой. Это значительно удешевляет конструкцию. На рис. 15 представ лена схема маховика, изготовленного из бетона, армирован ного стальной проволокой.

Необходимо отметить еще одну интересную конструкцию маховика — составного с относительным вращением, или пла

нетарного (рис. 16). Маховики - сателлиты		в р а щ а ю т с я	одно
временно вокруг	своей оси О и вокруг оси	солнечного	колеса
0 \| , в результате	чего периферийные точки	приобретают	срав

нительно высокую скорость, а следовательно, и кинетическую энергию. Конструкция эта распространения не получила из-за сложности и невозможности использования при высоких ско-


лочная		арматура,		Рис.	16. Планетарный маховик:
2 —	бетон,		3 —	/ — маховик-сателлит, 2 — маховик-
диск	со	ступицей.		солнечное	колесо.

ростях, вызывающих большие нагрузки от центробежных					сил
на подшипники сателлитов и водила.
Эксплуатация маховиков при высоких окружных скоро
стях	предъявляет повышенные	требования	к их прочности.
М а т е р и а л о м высокоскоростных маховиков			служит	обычно
сталь,	легированная хромом, никелем, молибденом.			Заготов
ки изготовляют путем ковки с		соблюдением	требований		к

структуре металла . Поковки подвергают .специальной термо


обработке		и дефектоскопии.			Форма		маховика, т а к ж е		играю
щ а я н е м а л о в а ж н у ю			роль	їв	распределении			напряжений,		су
щественно		отличается	от	формы		низкоскоростных маховиков.
Эволюция		форм маховиков			при	возрастании		окружной		ско
рости представлена на рис.					17.
. И з	рис. 17 явствует, что				форма наиболее скоростного ма
ховика	представляет		собой диск			и	стержень	равной	прочнос-


	Рис.	17.	Эволюция
формы сечения				махови
ков	при	возрастании			ок
ружной		скорости		враще
ния:	1 — обод		со	спица
ми,	2, 3, 4 — ободы				с
дисками,		5 — диск			рав
ной	прочности,			6—рав

нопрочный стержень, 7 — система равнопрочных стержней.

ти.	Следует	отметить,		что эта форма не является			неизмен
ной, застывшей . Она				меняется в	зависимости от		окружной
скорости вращения и				д л я к а ж д о г о	значения скорости			имеет
свой вид. Несмотря на				то, что почти ївся масса диска и стерж
ня	равной	прочности		сосредоточена близко к центру, махо
вик	такой формы способен накопить максимальное						количест
во	энергии.
	И, наконец, следует сказать об одной из наиболее пер
спективных		конструкций маховиков — с высокопрочной						махо
вой	массой. К а к		будет	показано	ниже,	совершенствование
формы маховика			приносит ограниченный			выигрыш	в	удель

ной энергоемкости. Р е з е р в ы дальнейшего повышения удель ной энергоемкости маховиков нужно искать в их прочности. Однако прочность д а ж е наиболее совершенных монолитных

м а т е р и а л ов невысока по сравнению с холоднотянутыми во лоченными проволоками и нитями из металла (стали), стек ла, кварца и некоторых других веществ. Прочность их дости

гает 500—600 кГ/мм2		-и выше, что почти в десять		раз	пре
восходит	прочность	монолитных материалов [ I ] . В		этой	свя
зи представляет интерес конструкция маховика			с	основной
маховой	массой из	высокопрочной проволоки.	На	рис.	18

оооооооооосх .

о о о о о о о о о о с *

оооооосюооося

о о о о о о о о о о о '

Рис.	18.	Сверхэнер-
гоемкш'і	супермаховик:
/ — обод	из высокопроч
ной проволоки		или во
локна,	2 — несущий
центр.

представлена одна из таких конструкций. На обод навита стальная проволока, выполняющая роль основной маховой

массы. Маховик предназначен д л я				эксплуатации		при	высоких
скоростях. Принципиально т а к а я				конструкция		обеспечивает
энергоемкость, почта		в десять	р а з	'превышающую энергоем
кость монолитных	маховиков.
Оригинальны	по	з а м ы с л у	маховики		т а к	называемого
«стержневого» типа,		р а з р а б а т ы в а е м ы е в			настоящее		время
фирмой Лю-кхид 'И	университетам			им. Д ж .	Гопкиноа		в С Ш А

[143, 144]. Изготовленные преимущественно из стеклопласти

ков,	эти маховики имеют форму стержня равной прочности
при	вращении (рис. 19),			что позволяет рационально исполь
зовать		материал . О к р у ж н а я скорость маховиков					стержневого
типа	из стеклопластиков			высокой	прочности	м о ж е т дости
гать	1	км/сек.
	Путем дальнейшего совершенствования маховиков стерж
невого		типа	был получен	маховик	клинового	типа	(универси
тет	им.	Д ж .	Гоп-кинса,	автор Д .	В. Р а б е н х а р с т ) . Этот ма-

<<< < Предыдущая 1 23 / 243 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ