Файл: Гулиа Н.В. Инерционные аккумуляторы энергии.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 11.04.2024

Просмотров: 193

Скачиваний: 33

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

ж е т примерно считаться равным единице (см. гл. I X ) . Следо­

вательно,

ориентировочный к. п. д. описываемого

аккумуля­

тора при работе на кратковременных

р е ж и м а х находится в

пределах

0,88—0,94. Д л я сравнения

можно отметить, что пре­

делы к. п. д. спирально - пружинных

аккумуляторов

0,6—0,85.

Д л я

многих рабочих процессов

машин, как,

например,

пуска в ход, разгона, рекуперативного

торможения

и других

видов неустановившегося движения, целесообразно примене­ ние маховиков переменного момента инерции. Известны ма­ ховики переменного момента инерции, принцип действия ко­

торых основан на наполнении пустотелого цилиндра

водой,

ртутью пли другими ж и д к о с т я м и пли

сыпучими

телами

(см.

гл. I ) . Однако, несмотря на большое количество работ в этой

области,

работоспособной конструкции

еще не создано.

 

 

П р и вращении подобного маховика несущим элементом

является

сравнительно

тонкостенный

б а р а б а н ,

основная

же

масса

маховика

(жидкое пли

сыпучее

тело)

не несет

каса­

тельных

напряжений и прочности не увеличивает. М е ж д у

тем

маховик

к а к аккумулятор кинетической

энергии

наиболее

ра­

ционален

тогда, когда весь его материал

н а п р я ж е н

более или

менее равномерно . Поэтому упомянутый маховик

обладает

весьма малой удельной энергоемкостью. Кроме того,

 

при

пуске

жидкости

во в р а щ а ю щ и й с я б а р а б а н в

ней

возникают

турбулентные течения

слоев-f

Ввиду

высоких

относительных

скоростей д в и ж е н и я слоев потери кинетической энергии махо­ вика при этом значительны .

Н а и б о л е е перспективная область применения

маховика

переменного

момента инерции — аккумулирование

и

выделе­

ние энергии

при неустановившихся р е ж и м а х работы

машин,

в частности рекуперирование кинетической энергии поступа­

тельно д в и ж у щ и х с я

и в р а щ а ю щ и

х с я

объектов, связанных с

неподвижной

опорой

(т. е. таких,

массу которых

можно

при­

вести к маховой массе на

каком - либо

в а л у ) . Д л я этой

цели

р а з р а б о т а н а

конструкция

ленточного

маховика

переменного

момента инерции. Схема такого маховика аналогична преды­ дущей и представлена на рис. 71 [34] .

Маховик состоит из прочного корпуса /, внутри которого помещены два мотка 2 и 3 тяжелой гибкой (например, сталь­ ной) ленты. Прочный корпус 1 может быть составлен из не­ скольких внешних витков ленты, скрепленных между собой, аналогично ленточному ободу маховика, полимерным клеем

или

иным

способом.

Мотки

2 и 3

намотаны в противополож ­

ных

направлениях,

причем

лента

с о с т а в л я ю щ а я

их,

связана

с .корпусом 1,

а т а к ж е

с

'барабанами

л

внутренними

мотка­

ми — соответственно

4 и

5,

на которые

она может

навиваться

в направлении намотки. Мотки на.мотаны

в о б щ е м

случае

произвольным

количеством

ветвей

ленты

6 (см. рис. 71, вто­

рая

отроекцвя),

однако

в

ц е л я х б а л а н с и р о в к и ж е л а т е л ь н о

их

количество с в ы ш е одной;

на ч е р т е ж е этих

ветвей ленты четы­

ре. Ветви

закреплены на псорпусе и б а р а б а н а х симметрично

—

опять ж е

в целя'х

балансировки .

 

 

 

 

 

 

 

Б а р а б а н ы

4

.сидят

на

валу 7

на

подшипниках и

содер­

ж а т

на свободных

концах

полумуфты

включения

(кулачко­

вые

или

фрикционные,

соответственно

8

и 5) .

Н а

валу

7

на шлицах посажены другие полумуфты — 10 и 11, соеди­ ненные с полумуфтами 8 и 9 тем или иным известным спосо­ бом, например вилкой .12 с рычагом 13. Одновременно мо­ жет быть включена только одна муфта . Вал 7 соединен с при­

веденной маховой ..массой 14 (трансмиссией

транспортного

средства, механизмом поворота экскаватора и

крана

или

просто маховиком, п о д л е ж а щ и м торможению и

р а з г о н у ) .

Лента, из которой навиты мотки,

д о л ж н а

быть

достаточ­

но упругой, чтобы мотки не теряли устойчивости- в

неподвиж­

ном положении; обычно это условие легко выполняется

д а ж е

при самой гибкой стальной ленте. П р и

вращении

ж е

махови­

ка устойчивость мотка обеспечивается действием

центробеж ­

ных сил. Следует отметить, что б л а г о д а р я трению между

вит­

ками ленты только несколько внутренних витков

при

враще ­

нии оказывают давление на последующие (и

то

л и ш ь в

слу­

чае, когда*внутренний конец ленты освобожден,

что

бывает

редко) . Основная ж е часть ленты

при

вращении

как

бы

«за-

моноличена»

и является

несущей

(в

смысле

прочности

на

р а з р ы в ) . Прочный корпус

должен, в частности,

в ы д е р ж и в а т ь

н а п р я ж е н и я

от действия

собственной

 

в р а щ а ю щ е й с я

массы.

Подобный м а х о в и к гораздо прочнее

на

р а з р ы в

(а

 

следова­

тельно, и более энергоемок), чем

монолитный

маховик. Это в

основном объясняется высокой прочностью стальной холодно-

'катаїнон ленты (ав свыше 200

кГІмм2).

 

 

 

Устойчивым положением ленты в мотках при вращении

является такое, при котором она

навита

на

внешний

моток.

Л ю б о е

другое положение ленты

в

маховике

(например,

когда

лента

частично или полностью

навита на

б а р а б а н ) является

~~7

; ;

\

Рис. 71. Схема маховика переменного момента инерции: / — прочный ток, 6' — ветвь ленты, 7 — вал трансмиссии, 8 — втулка подшипников, 9 и включения, 14 — маховая масса.

неустойчивым. Переход ленты из неустойчивого положения в устойчивое (с б а р а б а н а на внешний виток) сопровождается выделением энергии.

П е р е д включением маховика вся лента находится на внешнем мотке, т а к как это положение устойчиво и с точки

і 36

Разрез по А — А

корпус-маховик,

 

2 и 3 — внешние

мотки, 4 — барабан, 5 — внутренний мо-

10 — полумуфты,

11 — выжимной

подшипник,

12 — вилка,

13 — рычаг

з р е н ия упругости

ленты — минимума потенциальной

энергии

изгиба. В а л

7

в р а щ а е т с я

в

произвольном

направлении . Д л я

торможения

маховой массы,

связанной

с

валом 7, включает­

ся полумуфта

10.

Б а р а б а н

 

4 приводится во вращение, и на­

чинается намотка

на него

ленты. Ц е н т р о б е ж н а я сила отбра -

сывает ленту к периферии,

натягивая

ее. Крутящий

момент

на

б а р а б а н при этом действует противоположно направлению

вращения . Реактивный

ж е

момент

разгоняет внешний моток

2

и связанный с

mm

корпус

/ .

'Постепенно

угловая

скорость маховика п р е в ы ш а е т угловую скорость тормозимого

вала 7, и начинается перемотка ленты с

б а р а б а н а

на

внеш­

ний моток. Крутящий

ж е момент сохраняет свое направление

и п р о д о л ж а е т

тормозить вал 7 и разгонять

маховик. В

какой -

то момент времени вал 7 останавливается . Это

происходит

при заведомо

завышенных

п а р а м е т р а х

маховика,

при

зани­

ж е н н ы х — перемотка

кончается, но

вал 7

п р о д о л ж а е т

вра­

щаться; в частном случае остановка

вала

7 совпадает

с кон­

цом перемотки. Целесообразно, видимо, некоторое

завышение

энергетических

п а р а м е т р о в

маховика — момента инерции, уг­

ловой с к о р о с т и — п о сравнению с расчетной.

 

 

После остановки трансмиссия машины стопорится;

может

стопориться и

непосредственно вал

7.

Лента под

действием

вращения маховика переходит на внешний моток, после чего полумуфта 10 отключается от полумуфты 8. Это отключение

может

производиться и

автоматически — посредством

кулач­

ковых

полумуфт

8,

9,

10 и / / со скошенным — «храповым»

зубом.

 

 

 

 

 

 

После отключения муфт маховик вращается,

накопив в

себе кинетическую

энергию тормозимой машины . Д л я

разгона

машины энергией маховика включается полумуфта

/ / .

Лепта

перематывается

с

внешнего мотка 3 на внутренний 5 и обратно,

аналогично предыдущему* по б л а г о д а р я обратному

направ­

лению намотки ленты крутящий момент на б а р а б а н е

разго­

няет вал 7 и з а м е д л я е т

вращение маховика . По

окончании

перемотки ленты муфты отключаются и машина получает ско­ рость, отличающуюся от скорости перед торможением на ве­ личину, з а в и с я щ у ю от потерь в трансмиссии машины и лен­ точном механизме .

Следует отметить, что полной балансировки подобного маховика достичь не удается . Однако при достаточно точном изготовлении корпуса и применении специальных средств (на­ пример, балансировки ш а р а м и ) можно добиться удовлетвори­ тельной уравновешенности .

Основы теории центробежных аккумуляторов

энергии

р а з р а б о т а н ы М. Ю. Очаном и автором настоящей

моногра­

фии под руководством А. П. Бессонова [43] .

 

Ралдел второй

О Б Щ И Е В О П Р О С Ы Р А С Ч Е Т А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Я

И Н Е Р Ц И О Н Н Ы Х А К К У М У Л Я Т О Р О В

Г Л А В А VI

 

П Р О Ч Н О С Т Н Ы Е И Э Н Е Р Г Е Т И Ч Е С К И Е

Р А С Ч Е Т Ы М А Х О В И К О В

 

М а х о в и ки инерционных аккумуляторов во

время в р а щ е ­

ния подвержены действию центробежных сил,

в ы з ы в а ю щ и х в

м а т е р и а л е маховика

н а п р я ж е н н о е состояние. Поскольку проч­

ность

маховика

является основным фактором, л и м и т и р у ю щ и м

з а п а с

энергии в

нем,

а

разрушение

б ы с т р о в р а щ а ю щ е г о с я ма­

ховика

чревато

самыми

т я ж е л ы м и

последствиями,

его проч­

ностные

расчеты

д о л ж н ы быть достаточно точны и

надежны .

М ы приводим л и ш ь основные методы прочностных и э н е р - .

гетнческих расчетов

маховиков (наиболее распространенных

ф о р м ) ,

пригодные д л я

конструкций,

р а б о т а ю щ и х в

обычных

условиях [89] .

§1. Тонкое кольцо (обод)

Ра с с м о т р и м напряженное состояние в тонком кольце (ободе) при его равномерном вращении в своей плоскости с

угловой скоростью со. Элементы массы этого кольца, при

п р е н е б р е ж е н ии его толщиной, будут иметь центростремитель ­

ное ускорение j =

Rco2, где R — р а д и у с кольца .

 

 

 

 

Воспользовавшись принципом

Д а л а м б е р а ,

п р и л о ж и м к

элементам

кольца

силы

инерции,

направленные

по

радиусу

от центра

и равномерно

распределенные вдоль

дуги

о к р у ж -

 

 

 

 

T F

 

 

 

 

 

 

ности, с интенсивностью

q = - — R c o 2 , где

g — ускорение

силы

тяжести; у

— удельный

вес

м а т е р и а л а ;

F — п л о щ а д ь

сечения

кольца.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р а с с м а т р и в а я

кольцо

как неподвижную

плоскую

раму,

н а г р у ж е н н у ю равномерно распределенной нагрузкой q, и при­

меняя метод сечений, определим силу N

в поперечном сече­

нии кольца .

 

Р а с с м о т р и м равновесие полукольца

(рис. 72). Проекти ­

руя силы на направление п—п, п о л у ч и м ;

 

Рис.

72.

Схема к

определению

напряжении

в тонком

кольце (обо­

де).

 

 

 

2

f 2 qR cos ф dtp—2N = 0,

 

 

.

6

 

 

откуда

 

 

 

 

 

 

N

 

 

где v — о к р у ж н а я

скорость кольца, v = R a » .

 

Н о р м а л ь н ы е

н а п р я ж е н и я

в поперечном

сечении кольца:

Следовательно,

н а п р я ж е н и я ,

в о з н и к а ю щ и е

в поперечных се-

140

Смотрите также файлы