1. Skip to Menu
  2. Skip to Content
  3. Skip to Footer>
Аккумуляторы «упругой» энергии
Физика маховичных двигателей
01.02.2014 10:42
С первого взгляда они похожи на заводную пружину (см. рис. 27). Та же ленточная пружина, навитая на внешний барабан и переходящая на вал. Но упругость ленты в обычном смысле, т. е. ее изгибная жесткость, благодаря которой накапливается энергия в заводных пружинах, здесь не при чем. Интересна и поучительна задача артиллерийского взрывателя, которая была рассмотрена в самом начале Великой Отечественной войны в 1941 г.

Дело в том, что пружина артиллерийского взрывателя, обычная заводная пружина, как, например, в часах, обнаружила необычайную «прыть» при полете снаряда. Она развивала вращающий момент, почти вдвое больший, чем в спокойном состоянии, нарушая все расчетные показатели. Оказывается, здесь играло роль не поступательное движение снаряда, а его вращение, полученное благодаря нарезке в стволе пушки и служащее целям стабилизации в полете. Пружина, на которую помимо упругих подействовали и центробежные силы, развила вдвое больший момент и, следовательно, накопила вдвое большую энергию. И это все получилось совершенно случайно, вернее по недосмотру расчетчиков.
  
А если вращать заводную пружину специально и при этом рассчитать ее так, чтобы основная часть энергии накоплялась благодаря действию центробежных сил, то мы получим как раз тот заманчивый случай, о котором говорили "выше". Эта пружина (уже не пружина, а так называемый «центробежный аккумулятор») накопит энергии столько же, сколько и ленточный супермаховик, а выделять ее будет с «мягкостью» заводной пружины. Рассмотрим подробнее рис. 27.

Принципиальная схема центробежного аккумулятора
Рис. 27. Принципиальная схема центробежного аккумулятора:
1—корпус-маховик; 2—внешний моток; 3—внутренний моток; 4—барабан; 5—кассета; 6—переходный участок (ветвь) ленты; 7 и 8—конические шестерни; 9— муфта включения; 10—сдвоенная коническая шестерня; 11 и 12—водила сателлитов; 13 и 14—тормоза водил; 15—муфта-фиксатор


Аккумулятор состоит из вращающегося корпуса 1, в котором заключены два мотка ленты — внешний моток 2, прилегающий к цилиндрической части корпуса 1, и внутренний моток 5, навитый на барабан 4 с фиксирующими кассетами 5. Моток 2 соединен с мотком 3 посредством одной или нескольких ветвей ленты, причем количество их зависит от требуемого крутящего момента на валу 4 и от угловой скорости вращения корпуса /. Лента 6 может быть металлической или неметаллической, постоянной или переменной толщины и массы по длине. Последнее обеспечивает необходимый закон изменения величины крутящего момента на валу 4. Вал 4 соединяется с корпусом 1 посредством дифференциального механизма с тремя степенями подвижности - (на чертеже показан механизм с коническими шестернями).

Дифференциальный механизм состоит из шестерни 7, соединяемой с валом 4 посредством муфты включения 9 жесткой или фрикционной; сдвоенной шестерни 10 и сателлитов 11 и 12, связывающих сдвоенную шестерню 10 с шестернями 7 и 8. Водила сателлитов 11 и 12 при необходимости затормаживаются соответственно тормозами 13 и 14. Вал 4 может блокироваться с корпусом 1 блокировочной муфтой 15.

Энергия аккумулируется следующим образом. При заторможенном водиле одного из сателлитов, например 11, водило другого, например 12, приводится во вращение (в плоскости вращения корпуса 1) от источника энергии с любой степенью неравномерности вращения вала. Количество накопленной энергии будет зависеть только от суммарного угла поворота водила сателлитов. Она выделяется при вращении водила сателлитов в противоположном направлении. Водило сателлита 12 в этом случае соединяется с приемником энергии.

Описанные процессы можно осуществить аналогичным образом при заторможенном водиле сателлита 12 вращением водила сателлита 11, при этом направления вращений при аккумулировании и выделении энергии противоположны тем, которые имеют место в первом случае. Это свойство предоставляет возможность как аккумулировать, так и выделять энергию при любом направлении вращения вала источника или приемника энергии при поочередном вращении водил обоих сателлитов в требуемых направлениях. Кроме того, вращая принудительно водило одного сателлита с помощью постороннего источника энергии, можно изменить интенсивность процессов накопления и ее выделения.

Ниже описано, как накапливается и выделяется энергия в аккумуляторе. При заторможенных водилах обоих сателлитов 11 и 12 корпус 1 вращается вместе с помещенными в него мотками ленты 2 и 3 и валом 4. Для устранения потерь энергии при холостом прокручивании дифференциального механизма вал 4 сблокирован с корпусом 1 с помощью блокировочной муфты 15, а муфта включения 9, соединяющая механизм с кожухом 1 и валом 4, выключена.

Для аккумулирования блокировочная муфта 15 выключается и включается муфта 9. Затем водило одного из сателлитов растормаживается и приводится в принудительное вращение от источника энергии. Лента 6 при этом перематывается с внешнего мотка 2 на внутренний моток 3, преодолевая центробежные силы, стремящиеся перемотать ее в противоположном направлении. Центробежные силы, создаваемые витками ленты, зависят от ее ширины и толщины, длины витка и плотности материала ленты, и также от угловой скорости витков. Так, например, при четырех витках ленты с массой каждого около 50 г, угловой скорости 628 с-1 (6000 об/мин) и расстоянии центра вращения 25 см суммарная центробежная сила достигает 20 кН, а крутящий момент на валу 4 при радиусе мотка 3, равном 10 см, — 2 кНм.

Накопленная при этом центробежная потенциальная энергия с перемоткой каждого метра ленты при неизменной центробежной силе равна 20 000 Дж. Если принять ленту 6 изготовленной из стали шириной 10 см и толщиной 0,25 мм, то при тех же остальных параметрах для накопления этой энергии с внешнего мотка 2 на внутренний 3 должно быть перемотано около 0,8 кг ленты. Напряжения в ленте при этом не превышают 20 000 Н/см2, что почти в 10 раз меньше предела прочности ленты. Такой запас прочности дает возможность еще большего повышения энергоемкости аккумулятора.

Процесс выделения энергии происходит аналогично. Лента 6 при этом переходит с внутреннего мотка 3 на внешний 2.

К.п.д. аккумулятора зависит в основном от потерь энергии на перематывание ленты, потерь в дифференциале и потерь от вращения корпуса 1 как маховика. К. п. д. описанного дифференциального механизма, определяемый известными методами, примерно 0,94—0,96 для цилиндрических пар и 0,9—0,94 —для конических. К.п.д. силовых ленточных механизмов, основанных на перемотке ленты, примерно 0,97. К.п.д., зависящий от потерь на вращение корпуса 1 как маховика, достаточно велик и для непродолжительных процессов аккумулирования и выделения энергии его можно считать равным примерно единице (см. гл. IX). Следовательно, ориентировочный к.п.д. описываемого аккумулятора при работе на кратковременных режимах находится в пределах 0,88—0,94. Для сравнения можно отметить, что пределы к.п.д. спирально-пружинных аккумуляторов 0,6—0,85.

На основе центробежного аккумулятора можно сконструировать маховичные двигатели с различными свойствами, необходимыми для той или иной машины. Центробежным аккумулятором можно плавно разгонять машину и, наоборот, тормозить, аккумулируя ее кинетическую энергию. Можно построить даже такой маховик, который, расходуя энергию, например на вращение генератора, будет почти до полного выделения всей энергии сохранять постоянную частоту вращения. Для этого надо соответствующим образом перематывать ленту с наружного на внутренний моток. Свойство сохранять постоянную частоту вращения очень ценно для привода генераторов — ведь тогда они будут вырабатывать ток постоянного напряжения и частоты. Можно даже создать маховик, разгоняющийся при совершении работы. Конечно, разгон будет только до какого-то предела, после чего неминуемо должна последовать остановка. А то мы рискуем выдумать вечный двигатель.

Вот какие широкие и разнообразные возможности сулит нам аккумулирование «упругой» энергии маховиками.
 
радио детали вопросы