Ako dozvolim malo emocija, nikada ne prestajem da se čudim strastima koje se razbuktaju svaki put kada razgovor u ovoj kolumni pređe na „čistu energiju“. Intenzitet prošlonedeljne rasprave o efikasnosti solarnih panela (vidi "") pokazao se takvim da bi se, gledajući spolja, moglo pomisliti da se govori o velikoj politici ili barem upoređivanju operativnih sistema! I za mene lično ovo je najbolji dokaz da je tema samo izgleda razrađena i uspostavljena, ali u stvari, čak i o naizgled elementarnim pitanjima (poput praktične prikladnosti solarnih panela po oblačnom vremenu) postoje dijametralno suprotna gledišta . Dakle, ako imate nešto da pokrijete, imate brojke, a još više lično iskustvo, molim vas da učestvujete u novoj diskusiji. Jer danas preuzimam rizik da nastavim razgovor započet u protekle dvije sedmice. Uostalom, nije dovoljno dobiti solarnu ili energiju vjetra, nije je dovoljno distribuirati među potrošačima, još uvijek je od vitalnog značaja naučiti kako je akumulirati!

Zapravo, čemu služi ista solarna elektrana IKEA od tri kilovata koja zauzima krov privatne kuće, ako ona, sposobna da u izobilju zadovolji potrebe cijelog domaćinstva, radi samo danju? Idealno bi bilo da se višak koji preostane tokom proizvodnje akumulira ("pojesti" tri kilovata nije šala, malo koji kućni aparat upija i kilovat, a takvi uređaji obično ne rade dugo: protočni bojler, pećnica... Istina , grije mi kuću jedan i po kilovat bitcoin rig, ali ovo je rijetko, morate priznati) i poklanjam ga po potrebi noću. Pa recimo da za noć i sumrak, koji traje recimo 18 sati, kući treba ista tri kilovata. To znači da uređaj za skladištenje energije u domaćinstvu mora skladištiti, otprilike, 54 kilovat-sata. Da li je to puno ili malo?

U redu. A rješavanje ovog problema direktno, ugradnjom električne baterije prihvatljivih dimenzija i performansi, odnosno litijum-jonske baterije, već je moguće. Štaviše, proizvode se serijski uzorci punjivih baterija upravo ovog kapaciteta: to su baterije za električna vozila - na primjer, poznati model S iz Tesla Motorsa, čija osnovna konfiguracija uključuje bateriju kapaciteta 60 kWh. takvo rješenje košta 10 tisuća američkih dolara, tada je skuplje od cijele solarne elektrane iz iste IKEA-e. I možete vjerovati cijenama Elona Muska: iako sastavljaju svoje baterije od stranih ćelija (bazu proizvodi Panasonic), koriste ih ne samo u automobilima, već i u kućnim solarnim elektranama koje instalira Solar City (, jedna od najvećih instalateri solarnih panela u SAD). Budući da prirodno nema potražnje za takvim baterijama, Solar City je do sada ograničen na ugradnju relativno malih baterija koje mogu podržati osnovne električne potrebe prosječnog doma samo tokom kratkotrajnih nestanka struje.

Ali nisu sve loše vijesti. Za cifru koju smo dobili gore može se reći da je filistar. A profesionalci kažu ovo: rezerva energije u kući trebala bi biti najmanje tri (oblačna) dana, a bolje - pet (onda će baterije trajati duže)! Dakle, u svom sadašnjem obliku, električne baterije su neprihvatljive čak i za potrebe domaćinstva, a da ne spominjemo moćne elektrane. Ali šta mi možemo učiniti? A kako se izlaze projektanti velikih energetskih objekata?

Da biste odgovorili na ovo pitanje, samo pogledajte ultramoderne „čiste“ elektrane koje se puštaju u rad. Recimo, stanica Solana, koja je pre neki dan puštena u rad u Sjedinjenim Državama, prostire se na površini od nekoliko kvadratnih kilometara i najmoćnija je na planeti (280 MW, 70 hiljada prosečnih domaćinstava). Dakle: nema nanotehnologije, nema čuda elektrohemije. Jednostavno je: dio prikupljene sunčeve topline koristi se za zagrijavanje pozamašnog rezervoara rastopljene soli (neke soli, recimo Glauberova, su čvrste kada se ohlade, prelaze u tekući oblik kada se zagrije), a noću toplina koju vraća sol zagrijava vode u paru i vrti turbinu. I ova odluka (tačnije, njena skala) naziva se „prekretnicom za solarnu energiju“! Evo ga, vrhunac čiste tehnologije 21. veka: boca slane tople vode od dve milijarde dolara!

Ovo je i smiješno i tužno u isto vrijeme. Smiješno je jer se u problemu akumulacije energije nikada nećemo odmaknuti od stogodišnjih tehnologija. Tužno je jer, koliko ja znam, rješenje za ovaj problem postoji već duže vrijeme, a čast otkrića i razvoja pripada našem sunarodniku. Zove se čudnom riječju "superzamajac".

Moram vas odmah upozoriti: kada opisujem ovu inžinjersku kreaciju, ne mogu biti apsolutno objektivan. Jer knjiga o super zamajcu pala mi je u ruke kada sam imao desetak godina i postala jedan od gradivnih blokova na kojima se formirala moja ljubav prema tehnologiji. Stoga ću još jednom ponoviti da će mi biti drago vidjeti bilo kakve argumente i razloge. Ali - na stvar. Davne 1986. godine izdavačka kuća „Dečja književnost” (!) objavila je knjigu sovjetskog pronalazača Nurbeja Gulije „U potrazi za „energetskom kapsulom”” (kopija se, kao retka publikacija, nalazi na internetu). Sa humorom i vrlo jednostavno, Gulia u njemu opisuje svoj razvoj kao inženjera (tako su odlučili njegovi prijatelji: kažu, ako nema drugih talenata, postoji samo jedan put!) i svoj pristup zadatku koji je postao glavni. jedan u svom životu. To je problem akumulacije energije - čak i tada, prije trideset godina, bio je u punoj mjeri. Prošavši kroz mehanička, termička, električna, hemijska rješenja, istražujući ono što će uskoro postati nanotehnologija, Gulia ih je sve odbacio iz ovog ili onog razloga - i odlučio se na ideju poznatu od davnina: masivno rotirajuće tijelo, zamašnjak.

Zamajac nalazimo svuda, od grnčarskog točka i primitivnih pumpi za vodu do vozila iz 20. veka i svemirskih žiroskopa. Kao akumulator energije, izvanredan je po tome što se može brzo ubrzati („napuniti“) i brzo zaustaviti (primajući značajnu izlaznu snagu). Jedan problem: njegov energetski intenzitet nije dovoljan da se kvalifikuje kao univerzalna „energetska kapsula“. Gustina uskladištene energije mora se povećati najmanje sto puta. Ali kako to učiniti? Ako povećamo brzinu, zamašnjak će se slomiti i pohranjena energija će uzrokovati strašno uništenje. Povećanje dimenzija također nije uvijek moguće. Preskačući mnogo godina zanimljivog istraživanja i razmišljanja (vrlo preporučujem knjigu, i danas je čitljiva!), Guliin stvarni doprinos se može svesti na sljedeće: on je predložio da zamašnjak ne bude monolitan, već da se namota - na primjer, od čelična sajla ili traka. Čvrstoća se povećava, posljedice lomljenja su svedene na beznačajnost, a energetski intenzitet čak i domaćih uzoraka premašuje parametre industrijskog razvoja. Ovaj dizajn je nazvao super zamašnjakom (i patentirao jednu od prvih verzija još 1964. godine).

Radeći na ideji, došao je na ideju da namota zamajac od grafitnih vlakana (ne zaboravite da su se u to vrijeme tek proizvodili fulerini, a o grafenu nije bilo govora), ili još egzotičnijih materijala poput azota. Ali čak i 20-kilogramski superzamajac od karbonskih vlakana, koji je bio tehnički moguć čak i tada, prije trideset godina, bio je u stanju pohraniti dovoljno energije da putnički automobil pređe 500 kilometara, uz prosječnu cijenu od 60 američkih centi po dobačenom stotinu kilometara.

U slučaju superzamašnjaka, nema smisla zamarati se uporednim procjenama - bilo da se radi o energiji pohranjenoj po jedinici mase ili karakteristikama performansi: teoretski su superiorniji od svih dostupnih alternativnih rješenja. I područja primjene su se sama sugerirala. Postavljen u vakuum, magnetski suspendovan, sa efikasnošću od preko 90%, izdržavajući nezamisliv broj ciklusa punjenja-pražnjenja, sposoban da radi u najširim temperaturnim rasponima, superzamašnjak je sposoban da se rotira godinama i obećava fantastične stvari: automobil mogla bi pretrčati hiljade kilometara sa jednim punjenjem, inače bi i tokom svog radnog vijeka elektrana sa višestotinjak metara super zamašnjaka skrivenim u temelju skladištila energiju dovoljnu da osvijetli cijelu Zemlju, itd, itd. . Ali evo pitanja: prošlo je trideset godina, zašto oko sebe ne vidimo superzamašnjake?

Iskreno da vam kažem, ne znam odgovor. Tehničke poteškoće? Da, i dizajn super zamajca i glatko izvlačenje energije su problemi sa velikim T, ali izgleda da su riješeni. S vremena na vrijeme čujemo o malim, nišnim aplikacijama. Ali upravo tamo gdje su se u njega polagale glavne nade - u energetskoj i automobilskoj industriji - superzamašnjak nije našao masovnu primjenu. Prije nekoliko godina američka kompanija Beacon Power pustila je u rad malu stanicu za skladištenje energije superzamajca u blizini New Yorka, ali danas se o projektu ništa nije čulo, a sama kompanija struže.

Nurbey Gulia još uvijek radi na poboljšanju svoje zamisli, a prije godinu dana najavio je mogućnost izgradnje superzamašnjaka od grafena (s procijenjenim specifičnim energetskim kapacitetom od 1,2 kWh/kg, odnosno red veličine veći od litijum-jonskih baterija). Ali, ako dobro razumijem, postigao je komercijalni uspjeh sa svojim drugim razvojem (supervarijator, originalni mehanički prijenos), ali iz nekog razloga super zamašnjak ostaje pod znakom pitanja.

P.S. Zamolio sam Nurbeja Vladimiroviča da učestvuje u diskusiji (iako je nada, kao što ste shvatili, slaba: na njegovoj ličnoj web stranici on je prirodno preplavljen fanovima).

“Osnovna sredstva” završavaju objavljivanje serije materijala o glavnim tipovima pomoćnih pogona instaliranih na proizvodnim vozilima kako bi se smanjila potreba za stalnom upotrebom motora sa unutrašnjim sagorevanjem. Podsjetimo se kratkog pregleda sličnih rješenja za baterije, dizel generatore i kapacitivne skladišne ​​uređaje (kondenzatore), u kojima je prikazan i niz drugih postojećih pristupa ovoj problematici, kao i priča o pomoćnom hidrauličnom pogonu. Danas ćemo pogledati pogon na zamajac.

Pozadina

Usput da pojasnimo da su pomoćni tečni i zračni pogoni „braća blizanci“, jer se ulje uskladišteno u rezervoaru i dušik pohranjen u pneumatskom cilindru uspješno nadopunjuju. U paru ih koristi PSA Peugeot Sitroên, čija su vozila najpoznatiji primjer serijske upotrebe hidrauličkog pneumatskog akumulatora kao pomoćnog izvora vuče. Pod utjecajem kinetičke energije, ulje komprimira dušik u cilindru. Kada dušik istiskuje ulje, hidraulički pneumatski akumulator povezan s kotačima dodaje im okretni moment. „Čistim“ pneumatskim pogonom, podsećamo, „OS“ je razmatrao u članku elokventnog naslova „Umesto benzina, vazduh“.

Zašto je, inače, hidrostatski prijenos zanemaren u navedenim materijalima? Činjenica je da, prema izvještajima industrijskih medija, rad hidrostatskog prijenosa, koji osigurava pogon na kotače poluprikolice tegljača KamAZ-44108 (tzv. "drumski voz sa aktivnom prikolicom") zahtijeva „Autonomna pumpna stanica“ (sa motorom sa unutrašnjim sagorevanjem).

Dopuniti ovaj izbor kratkim opisom akumulatora zamašnjaka koji se koristi kao dodatni izvor potiska čini se logičnim iz još jednog razloga. Činjenica je da je sljedeći korak u tom pravcu „indirektna upotreba pomoćnih pogona vozila“, nazovimo to tako. Riječ je o opremanju vozila sa nekoliko uređaja koji se koriste u tu svrhu. Da li je dizel generator sa baterijom ili kapacitivnim (kondenzatorskim) skladištem odavno poznato rješenje? Nije sve tako jednostavno, te stoga molimo naše čitatelje da upamte predloženu definiciju (u smislu sastava najnovijih pomoćnih "parova snaga" i redoslijeda njihovog rada) za kratku priču o njima u budućnosti koristeći primjer Iveco-Glider „sedla” i eksperimentalnog Renaultovog drumskog voza (Laboratorija 2). Inače, na izložbi Iveco-Glider "stariji" pomoćni pogon je zamašnjak.

Akumulator zamašnjaka (ranije i zamašnjak), koji se koristi kao pomoćni izvor potiska i "uvrtajućeg" (kao što je poznato, neekonomičan pri ubrzanju pri malim brzinama) motora, osim svoje namjene, ima i niz drugih razlika. Prvo, ne govorimo o zamajcima mjenjača starih kamiona, koji su poznati u predmetu „Teorija i dizajn automobila“. Pomoćni, “rezervni” zamašnjak koji razmatramo (za razliku od njih, napravljen od lakih legura-kompozita) rotira u bezzračnom prostoru, au nekim slučajevima se nalazi i horizontalno (što zahtijeva pogon konusnog zupčanika). Skladištenje zamašnjaka 1960-ih. testiran na raznim klasama vozila, 1980-ih su se vratili na njegova testiranja u sklopu Volvo putničkog automobila (serija 200), a kasnije je "osedlao" trkačke automobile. Danas se u stranoj štampi cijelo ovo područje, uključujući i kamionski tegljač Glider - prvi industrijski i izložbeni model ove klase opreme koja ga koristi, naziva KERS (Kinetic Energy Recovery System).

Koliko je ZND daleko od upotrebe akumulatora zamašnjaka na liniji, uprkos činjenici da su njegovo stvaranje i razvoj u ovom svojstvu povezani sa imenom profesora MGIU N.V. Gulia! Lakom rukom naučnika, takav zamašnjak postao je poznat sa prefiksom "super". Između ostalog, postalo je jasno da je riječ o zamajcu ugrađenom na vozilo druge namjene.

Dizajn

Glavni cilj promocije ovih pogona je „otvorena tajna“: eliminisanje trošenja kinetičke energije na trenje pločica na kočionim diskovima, koje nastaje kada automobil usporava, i njeno pretvaranje u rotaciju zamašnjaka, koji se naknadno učestvuje u upravljanju vozilom. Pogon zamašnjaka je na određeni način povezan sa jednom od osovina vozila. Pri kočenju se okreće kroz rotirajuću osovinu spojenu na osovinu vozila. Nastavljajući da se okreće nakon što se automobil zaustavi, zamašnjak "ulaže" u svoje ubrzanje kada se kretanje nastavi. Drugim riječima, pri kočenju i pri spuštanju kinetička energija se ne gubi u kočionim uređajima automobila, već je akumulira dotični zamašnjak. Pogon zamašnjaka je posebno tražen u "gradskom ciklusu" kretanja, karakteriziranog čestim pokretanjem i kočenjem. Motor sa unutrašnjim sagorevanjem i akumulator zamašnjaka mogu da rade i odvojeno, i to: motor dopunjava zamašnjak, koji onda sam ubrzava vozilo (ali u ovom slučaju se energija kočenja vraća u akumulator zamašnjaka).

Najnovija generacija pogona na zamajac (na primjer, Torqstor) sadrži kompozitne legure bazirane na karbonskim vlaknima i smještene su u okruženju bez zraka kako bi se smanjili gubici snage. Moderni pogoni na zamašnjak, napravljeni, ponavljamo, od karbonskih vlakana, karakterizirani namotajem od karbonskih vlakana, vrlo su izdržljivi (kao i zaštitno kućište); čelik kao materijal za njihovu proizvodnju stvar je prošlosti. U nekim slučajevima, kompozitna legura pogona zamašnjaka je punjena magnetnim prahom, istovremeno negirajući pojavu vrtložnih struja. Osim toga, zamašnjak magnetiziran na ovaj način može raditi na povišenim temperaturama bez ugrožavanja vijeka trajanja. U najnovijim uzorcima uređaja koji se razmatraju, mehanički spoj osovine, pogona zamašnjaka i glavnog zupčanika u nekim slučajevima je ustupio mjesto magnetskom, što eliminira proklizavanje rotirajućih vratila. Kontinuirano promjenjivi pogon, danas poznat kao kompaktni varijatorski prijenos (CVT-varijator, isti Torotrak, ranije varijator planetarnog diska), koordinira brzinu rotacije zamašnjaka i, na kraju, okretni moment kotača, glatko mijenja omjer prijenosa između ulaznog i izlazne osovine. Njegovo prisustvo i odgovarajući nivo proizvodnje jedan su od glavnih uslova za korištenje pogona na zamajac.

Akumulacija značajne kinetičke energije zahtijeva korištenje brzih zamašnjaka. Brzina rotacije njihovih modernih uzoraka doseže 60.000 o/min, njihova težina se kreće od 6 do 100 kg ili više, a na primjer, sa snagom od 100 kW pohranjuju 200 kJ energije. Moderne pogone na zamašnjake za različite klase vozila nude Ricardo, Williams Hybrid Power, Flybrid Automotive (od 2014 - Torotrak Group).

Ricardo je predstavio svoj najnoviji razvoj 2014. godine kao dio opreme za izgradnju puteva. Prethodno proizvedeni autobus srednje klase Optare (Solo Midibus), opremljen Ricardo pomoćnim zamašnjakom, nazvan je Flybus. Na autobusima u Londonu, kao pomoćni pogon testirani su zamajci kompanije Williams Hybrid Power (koja radi u ovom pravcu na trkačkim automobilima Formule 1, kao i odjel za izgradnju vagona multidisciplinarnog francuskog udruženja Alstom). Pojasnimo da je u najpoznatijem primjeru upotrebe zamašnjaka - inače, u rutnom prijevozu putnika - Orlikon fat bus (1950-ih, u Švicarskoj, Kongu, Belgiji), on je bio glavni izvor vuče za vozni park. Engleski FlyBrid Automotive (Torotrak Group) komunicira sa Volvom. Ovo je objavljeno u otvorenoj štampi u kontekstu putničkog automobila, ali je švedska kompanija svjetski poznati proizvođač teških kamiona i opreme za izgradnju puteva. Osim toga, kao iu slučaju Ricarda, saradnja se ostvaruje sa proizvođačem komercijalnih vozila (Ford), kao i brendovima Jaguar i Rover.

Energija nastala prilikom kočenja pretvara se u rotaciju zamašnjaka i koristi se za pogon točkova vozila. Potreba za korištenjem motora s unutarnjim sagorijevanjem u režimima niske efikasnosti je proporcionalno smanjena - suština oporavka.

Na papiru je bilo glatko, ali su zaboravili na gudure?

Izvan grada, zamašnjak rizikuje da ostane bez "hranjenja" zbog ograničenog broja kočenja (pomoći će samo kretanje "nizbrdo"). U slučaju vožnje motora sa unutrašnjim sagorevanjem i zamašnjaka na različite osovine (kažu, ovo je pogon na sve točkove), postoji zabrinutost za stabilnost voznog parka. Dizajn pogona zamašnjaka određuje, posebno, tačnost vrijednosti kutne brzine, momenta inercije, prijenosnih omjera i elektronskog upravljanja. Zahtjeve za promišljenost upravljačkog sistema potvrđuje samo mogućnost da vozač sudjeluje u povezivanju (pomoću ključa na instrument tabli) pogona zamašnjaka kako bi dodao "snagu" tokom ubrzanja, ubrzanja (na primjer, do 80 KS za 7 sekundi ).

Je li vrijedno truda opravdati korištenje akumulatora zamašnjaka za, možda, ključni pokazatelj - potrošnju goriva? Procijenite sami, objavljeno je da se u ovom slučaju smanjio za 5–25% (gornja granica, naravno, za određene načine vožnje). Opće prednosti pogona na zamašnjak uključuju dugi vijek trajanja koji obećavaju njihovi proizvođači i odsustvo potrebe za elementima rijetkih zemalja (iako se „baterije“ danas sve više koriste u transportu za mnoge različite zadatke). Karakteristike težine i veličine modernih uređaja za skladištenje zamašnjaka postaju sve privlačniji (mogućnost ugradnje na krov modernih tramvaja govori sama za sebe). S druge strane, smanjenje nosivosti (kapaciteta) ranije je u velikoj mjeri ograničavalo njihovu upotrebu. Pa, prešli smo dug put od postavljanja akumulatora zamajca na slici, ali u Porsche RSR 2011, žiroskopski akumulator energije (kako se ponekad naziva) nalazi se pored vozača. Visok moment inercije postavlja pitanja o balansu manevrisanja, jer zamašnjak pravi desetine hiljada obrtaja u minuti.

Pojasnimo da je pogon na zamajac "prijateljski" i sa motorom sa unutrašnjim sagorevanjem i sa elektromotorom. Štaviše, akumulator zamašnjaka TorqStor iz Ricarda se puni kada se grana bagera spusti. Između ostalog, to negira argumente za korištenje ove vrste pogona samo kada vozilo koči. Osim toga, kontrola pomoćnog zamašnjaka može uključivati ​​elektro-hidraulične ventile i električnu hidrauličnu pumpu. Dodajmo i to završeno u drugoj polovini 1980-ih. od strane zaposlenih u MADI, MAMI, MASI (MGIU), NAMI, matematičko modeliranje upotrebe akumulatora zamašnjaka u LiAZ-5256 uključivalo je jednoprotočni hidraulički prijenos. Masa "zamašnjaka" bila je 35 kg, brzina rotacije do 12.000 o/min, što je sasvim dovoljno za autobus.

Željeznički i gradski željeznički promet nije izuzetak od eksperimentalne upotrebe pomoćnih zamašnjaka. Poznato je da je SSM pogon na zamajac (Holandija) još 2004. godine osigurao prolaz višeosovinskog tramvaja Alstom preko jednog od mostova u Roterdamu bez pantografa. Opremljeni akumulatorom zamašnjaka (energija kočenja i tokom vožnje, uz naknadno učešće u ubrzanju zajedno sa motorom sa unutrašnjim sagorevanjem), laki Rail PPM šinski autobusi dostupni su od sredine 2000-ih. prevozite putnike na neaktivnoj liniji Stourbridge u engleskom okrugu West Midlands.

Važno je da je u američkim gradovima (Philadelphia i niz drugih) počela upotreba stacionarnih zamašnjaka (takođe napravljenih od karbonskih vlakana), koji se postavljaju na trafostanice podzemne željeznice i pohranjuju energiju koja nastaje pri kočenju vlakova sa njenim naknadnim prijenosom na kontakt šinu ili dovodnu žicu. Posebnost upotrebe pogona koji se razmatraju u ovom slučaju su brojni učesnici u projektu.

Na električnim vlakovima sa čestim zaustavljanjima i ubrzanjima, akumulacija kinetičke energije pri kočenju i njeno korištenje za naknadno ubrzanje izuzetno je važno. Da biste to učinili, možete koristiti zamašnjak kao uređaj za skladištenje energije.

Procijenimo energetske mogućnosti zamašnjaka. Kinetička energija rotacije je jednaka

Gdje J– moment inercije zamašnjaka u odnosu na osu rotacije, ω – ugaona brzina. Neka, na primjer, zamašnjak ima oblik prstena s momentom inercije J = m R 2 . Prsten je povezan sa glavčinom vratila, na primjer žbicama, čija je masa relativno mala (slika 11.3).

Odredimo najveću brzinu rotacije bez pucanja prstena centrifugalnim silama. U poprečnom presjeku prstena centrifugalne sile uzrokuju vlačne sile. Da bismo ih odredili, izrežemo mentalno iz prstena mali element dužine dl = Rdα. Razmotrimo ravnotežu elementa prstena. U "prstenastom" referentnom okviru na njega djeluje centrifugalna sila inercije dF cb = dm ω 2 R. Masa elementa jednaka je proizvodu gustine materijala ρ po volumenu: dm = ρ S R dα. Evo S- površina poprečnog presjeka. Tada će veličina centrifugalne sile koja djeluje na element biti jednaka dF cb = ρ S ω 2 R 2 dα.

Sa strane prstena u presjeku rezova na element djeluju dvije zatezne sile jednake veličine: F 1 i F 2. Prema uslovu ravnoteže, zbir sila mora biti jednak nuli: Iz trougla sila (Sl. 12.3).. Zamjenom formule za centrifugalnu silu, dobijamo silu koja lomi prsten

F = ρ S R 2 ω 2 .(11.7)

Vlačna naprezanja ne bi trebala prelaziti vlačnu čvrstoću materijala . Otuda će najveća dozvoljena brzina rotacije zamašnjaka biti jednaka

(11.8)

Zamjenom granične vrijednosti ugaone brzine rotacije u formulu za kinetičku energiju zamašnjaka, dobijamo količinu energije koju rotirajući zamašnjak može pohraniti bez opasnosti od pucanja

. (11.9)

Na primjer, mehanička energija električnog voza težine 200 tona, pri početnoj brzini V= 15 m/s, biće 22,5 MJ. Zatim volumen čeličnog zamašnjaka s dopuštenim naprezanjem σ pr = 0,5∙10 9 N/m 2 . Ne toliko.

Zadaci

1. Prilikom regenerativnog kočenja vlaka težine 360 ​​tona da bi se osiguralo ravnomjerno kretanje na spustu visine 5 m, energija se pohranjuje u zamajac u obliku diska mase 1,0 tona i polumjera 1 m. Odrediti brzinu rotacije zamašnjaka na kraju spuštanja. Zanemarite gubitke zbog trenja.

2. Kočiona pločica se pritisne na remenicu vučnog motora ugrađenog na postolje sa silom od 1,0 kN. Odredite snagu motora pri brzini rotacije od 1200 o/min, ako je promjer remenice 0,20 m, koeficijent trenja klizanja je 0,20.

3. Odrediti koliko se puta kinetička energija automobila teškog 40 tona razlikuje sa i bez uzimanja u obzir energije rotacije točkova. Masa točkova je 1800 kg, njihov radijus je 0,51 m. Točkovi se smatraju homogenim diskovima.

4. Par kotača mase 1400 kg kotrlja uzbrdicom sa nagibom od 0,010 brzinom od 1 m/s. Odredite kinetičku energiju ako se točkovi smatraju diskovima. Koliko će daleko putovati par točkova ako je koeficijent trenja kotrljanja 0,005? Odredite silu prianjanja između točkova i šina.

5. Odrediti koju bi dodatnu udaljenost mogao preći motorni automobil težak 40 tona brzinom od 10 m/s, ako se uzme u obzir i kinetička energija armature elektromotora sa momentom inercije od 50 kg m 2. Omjer prijenosa je 5,2. Koeficijent otpora 0,003 Prečnik točka 1,02 m.

6. Kojom brzinom će se prazan automobil težak 20 tona otkotrljati sa grbače visoke 2 m i dužine 120 m ako je masa svih kotača 6 tona. Koeficijent otpora je 0,002? Kotači se smatraju diskovima prečnika 1,02 m.

7. Par točkova se kotrlja niz brdo visine 0,50 m i dužine 15 m. Koju brzinu će točkovi postići na kraju spuštanja? Koeficijent otpora 0,004. Odredite veličinu i smjer sile prianjanja. Kotači se smatraju homogenim diskovima.

12. ZAKON ODRŽAVANJA MOMENTUMA

Važnost ugaone količine gibanja u mehanici je zbog činjenice da, zajedno sa impulsom i energijom, ima svojstvo očuvanja u zatvorenim sistemima tijela.

Momentum

A-priorat, Ugaoni moment materijalne tačke je vektor jednak vektorskom proizvodu radijus vektora tačke i vektora momenta:

. (12.1)

Izvedemo formulu za ugaoni moment krutog tijela za vrijeme rotacije oko fiksne ose. Neka kruto tijelo rotira oko fiksne ose. Putanja svih tačaka tijela su koncentrični krugovi. Za neku tačku pri brzini, ugaoni moment je jednak Proširujući dvostruki vektorski proizvod, dobijamo . Zbrojimo ugaone momente svih tačaka tela: . Po definiciji, zbir proizvoda masa čestica tijela kvadratima njihovih udaljenosti do ose rotacije je moment inercije tijela J. Onda ugaoni moment krutog tijela u odnosu na fiksnu os rotacije jednak je proizvodu momenta inercije tijela i kutne brzine:

. (12.2)

Kutni moment, kao i kutna brzina, je aksijalni vektor čiji je smjer određen pravilom gimleta. Ako rotirate ručke gimleta zajedno s tijelom, tada se translacijsko kretanje gimleta poklapa sa smjerom vektora kutnog momenta duž osi rotacije.

Neće ih trebati grijati preko noći po hladnom vremenu. Biće mnogo jeftiniji od običnih, jer je plastika jeftinija od obojenih metala. Njihov radni vijek će premašiti vijek trajanja same mašine. Puniće se iz elektromotora, iz stacionarnih izvora energije.

Ovo inertioidi ili zamašnjaci. Oni akumuliraju energiju, a zatim je po potrebi ispuštaju potrošačima. Sa velikim zamašnjakom nije potreban motor sa unutrašnjim sagorevanjem. Energija se također može skladištiti na benzinskim pumpama, koristeći snažne električne motore za ubrzavanje jednog ili više zamašnjaka. Smješteni su u zatvorenom prostoru bez zraka, a visi su na snažnim magnetima.

Oni se nazivaju superflywheels, budući da skladište energiju hiljadama puta više od konvencionalnih zamašnjaka. Izmislio ih je prije 50 godina ruski naučnik N. Gulia, ali nisu bili u širokoj upotrebi. Samo izolirani zanatski razvoji - kolica koja su zamijenila električne automobile.

A sada je ovaj izum reproduciran u industrijskim razmjerima u Americi. Tamo su superzamašnjaci ugrađeni u kontejnere od 17 tona. I mogu skladištiti i oslobađati 1,7 megavata energije! Koriste se za stabilizaciju napona električne mreže. U Rusiji, jedinstvenom energetskom sistemu nisu potrebni takvi stabilizatori, jer radi po pouzdanijoj shemi.

Međutim, ako u građevinarstvu, i gdje god je potrebno, možete uštedjeti skoro polovinu utrošene nafte i plina! Neće biti potrebe za zagrijavanjem hladnih motora zimi, samo sedite i idite.

Vjetrenjače čak i male snage mogu proizvesti veliku snagu skladištenjem u takvim energetskim akumulatorima. Samo sam promijenio zamajac na autu, ili ga dopunio - zavrtio zaustavljene zamajce i mozes opet voziti. Daleko i dugo.

U poređenju sa superzamašnjacima, oni pobjeđuju u svim aspektima. Oni su izdržljiviji, jednostavniji i jeftiniji za proizvodnju i, što je najvažnije, ekološki prihvatljivi. I pohranjuju mnogo više energije za mnogo kraće vrijeme. Oni takođe poklanjaju.

Zamašnjaci također mogu isporučiti snagu bez prijenosa inercije na tijelo. Na primjer, električna bušilica velike snage pokušava pobjeći iz vaših ruku zbog inercije bušilice. Ako umjesto elektromotora ugradite zamašnjak, on će bušiti bilo kojom silom i gotovo se držati na mjestu. Štaviše, žiroskopski efekat će doprineti bušenju savršeno ravnomerne rupe, kao na mašini. Neupleteni zamašnjak bušilice će spriječiti da vibrira u vašim rukama.

Općenito, očekuju vas neviđene energetske pogodnosti i druge prednosti civilizacije. Samo neko treba nešto da uradi, ili će, kao i uvek, morati da kupuje odatle.

Dvostruki rotor push-pull

krana, bagera itd.) spojena klipnjačom. Ako ubrzate desni zamašnjak, lijevi (položaj “a”) će početi glatko ubrzavati i dostići (položaj “b”) maksimalnu brzinu rotacije. Desni zamašnjak će u ovom trenutku, nakon što se odrekao svoje kinetičke energije, zaustaviti. Daljnjim rotiranjem, lijevi zamašnjak će ubrzati desni (položaj “c”), a kada se zaustavi, pokrenut će lijevi (pozicija “d”). Odnosno, kao što ste pretpostavili, sljedeća pozicija će biti "a", a proces će se ponavljati iznova i iznova.

Na modelu se ubrzanje i usporavanje zamašnjaka, čak i nakon blagog pritiska, ponavljalo na desetine puta. Ovo je dokaz visoke efikasnosti. oporavak.

Ubrzo smo shvatili da na sličan način možemo povratiti energiju povratnih pokreta. Za testiranje smo napravili kolica (vidi sliku) sa nosačem i zupčanikom koji pretvara translacijsko kretanje u rotacijsko (ljuljanje). Postojao je samo jedan pravi zamašnjak, a ulogu drugog odigrala je radilica spojena zupčanikom na letvu. Kada udari u zid, kolica su odskočila, udarila u suprotni zid, ponovo se odbila, drugim rečima -

Dijagram i glavne faze rada rekuperatora energije zamašnjaka.

Nurbey GULIA,

profesor, doktor tehničkih nauka

Podsjetimo se aksioma - što je robot produktivniji, što njegovi radni dijelovi brže izvode povratne i ljuljajuće pokrete, to više energije troši. I to samo zbog posla! Uostalom, gotovo sve se mora ugasiti tijekom obaveznih zaustavljanja radnih dijelova i pretvoriti u beskorisnu toplinu u kočnicama.

Originalni pristup rješavanju vjekovnog problema zacrtan je u Institutu za mašinstvo Akademije nauka SSSR-a. Pod rukovodstvom doktora tehničkih nauka A.I. Korendyaseva, tamo su razvijeni takozvani vibracioni roboti. U njima, prilikom kočenja, energiju apsorbiraju opruge, koje je zatim, ispravljajući, oslobađaju da pokreću radne dijelove. Takva obnova energije smanjuje potrošnju energije i, shodno tome, energetske potrebe za otprilike red veličine.

Ali uvjereni smo da je još veći stepen oporavka sasvim moguć. Počeo sam raditi na povratu kinetičke energije pri kočenju automobila još 60-ih godina, pisao sam o tome u TM (vidi br. 11, 1972). U automobilu u pokretu ima puno energije, ali ako je akumulirate u oprugu, tada masa takve baterije neće biti manja od mase samog automobila. A opruga ne upija toliko energije. Zamašnjaci su ovdje mnogo isplativiji. Izračunali smo, recimo, da ako su zamašnjak i opruga napravljeni od istog materijala, na primjer čelične žice, onda će za akumuliranje jednake energije masa zamašnjaka biti hiljadama puta manja od opruge. Zamašnjaci upleteni od žica, traka i organskih vlakana (nazivaju se superzamašnjaci), osim visokog energetskog intenziteta, imaju i vrlo vrijednu prednost - ne prijeti im opasnost od slučajnog kvara.

Fizika skladištenja energije u oprugama i zamajcima je takođe drugačija.

Ako čitatelja ovo zanima i želi znati o strukturi uređaja za skladištenje energije opruge i zamašnjaka, savjetujem vam da pogledate moje članke „Elastični uređaji za skladištenje energije“ („TM“ br. 6 za 1974.) i „Prvi Krug zamašnjaka” (“TM” br. 6 za 1973. godinu).

Prilikom razvoja rekuperatora sa zamašnjacima visokog energetskog intenziteta, prije svega smo mislili na automobile. Ali kada je napravljen i testiran jedan od dizajna, koji je izmislio moj student (sada viši istraživač, kandidat tehničkih nauka) I.D. Yudovsky, podsjetili smo se na bagere, manipulatore i robote, jednom riječju, mašine koje prave brze okrete. , ljuljanje i povratni pokreti.

Ovaj rekuperator je imao dva zamašnjaka (jedan je prilično precizno imitirao kretanje radnog tijela robota ili manipulatora, str.