Dacă îmi permit puțină emoție, nu încetez să fiu uimit de pasiunile care izbucnesc de fiecare dată când conversația din această coloană se transformă în „energie curată”. Intensitatea discuției de săptămâna trecută despre eficiența panourilor solare (vezi „”) s-a dovedit a fi de așa natură încât, privind din afară, s-ar putea crede că se discută mare politică sau măcar se compară sisteme de operare! Și pentru mine personal, aceasta este cea mai bună dovadă că subiectul pare să fie doar rezolvat și stabilit, dar, de fapt, chiar și în probleme aparent elementare (cum ar fi adecvarea practică a panourilor solare pe vreme înnorată) există puncte de vedere diametral opuse. . Deci, dacă ai ceva de acoperit, ai numere și cu atât mai mult experiență personală, te rog să participi la o nouă discuție. Pentru că astăzi îmi asum riscul să continui conversația începută în ultimele două săptămâni. La urma urmei, nu este suficient să obțineți energie solară sau eoliană, nu este suficient să o distribuiți între consumatori, este totuși extrem de important să învățați cum să o acumulăm!

De fapt, la ce folosește aceeași centrală solară IKEA de trei kilowați care ocupă acoperișul unei case private, dacă aceasta, capabilă să satisfacă din belșug nevoile unei întregi gospodării, funcționează doar în timpul zilei? Ideal ar fi să acumulați surplusul rămas în timpul generării („a mânca” trei kilowați nu este o glumă, puține electrocasnice absorb chiar și un kilowatt, iar astfel de dispozitive de obicei nu funcționează mult timp: un încălzitor instantaneu de apă, un cuptor... Adevărat , îmi încălzește casa de un kilowatt și jumătate bitcoin platformă, dar asta este rar, trebuie să recunoașteți) și o dați la nevoie noaptea. Ei bine, să spunem că pentru noapte și amurg, care durează, să zicem, 18 ore, casa are nevoie de aceiași trei kilowați. Aceasta înseamnă că un dispozitiv de stocare a energiei de uz casnic trebuie să stocheze aproximativ 54 de kilowați-oră. Este mult sau puțin?

Amenda. Și rezolvarea directă a acestei probleme, prin instalarea unei baterii electrice de dimensiuni acceptabile și proprietăți de performanță, adică o baterie litiu-ion, este deja posibilă. Mai mult, sunt produse mostre în serie de baterii reîncărcabile cu exact această capacitate: acestea sunt baterii pentru vehicule electrice - de exemplu, familiarul Model S de la Tesla Motors, a cărui configurație de bază include o baterie cu o capacitate de 60 kWh. o astfel de soluție costă 10 mii de dolari SUA, apoi este mai scumpă decât întreaga centrală solară de la același IKEA. Și poți avea încredere în prețurile lui Elon Musk: deși își asamblează bateriile din celule străine (baza este produsă de Panasonic), le folosesc nu numai în mașini, ci și în centralele solare de uz casnic instalate de Solar City (, una dintre cele mai mari instalatori de panouri solare din SUA). Deoarece în mod natural nu există nicio cerere pentru astfel de baterii, Solar City se limitează până acum la instalarea de baterii relativ mici, care pot susține nevoile electrice de bază ale unei locuințe medii doar în timpul întreruperilor de curent pe termen scurt.

Dar nu toate sunt vești proaste. Cifra pe care am primit-o mai sus se poate spune că este filistenă. Și profesioniștii spun asta: rezerva de energie din casă ar trebui să fie de cel puțin trei zile (înnorate), și mai bine – cinci (atunci bateriile vor dura mai mult)! Deci, în forma lor actuală, bateriile electrice sunt inacceptabile chiar și pentru nevoile casnice, ca să nu mai vorbim de centralele puternice. Dar ce putem face? Și cum ies proiectanții de instalații mari de generare a energiei?

Pentru a răspunde la această întrebare, priviți doar centralele ultramoderne „curate” care sunt puse în funcțiune. Să zicem că stația Solana, lansată zilele trecute în State, se întinde pe o suprafață de câțiva kilometri pătrați și este cea mai puternică de pe planetă (280 MW, 70 de mii de gospodării medii). Deci: fără nanotehnologie, fără miracole ale electrochimiei. Este simplu: o parte din căldura solară colectată este folosită pentru a încălzi un rezervor consistent de sare topită (unele săruri, să zicem cele Glauber, sunt solide când sunt răcite, se transformă în formă lichidă când sunt încălzite), iar noaptea căldura returnată de sare încălzește apa la abur și învârte turbina. Și această decizie (mai precis, amploarea ei) se numește „punct de cotitură pentru energia solară”! Iată-l, vârful tehnologiei curate al secolului 21: o sticlă de apă caldă cu sare de două miliarde de dolari!

Este atât amuzant, cât și trist în același timp. Este amuzant pentru că în problema acumulării de energie nu ne vom îndepărta niciodată de tehnologiile vechi de o sută de ani. Este trist pentru că, din câte știu eu, soluția la această problemă există de mult timp, iar onoarea descoperirii și dezvoltării îi aparține compatriotului nostru. Se numește un cuvânt ciudat „superflywheel”.

Trebuie să vă avertizez imediat: când descriu această creație a ingineriei, nu pot fi absolut obiectiv. Pentru că o carte despre un super volant a căzut în mâinile mele când aveam aproximativ zece ani și a devenit unul dintre elementele de bază pe care s-a format dragostea mea pentru tehnologie. Prin urmare, voi repet încă o dată că voi fi bucuros să văd orice argumente și motive. Dar - până la obiect. În 1986, editura „Literatura pentru copii” (!) a publicat o carte a inventatorului sovietic Nurbey Gulia „În căutarea „capsulei energetice”” (o copie a acesteia, ca o publicație rară, este pe Internet). Cu umor și foarte simplu, Gulia descrie în ea evoluția sa ca inginer (așa au decis prietenii săi: se spune că dacă nu există alte talente, există un singur drum!) și abordarea lui în sarcina care a devenit principala. unul în viața lui. Aceasta este problema acumulării de energie – chiar și atunci, acum treizeci de ani, era la scară maximă. După ce a trecut prin soluții mecanice, termice, electrice, chimice, cercetând ceea ce va deveni în curând nanotehnologie, Gulia le-a respins pe toate dintr-un motiv sau altul - și s-a hotărât pe o idee cunoscută încă din cele mai vechi timpuri: un corp rotativ masiv, un volant.

Volanul îl găsim peste tot, de la roata olarului și pompele de apă primitive până la vehicule din secolul XX și giroscoape spațiale. Ca acumulator de energie, este remarcabil prin faptul că poate fi accelerat rapid („încărcat”) și oprit rapid (după ce a primit o putere de ieșire semnificativă). O problemă: intensitatea sa energetică nu este suficientă pentru a fi calificată drept „capsulă energetică” universală. Densitatea energiei stocate trebuie crescută de cel puțin o sută de ori. Dar cum să faci asta? Dacă creștem viteza, volantul se va rupe și energia stocată va provoca distrugeri groaznice. De asemenea, mărirea dimensiunilor nu este întotdeauna posibilă. Sărind peste mulți ani de cercetări și gândire interesante (recomand cu căldură cartea, se poate citi și astăzi!), contribuția reală a lui Gulia se poate rezuma la următoarele: el a propus ca volantul să nu fie monolitic, ci bobinat - de exemplu, dintr-un cablu sau bandă de oțel. Rezistența crește, consecințele ruperii sunt reduse la nesemnificație, iar intensitatea energetică chiar și a probelor de casă depășește parametrii dezvoltărilor industriale. El a numit acest design un super volant (și a brevetat una dintre primele versiuni în 1964).

În timp ce lucra la idee, i-a venit ideea de a înfășura un volant din fibră de grafit (nu uitați că la vremea aceea tocmai se produceau fulerene și nu se vorbea despre grafen) sau chiar și despre materiale mai exotice. ca azotul. Dar chiar și un supervolant de 20 de kilograme din fibră de carbon, posibil din punct de vedere tehnic chiar atunci, acum treizeci de ani, era capabil să stocheze suficientă energie pentru a propulsa o mașină de pasageri pe 500 de kilometri, cu un cost mediu de 60 de cenți americani pe o sută de kilometri aruncat.

În cazul supervolantelor, nu are rost să ne batem cu estimări comparative – fie că este vorba de energie stocată pe unitate de masă sau de caracteristici de performanță: teoretic sunt superioare tuturor soluțiilor alternative disponibile. Iar domeniile de aplicare s-au sugerat de la sine. Amplasat în vid, suspendat magnetic, cu o eficiență de peste 90%, rezistând la un număr inimaginabil de cicluri de încărcare-descărcare, capabil să funcționeze în cele mai largi intervale de temperatură, supervolantul este capabil să se rotească ani de zile și promitea lucruri fantastice: o mașină. ar putea rula mii de kilometri cu o singură încărcare, altfel și pe toată durata de viață, o centrală electrică cu un super volant de mai multe sute de metri ascuns în fundație ar stoca suficientă energie pentru a ilumina întregul Pământ și așa mai departe, și așa mai departe . Dar iată întrebarea: au trecut treizeci de ani, de ce nu vedem supervolante în jurul nostru?

Să-ți spun adevărul, nu știu răspunsul. Dificultati tehnice? Da, atât designul super-volantului, cât și extragerea lină a energiei sunt probleme cu T mare, dar par a fi rezolvate. Din când în când auzim despre aplicații mici, de nișă. Dar tocmai acolo unde s-au pus principalele speranțe în ea - în industria energetică și auto - superflywheel nu și-a găsit aplicație în masă. În urmă cu câțiva ani, compania americană Beacon Power a pus în funcțiune o mică stație de stocare a energiei superflywheel în apropiere de New York, dar astăzi nu s-a auzit nimic despre proiect, iar compania însăși se găsește.

Nurbey Gulia încă lucrează la îmbunătățirea creierului său și în urmă cu un an a anunțat posibilitatea de a construi un supervolant cu grafen (cu o capacitate energetică specifică estimată de 1,2 kWh/kg, adică un ordin de mărime mai mare decât bateriile litiu-ion). Dar, dacă am înțeles bine, a obținut succes comercial cu cealaltă dezvoltare a lui (supervariator, transmisie mecanică originală), dar din anumite motive super-volantul rămâne un semn de întrebare.

P.S. L-am rugat pe Nurbey Vladimirovici să participe la discuție (deși speranța, după cum înțelegeți, este slabă: pe site-ul său personal este în mod natural copleșit de fani).

„Active fixe” completează publicarea unei serii de materiale privind principalele tipuri de antrenări auxiliare instalate pe vehiculele de producție pentru a reduce nevoia de utilizare constantă a unui motor cu ardere internă. Să ne amintim o scurtă prezentare a soluțiilor similare care acoperă baterii, generatoare diesel și dispozitive capacitive de stocare (condensatoare), care a subliniat, de asemenea, o serie de alte abordări existente ale acestei probleme, precum și o poveste despre acționarea hidraulică auxiliară. Astăzi ne vom uita la tracțiunea cu volantă.

fundal

Pe parcurs, să clarificăm că unitățile auxiliare de lichid și aer sunt „frați gemeni”, deoarece uleiul stocat în rezervor și azotul stocat în cilindrul pneumatic se completează cu succes. Pe perechi sunt folosite de PSA Peugeot Sitroên, ale cărei vehicule sunt cel mai faimos exemplu de utilizare în serie a unui acumulator hidraulic pneumatic ca sursă auxiliară de tracțiune. Sub influența energiei cinetice, uleiul comprimă azotul din cilindru. Când azotul înlocuiește uleiul, un acumulator hidraulic pneumatic conectat la roți le adaugă cuplu. Acționarea pneumatică „curată”, ne amintim, a fost considerată de „OS” într-un articol cu ​​titlul elocvent „În loc de benzină, aer”.

De ce, apropo, transmisia hidrostatică este ignorată în materialele menționate? Faptul este că, conform rapoartelor din mass-media din industrie, funcționarea transmisiei hidrostatice, care asigură acționarea roților semiremorcii tractorului KamAZ-44108 (așa-numitul „tren rutier cu o remorcă activă”) necesită o „Stație autonomă de pompare” (cu motor cu ardere internă).

Completarea acestei selecții cu o scurtă descriere a acumulatorului volant utilizat ca sursă suplimentară de forță pare logică dintr-un alt motiv. Faptul este că următorul pas în această direcție este „utilizarea indirectă a unităților auxiliare ale vehiculelor”, să-i spunem așa. Vorbim despre dotarea unui vehicul cu mai multe dispozitive folosite în acest scop. Este un generator diesel cu acumulator sau stocare capacitivă (condensator) o soluție cunoscută de mult? Nu totul este atât de simplu și, prin urmare, cerem cititorilor noștri să-și amintească definiția propusă (în ceea ce privește compoziția celor mai noi „perechi de putere” auxiliare și ordinea funcționării lor) pentru o scurtă poveste despre ele în viitor, folosind exemplul a „barei de șa” Iveco-Glider și a autotrenului experimental Renault Optifuel (Lab 2). Apropo, în expoziția Iveco-Glider, acționarea auxiliară „senior” este volantul.

Acumulatorul volantului (fost și volant), utilizat ca sursă auxiliară de forță și motorul „de răsucire” (după cum se știe, neeconomic în timpul accelerației la viteze mici), pe lângă scopul său, are o serie de alte diferențe. În primul rând, nu vorbim despre volantele cutiilor de viteze ale camioanelor vechi, care sunt familiare în subiectul „Teoria și proiectarea automobilului”. Volanul auxiliar, „de rezervă”, pe care îl luăm în considerare (spre deosebire de ele, din aliaje ușoare-compozite) se rotește într-un spațiu fără aer și, în unele cazuri, este amplasat orizontal (ceea ce necesită o antrenare cu angrenaje conice). Depozitare volantă în anii 1960. testat pe diferite clase de vehicule, în anii 1980 au revenit la testarea acestuia ca parte a unei mașini de pasageri Volvo (seria 200), iar mai târziu a „șauat” mașini de curse. Astăzi, în presa străină, întreaga zonă, inclusiv tractorul Glider - primul model industrial și de expoziție al acestei clase de echipamente care îl utilizează, este denumită KERS (Kinetic Energy Recovery System).

Cât de departe este CIS de a utiliza un acumulator volant pe linie, în ciuda faptului că crearea și dezvoltarea lui în această capacitate sunt asociate cu numele profesorului MGIU N.V. Gulia! Cu mâna ușoară a unui om de știință, un astfel de volant a devenit cunoscut cu prefixul „super”. Printre altele, a devenit clar că vorbim despre un volant instalat pe un vehicul în alt scop.

Proiecta

Scopul principal al promovării acestor unități este „secretul deschis”: eliminarea cheltuielilor de energie cinetică cu frecarea plăcuțelor de pe discurile de frână, care apare atunci când mașina încetinește, și conversia acesteia în rotație a volantului, care ulterior participă la conducerea vehiculului. O tracțiune cu volantă este conectată la una dintre osiile vehiculului într-un anumit mod. La frânare, se învârte printr-un arbore rotativ conectat la axa vehiculului. Continuând să se rotească după ce mașina se oprește, volantul „investește” în accelerația sa atunci când mișcarea se reia. Cu alte cuvinte, la frânare și la coborâri, energia cinetică nu se pierde în dispozitivele de frânare ale mașinii, ci este acumulată de volantul în cauză. Tracțiunea cu volant este solicitată în special în „ciclul urban” de mișcare, caracterizat prin porniri și frânări frecvente. Motorul cu ardere internă și acumulatorul volantului pot funcționa și separat și anume: motorul reîncarcă volantul, care apoi singur accelerează vehiculul (dar în acest caz, energia de frânare este returnată acumulatorului volantului).

Cea mai recentă generație de transmisii cu volantă (de exemplu, Torqstor) prezintă aliaje compozite pe bază de fibre de carbon și sunt amplasate într-un mediu fără aer pentru a reduce pierderile de putere. Volantele moderne, realizate, repetăm, din fibră de carbon, caracterizate prin înfășurare din fibră de carbon, sunt foarte durabile (la fel ca și carcasa de protecție); oțelul ca material pentru fabricarea lor este de domeniul trecutului. În unele cazuri, aliajul compozit al acționărilor cu volant este umplut cu pulbere magnetică, anulând simultan apariția curenților turbionari. În plus, un volant magnetizat în acest fel este capabil să funcționeze la temperaturi ridicate fără a-și compromite durata de viață. În cele mai noi mostre ale dispozitivelor luate în considerare, legătura mecanică a arborelui, a transmisiei volantului și a angrenajului principal a făcut loc în unele cazuri unuia magnetic, care elimină alunecarea arborilor rotativi. O transmisie variabilă continuu, cunoscută astăzi sub numele de transmisie cu variator compact (variator CVT, același Torotrak, anterior variator cu disc planetar), coordonează viteza de rotație a volantului și, în cele din urmă, cuplul roții, schimbă fără probleme raportul de viteză dintre intrare și arbori de iesire. Prezența sa și nivelul adecvat de fabricație sunt una dintre principalele condiții pentru utilizarea unei tracțiuni cu volant.

Acumularea de energie cinetică semnificativă necesită utilizarea volantelor de mare viteză. Viteza de rotație a probelor lor moderne ajunge la 60.000 rpm, greutatea lor variază de la 6 la 100 kg sau mai mult și, de exemplu, cu o putere de 100 kW stochează 200 kJ de energie. Sistemele de propulsie moderne pentru diferite clase de vehicule sunt oferite de Ricardo, Williams Hybrid Power, Flybrid Automotive (din 2014 - Grupul Torotrak).

Ricardo și-a prezentat cea mai recentă dezvoltare în 2014 ca parte a echipamentelor de construcție a drumurilor. Autobuzul de clasa mijlocie Optare (Solo Midibus) fabricat anterior, echipat cu un volant auxiliar Ricardo, a fost numit Flybus. Pe autobuzele din Londra, volantele companiei Williams Hybrid Power (care lucrează în această direcție la mașinile de curse de Formula 1, precum și departamentul de construcție de vagoane al asociației multidisciplinare franceze Alstom) au fost testate ca o unitate auxiliară. Să lămurim că, în cel mai faimos exemplu de utilizare a unui volant - apropo, în transportul rutei de pasageri - autobuzul gras Orlikon (1950, în Elveția, Congo, Belgia), a acționat ca principală sursă de tracțiune. pentru materialul rulant. Engleză FlyBrid Automotive (Torotrak Group) interacționează cu Volvo. Acest lucru a fost relatat în presa deschisă în contextul unui autoturism, dar compania suedeză este un producător de renume mondial de camioane grele și echipamente de construcție rutieră. În plus, ca și în cazul lui Ricardo, se cooperează cu producătorul de vehicule comerciale (Ford), precum și cu mărcile Jaguar și Rover.

Energia generată în timpul frânării este transformată în rotație a volantului și este utilizată pentru a conduce roțile vehiculului. Necesitatea de a utiliza motoare cu ardere internă în moduri cu eficiență scăzută este redusă proporțional - esența recuperării.

A fost neted pe hârtie, dar au uitat de râpe?

În afara orașului, volantul riscă să rămână fără „alimentare” din cauza numărului limitat de frânări (doar mișcarea „în jos” va ajuta). În cazul conducerii motorului cu ardere internă și a tracțiunii volantului pe diferite osii (se spune că aceasta este tracțiune integrală), există îngrijorări cu privire la stabilitatea materialului rulant. Designul transmisiei volantului determină, în special, precizia valorilor vitezei unghiulare, momentului de inerție, raporturilor de transmisie și controlului electronic. Cerințele pentru atenția sistemului de control sunt confirmate doar de posibilitatea șoferului de a participa la conectarea (folosind cheia de pe tabloul de bord) a tracțiunii volantului pentru a adăuga „putere” în timpul accelerației, accelerației (de exemplu, până la 80 CP în 7 secunde). ).

Merită osteneala să justifice utilizarea acumulatorilor de volantă pentru, probabil, indicatorul cheie - consumul de combustibil? Judecăți singuri, s-a raportat că în acest caz a scăzut cu 5-25% (limita superioară, desigur, pentru anumite moduri de conducere). Avantajele generale ale acționărilor cu volantă includ durata lungă de viață promisă de producătorii lor și absența necesității de elemente din pământuri rare (deși „bateriile” sunt acum din ce în ce mai folosite în transport pentru multe sarcini diferite). Caracteristicile de greutate și dimensiune ale dispozitivelor moderne de stocare a volantului devin din ce în ce mai atractive (posibilitatea de a le instala pe acoperișul tramvaielor moderne vorbește de la sine). În schimb, o scădere a capacității de transport (capacitate) a restrâns anterior în mare măsură utilizarea acestora. Ei bine, am parcurs un drum lung de la poziționarea acumulatorului de volantă din imagine, dar în Porsche RSR 2011, acumulatorul de energie giroscopic (cum este numit uneori) se află lângă șofer. Momentul ridicat de inerție ridică semne de întrebare cu privire la echilibrul manevrelor, deoarece volantul face zeci de mii de rotații pe minut.

Să clarificăm că tracțiunea cu volant este „prietenoasă” atât cu motorul cu ardere internă, cât și cu motorul electric. Mai mult, acumulatorul cu volant TorqStor de la Ricardo se reîncarcă atunci când brațul excavatorului este coborât. Printre altele, acest lucru anulează argumentele pentru utilizarea acestui tip de condus doar atunci când vehiculul frânează. În plus, controlul volantului auxiliar poate include supape electro-hidraulice și o pompă hidraulică acționată electric. Să adăugăm pe cea finalizată în a doua jumătate a anilor 1980. de către angajații MADI, MAMI, MASI (MGIU), NAMI, modelarea matematică a utilizării unui acumulator cu volantă în LiAZ-5256 a inclus o transmisie hidraulică cu un singur flux. Masa „volanului” a fost de 35 kg, viteza de rotație a fost de până la 12.000 rpm, ceea ce este suficient pentru un autobuz.

Transportul feroviar și urban nu face excepție de la utilizarea experimentală a volantelor auxiliare. Se știe că transmisia SSM (Olanda) din 2004 a asigurat trecerea unui tramvai Alstom cu mai multe osii pe unul dintre podurile din Rotterdam fără pantograf. Echipate cu un acumulator de volant (energie de frânare și în timpul rulării în rulare, cu participarea ulterioară la accelerare împreună cu motorul cu ardere internă), autobuzele feroviare ușoare Rail PPM sunt disponibile de la mijlocul anilor 2000. transportă pasageri pe linia inactivă Stourbridge din comitatul englez West Midlands.

Este important ca în orașele din SUA (Philadelphia și o serie de altele) să fi început utilizarea volantelor staționare (tot din fibre de carbon), instalate la stațiile de metrou și care stochează energia generată la frânarea trenurilor cu transferul ulterior la contact. șină sau cablu de alimentare. O caracteristică specială a utilizării unităților luate în considerare în acest caz sunt numeroșii participanți la proiect.

La trenurile electrice cu opriri și accelerații frecvente, acumularea energiei cinetice în timpul frânării și utilizarea acesteia pentru accelerarea ulterioară este extrem de importantă. Pentru a face acest lucru, puteți utiliza volantul ca dispozitiv de stocare a energiei.

Să evaluăm capacitățile energetice ale volantului. Energia cinetică de rotație este egală cu

Unde J– momentul de inerție al volantului față de axa de rotație, ω - viteză unghiulară. Să fie, de exemplu, volantul să aibă forma unui inel cu un moment de inerție J = mR2. Inelul este conectat la butucul arborelui, de exemplu prin spițe, a căror masă este relativ mică (Fig. 11.3).

Să determinăm cea mai mare viteză de rotație fără ruperea inelului de către forțele centrifuge. În secțiunea transversală a inelului, forțele centrifuge provoacă forțe de tracțiune. Pentru a le determina, să tăiem mental din inel un element mic de lungime dl = Rdα. Să luăm în considerare echilibrul unui element inel. În cadrul de referință „inel”, acesta este acționat de forța centrifugă de inerție dF cb = dm ω 2 R. Masa elementului este egală cu produsul densității materialului ρ pe volum: dm = ρ S R dα. Aici S- arie a secțiunii transversale. Atunci mărimea forței centrifuge care acționează asupra elementului va fi egală cu dF cb = ρ S ω 2 R 2 dα.

Din partea inelului din secțiunea tăieturii, asupra elementului acționează două forțe de tracțiune de mărime egală: F 1 și F 2. Conform condiției de echilibru, suma forțelor trebuie să fie egală cu zero: Din triunghiul forțelor (Fig. 12.3).. Înlocuind formula pentru forța centrifugă, obținem forța care rupe inelul

F = ρ S R 2 ω 2 .(11.7)

Tensiunile de tracțiune nu trebuie să depășească rezistența la tracțiune a materialului . De unde viteza maximă admisă de rotație a volantului va fi egală cu

(11.8)

Înlocuind valoarea limită a vitezei unghiulare de rotație în formula pentru energia cinetică a volantului, obținem cantitatea de energie pe care o poate stoca un volant rotativ fără pericolul de rupere.

. (11.9)

De exemplu, energia mecanică a unui tren electric cu o greutate de 200 de tone, la o viteză inițială V= 15 m/s, va fi 22,5 MJ. Apoi volumul unui volant de oțel cu efort admisibil σ pr = 0,5∙10 9 N/m 2 . Nu atat de mult.

Sarcini

1. La frânarea regenerativă a unui tren cu o greutate de 360 ​​de tone pentru a asigura o mișcare uniformă pe o coborâre de 5 m înălțime, energia este stocată într-un volant sub formă de disc cu o masă de 1,0 tone și o rază de 1 m. Determinați viteza de rotaţie a volantului la sfârşitul coborârii. Neglijați pierderile prin frecare.

2. O plăcuță de frână este presată pe scripetele unui motor de tracțiune instalat pe suport cu o forță de 1,0 kN. Determinați puterea motorului la o viteză de rotație de 1200 rpm, dacă diametrul scripetei este de 0,20 m, coeficientul de frecare de alunecare este de 0,20.

3. Stabiliți de câte ori diferă energia cinetică a unei mașini cu o greutate de 40 de tone cu și fără a lua în considerare energia de rotație a roților. Masa roților este de 1800 kg, raza lor este de 0,51 m Roțile sunt considerate discuri omogene.

4. O pereche de roți cu o masă de 1400 kg rulează pe o înclinație cu o pantă de 0,010 cu o viteză de 1 m/s. Determinați energia cinetică dacă roțile sunt considerate discuri. Cât de departe va parcurge perechea de roți dacă coeficientul de frecare la rulare este 0,005? Determinați forța de aderență dintre roți și șine.

5. Stabiliți ce distanță suplimentară ar putea parcurge un autoturism cu o greutate de 40 de tone cu o viteză de 10 m/s, dacă luăm în considerare și energia cinetică a armăturii motorului electric cu un moment de inerție de 50 kg m 2. Raportul de transmisie este 5,2. Coeficient de rezistență 0,003 Diametrul roții 1,02 m.

6. Cu ce ​​viteză se va rostogoli o mașină goală cu o greutate de 20 de tone de pe o cocoașă de 2 m înălțime și 120 m lungime dacă masa tuturor roților este de 6 tone. Roțile sunt considerate discuri cu diametrul de 1,02 m.

7. O pereche de roți se rostogolește pe un deal de 0,50 m înălțime și 15 m lungime Ce viteză vor dobândi roțile la sfârșitul coborârii? Coeficient de rezistență 0,004. Determinați mărimea și direcția forței de aderență. Roțile sunt considerate discuri omogene.

12. LEGEA CONSERVĂRII MOMENTUMULUI

Importanța momentului unghiular în mecanică se datorează faptului că, alături de impuls și energie, are proprietatea de a fi conservat în sisteme închise de corpuri.

Impuls

A-priorie, Momentul unghiular al unui punct material este un vector egal cu produsul vectorial dintre vectorul rază al punctului și vectorul moment:

. (12.1)

Să derivăm formula pentru momentul unghiular al unui corp rigid în timpul rotației în jurul unei axe fixe. Lăsați un corp rigid să se rotească în jurul unei axe fixe. Traiectoriile tuturor punctelor corpului sunt cercuri concentrice. Pentru un anumit punct la viteza , momentul unghiular este egal cu Extinderea produsului vector dublu, obținem . Să însumăm momentul unghiular al tuturor punctelor corpului: . Prin definiție, suma produselor maselor particulelor unui corp cu pătratele distanțelor lor față de axa de rotație este momentul de inerție al corpului. J. Apoi Momentul unghiular al unui corp rigid față de o axă fixă ​​de rotație este egal cu produsul dintre momentul de inerție al corpului și viteza unghiulară:

. (12.2)

Momentul unghiular, ca și viteza unghiulară, este un vector axial, a cărui direcție este determinată de regula brațelor. Dacă rotiți mânerele braței împreună cu corpul, atunci mișcarea de translație a braței coincide cu direcția vectorului moment unghiular de-a lungul axei de rotație.

Nu vor trebui ținute calde peste noapte pe vreme rece. Vor fi mult mai ieftine decât cele obișnuite, deoarece plasticul este mai ieftin decât metalele neferoase. Durata de viață a acestora va depăși durata de viață a mașinii în sine. Acestea vor fi încărcate din motoare electrice, din surse de energie staționare.

Acest inertioizi sau volante. Ei acumulează energie și apoi o eliberează consumatorilor, după cum este necesar. Cu un volant mare, nu este necesar un motor cu ardere internă. Energia poate fi stocată și în benzinării, folosind motoare electrice puternice pentru a accelera unul sau mai multe volante. Sunt amplasate într-un spațiu etanș fără aer și sunt suspendate pe magneți puternici.

Ei sunt numiti, cunoscuti supervolante, deoarece stochează energie de mii de ori mai mult decât volantele convenționale. Au fost inventate acum 50 de ani de omul de știință rus N. Gulia, dar nu au fost utilizate pe scară largă. Doar dezvoltări artizanale izolate - cărucioare care au înlocuit mașinile electrice.

Și acum această invenție a fost reprodusă la scară industrială în America. Acolo, superflywheels sunt instalate în containere de 17 tone. Și pot stoca și elibera 1,7 megawați de energie! Ele sunt utilizate pentru a stabiliza supratensiunile rețelei electrice. În Rusia, sistemul energetic unificat nu are nevoie de astfel de stabilizatori, deoarece funcționează conform unei scheme mai fiabile.

Totuși, dacă, în construcții, și oriunde este necesar, poți economisi aproape jumătate din petrolul și gazul folosit! Nu va fi nevoie să încălziți motoarele reci iarna, doar așezați-vă și plecați.

Morile de vânt chiar și de putere mică pot produce putere mare prin stocarea acesteia în astfel de acumulatori de energie. Tocmai am schimbat volantul mașinii sau l-am reîncărcat - rotiți volantele oprite și puteți conduce din nou. De departe și de mult.

În comparație cu superflywheels, acestea câștigă din toate punctele de vedere. Sunt mai durabile, mai simple și mai ieftine de fabricat și, cel mai important, sunt ecologice. Și stochează mult mai multă energie în mult mai puțin timp. De asemenea, dau.

De asemenea, volantele pot furniza putere fără a transfera inerția corpului. De exemplu, un burghiu electric de mare putere încearcă să scape din mâinile tale din cauza inerției de la burghiu. Dacă instalați un volant în loc de un motor electric, acesta va găuri cu orice forță și aproape că se va menține pe loc. Mai mult, efectul giroscopic va contribui la găurirea unui orificiu perfect uniform, ca pe o mașină. Volanul nerăsucit al burghiului îl va împiedica să vibreze în mâinile tale.

În general, vă așteaptă un confort energetic fără precedent și alte beneficii ale civilizației. Doar cineva trebuie să facă ceva sau, ca întotdeauna, va trebui să cumpere de acolo.

push-pull cu rotor dublu

macaraua, excavatorul etc.) legate printr-o biela. Dacă accelerați volantul din dreapta, cel din stânga (poziția „a”) va începe să accelereze ușor și va atinge (poziția „b”) viteza maximă de rotație. Volanul drept în acest moment, după ce a renunțat la toată energia sa cinetică, se va opri. Rotindu-se mai departe, volantul din stânga îl va accelera pe cel din dreapta (poziția „c”), iar când se oprește, îl va lansa pe cel din stânga (poziția „d”). Adică, după cum ați ghicit, următoarea poziție va fi „a”, iar procesul se va repeta din nou și din nou.

Pe model, accelerarea și decelerația volantelor, chiar și după o ușoară apăsare, s-a repetat de zeci de ori. Aceasta este o dovadă a eficienței ridicate. recuperare.

Curând ne-am dat seama că într-un mod similar am putea recupera energia mișcărilor reciproce. Pentru testare, am realizat un cărucior (vezi fotografia) cu un cremalier și un angrenaj care transformă mișcarea de translație în mișcare de rotație (balancare). A existat un singur volant real, rolul celui de-al doilea era jucat de o manivelă conectată printr-o viteză de viteză. Când a lovit peretele, căruciorul a sărit, a lovit peretele opus, a sărit din nou, cu alte cuvinte -

Diagrama și principalele faze de funcționare ale unui recuperator de energie în volant.

Nurbey GULIA,

profesor, doctor în științe tehnice

Să ne amintim axioma - cu cât un robot este mai productiv, cu atât piesele sale de lucru efectuează mai repede mișcări alternative și de balansare, cu atât consumă mai multă energie. Și numai pentru afaceri! La urma urmei, aproape tot trebuie stins în timpul opririlor obligatorii ale pieselor de lucru și transformat în căldură inutilă în frâne.

O abordare originală pentru rezolvarea problemei veche a fost conturată la Institutul de Inginerie Mecanică al Academiei de Științe a URSS. Sub conducerea doctorului în științe tehnice A.I Korendyasev, acolo au fost dezvoltați așa-numiții roboți cu vibrații. În ele, la frânare, energia este absorbită de arcuri, care apoi, îndreptându-se, o eliberează pentru a deplasa piesele de lucru. O astfel de recuperare a energiei reduce consumul de energie și, în consecință, necesarul de energie cu aproximativ un ordin de mărime.

Dar suntem încrezători că un grad și mai mare de recuperare este foarte posibil. Am început să lucrez la recuperarea energiei cinetice la frânarea mașinilor încă din anii 60, am scris despre asta în TM (vezi nr. 11, 1972). Există o mulțime de energie într-o mașină în mișcare, dar dacă o acumulați într-un arc, atunci masa unei astfel de baterii nu va fi mai mică decât masa mașinii în sine. Și primăvara nu absoarbe atât de multă energie. Volanele sunt mult mai profitabile aici. Am calculat, să zicem, că dacă un volant și un arc sunt fabricate din același material, de exemplu sârmă de oțel, atunci pentru a acumula energie egală masa volantului va fi de mii de ori mai mică decât arcul. Volanele răsucite din fire, benzi și fibre organice (se numesc superflywheels), pe lângă intensitatea ridicată a energiei, au un avantaj foarte valoros - nu sunt în pericol de defecțiune accidentală.

Fizica stocării energiei în arcuri și volante este, de asemenea, diferită.

Dacă cititorul este interesat de acest lucru și dorește să știe despre structura dispozitivelor de stocare a energiei cu arc și volant, vă sfătuiesc să consultați articolele mele „Dispozitive de stocare a energiei elastice” („TM” nr. 6 pentru 1974) și „Primul Cercul volantului” („TM” Nr. 6 pentru anul 1973).

Când dezvoltăm recuperatoare de volantă cu intensitate energetică mare, ne-am gândit în primul rând la mașini. Dar când unul dintre modele, inventat împreună cu studentul meu (acum cercetător senior, candidat la științe tehnice) I.D. Yudovsky, a fost fabricat și testat, ni s-au amintit de excavatoare, manipulatoare și roboți, într-un cuvânt, mașini care fac viraje rapide. , mișcări de balansare și alternativă.

Acest recuperator avea două volante (una imita destul de exact mișcarea corpului de lucru al unui robot sau manipulator, str.