ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Инерция и рекуперация механической энерИнерция малых движений из "Инерция " Дело в том, что именно из-за инертности машины, чтобы ее стронуть с места, разогнать, необходимо приложить к ней силу. Эта сила разгоняет машину, но, действуя па каком-то участке пути, она совершает работу. Часть этой работы идет на преодоление сил сопротивлений, а другая, обычно большая, переходит в кинетическую энергию машины. Теперь машина обладает инерцией движения и, если не учитывать действующих на нее сил сопротивлений, будет двигаться равномерно и прямолинейно все время. Эти силы сопротивлений могут быть уравновешены движущими силами машины, и тогда возникает почти чистое инерционное движение. [c.63] Но вот машине надо остановиться. Тут уж инерция мешает это сделать. Можно, конечно, пустить машину двигаться накатом, но это не всегда приемлемо автобус, например, может пройти накатом около километра, а поезд — гораздо больше. Тормозить же надо обычно на пути, измеряемом двумя-тремя десятками метров, а то и меньше. [c.63] Проверим, много ли энергии переводит инерция в тепло таким образом. В качестве примера рассмотрим зависимость изменения доли кинетической энергии Е в общем расходе механической энергии от скорости движения транспортной машины v, сопротивлений ее движению р, а также расстояний между остановками S (рис. 3). Остановки транспортных машин, за исключением конвейеров и эскалаторов, практически неизбежны. Очень часто, например при движении городского транспорта — автобусов, троллейбусов, трамваев, поездов метро, остановки следуют одна за другой через каждые несколько сот метров. [c.64] На рис. 3 кривая 1 показывает зависимость изменения доли кинетической энергии от скорости движения машины при расстоянии между остановками 300 м (среднее расстояние между остановками автобуса) и сопротивлении движению 1,5% от силы тяжести машины. Кривая 2 отражает тот же процесс, но уже в зависимости от расстояния между остановками при максимальной скорости движения 60 км/ч и Toii же силе сопротивления движению. Кривая 3 характеризует зависимость Е от р при постоянных скорости и расстоянии между остановками — соответственно 60 км/ч и 300 м. [c.64] Из графика видно, что для современных машин цикличного действия — автобусов, троллейбусов, трамваев, поездов метро, пригородных поездов и аналогичных им —для наиболее эффективных рабочих циклов тратится с пользой около половины энергии, выработанной двигателем. Другая же половина переходит в кинетическую энергию с последующим ее переводом в тепло и рассеиванием при торможении. В будущем это соотношение энергий, несомненно, еще более ухудшится. [c.64] Значит, инерция транспортных и других циклично работающих машин вредна — она влечет за собой износ двигателя и тормозов, нагрев окружающей среды и т. д. Если бы реальные машины были безынерционными, их можно было бы разгонять и тормозить, не тратя на это сил и энергии. Но даже если в будущем человечество сумеет построить очень легкие транспортные средства из каких-либо сверхпрочных материалов, то все равно масса пассажиров и грузов останется прежней. Следовательно, надо изыскивать пути устранения вредного влияния инерции циклично работающих машин. [c.64] Чтобы машина двигалась с максимальной скоростью, практически достаточно свести момент инерции маховика аккумулятора /2 к 1% от Л. И наоборот, чтобы почти остановить машину, момент инерции маховика аккумулятора h должен стать примерно в 100 раз больше h. Иначе говоря, диапазон регулирования моментов инерции должен быть порядка 10 ООО. Это очень много. Этого не достигнуть изменением расстояний грузов от оси вращения, о чем говорилось выше. Но этого можно достигнуть изменением передаточного числа привода, соединяющего первый и второй маховики, если его поставить вместо жесткого вала. [c.66] Представим себе два маховика, закрепленные на стойках в подшипниках, при этом на валы маховиков намотана тонкая прочная лента, как на кассеты магнитофона. Лента выполнена одним куском, т. е. она переходит из одного мотка ветвью на другой моток. [c.66] Пусть вся лента намотана на валу маховика-аккумулятора и диаметр мотка раз в 10 больше диаметра вала. Маховик, имитирующий транспортное средство, разогнан это должно означать, что машина движется с достаточной скоростью. Маховик-аккумулятор с мотком ленты на его валу неподвижен. [c.66] Что же касается инерции, то она, можно сказать, тон е остается постоянной у всей системы. Так как угловая скорость вала все время постоянна, то постоянство инертности при наличии привода будет соблюдаться относительно некоторой его точки, тоже имеющей постоянную угловую или линейную скорость. Сперва такой точкой является вал одного маховика, затем, в конце процесса перемотки лепты, вал другого, а в промежутке эта точка будет перемещаться между валами по приводу. [c.67] Практическое осуществление такого типа привода, названного дискретным вариатором, требует возвратного хода — реверса ленты перед началом каждого цикла перемотки, сопровождаемой передачей (рекуперацией) энергии. [c.67] Работоспособность такого рекуператора механической энергии проверялась в стендовых условиях и на автомобиле. Опыты на автомобиле показали, что такая система вполне применима для транспортных машин. Кинетическая энергия автомобиля передавалась через дискретный вариатор маховику при торможении машины и обратно при ее разгоне. Торможение и разгон автомобиля протекали плавно, без рывков. Разгон не требовал участия двигателя, по крайней мере на первом его этапе, и это значительно сокращало расход горючего на каждом цикле торможения — разгона экономилось около половины горючего. [c.67] Американские специалисты подсчитали, во что обходится инерция нью-йоркскому метрополитену. В его парке 6700 вагонов. Если каждый вагон при остановке губит 120 млн. Дж энергии, а частота их следования 3—4 мин (в часы пик они ходят чаще), то за время между шестью утра и часом ночи, т. е. за 19 часов работы, каждый вагон переведет в тепло около 40 млрд. Дж энергии, а весь парк —почти 300 триллионов джоулей энергии, т. е. нью-йоркское метро способно обесточить небольшое государство, Если сохранить всего 30% энергии, с учетом всех затрат на системы рекуперации (которые отнюдь не дешевы), ежегодная экономия на нью-йоркском метро составит не менее 20 млн. долл. [c.68] Недостаток системы — в слишком дорогом и тяжололг электроприводе маховик массой 250 кг требует привода массой в 2 т с лишним. [c.69] Еще одно преимущество дискретного вариатора над любым другим приводом — он изменяет передаточное число автоматически так, что путь торможения и разгона при любой скорости остается постоянным. Если поставить на определенном расстоянии от места остановки поезда автостоп в виде луча света, магнита, просто механического контакта или любого другого сигнального устройства, включающего рекуператор, то поезд остановится точно в заданном месте. [c.70] Дискретный вариатор, выкачивая из маховика почти всю его кинетическую энергию, намного снижает среднюю угловую скорость его вращения. А это практически устраняет слон ную систему вакуумизации маховика, снижающей потери на трение о воздух (об этом подробнее в следующей главе). [c.70] Надо сказать, что помимо дискретного вариатора и электропривода, роль трансмиссии, соединяющей маховик и рабочий орган, например колеса машины, могут играть самые различные механизмы. [c.70] Небольшие количества кинетической энергии могут быть накоплены в маховике с приводом, включающим упругое звено. Привод с упругим звеном, например резиновой муфтой, подключается к трансмиссии машины с помощью фрикционной муфты. На первом этапе торможения основная часть энергии аккумулируется в упругом звене в виде потенциальной энергии. Затем по мере разгона маховика кинетическая энергия машины вместе с потенциальной энергией упругого звена переходит в маховик. Недостаток этого рекуператора в том, что в упругом звене должно накапливаться от четверти до половины всей К1шетпчес1 ой энергии машины (в зависимости от угловой скорости маховика перед торможением). А упругие звенья типа муфт в состоянии накопить только очень малые количества энергии, притом с небольшим КПД ее отдачи. Поэтому такой рекуператор на практике применения не получил. [c.70] Рекуператоры с маховиками называются инерционны ми рекуператорами или рекуперативными тормозами. [c.70] Вернуться к основной статье