![]() |
|
Пружина, которой на самом деле нет![]() ИЗОБРЕТЕН ПРОСТОЙ МАХОВИЧНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ — ПО МНЕНИЮ АВТОРА, САМЫЙ ПРОСТОЙ И ПРИМЕНИМЫЙ ВО МНОЖЕСТВЕ МАШИН, ОТ ИГРУШЕК И НАГЛЯДНЫХ ПОСОБИЙ ДО ШАГАЮЩИХ ЭКСКАВАТОРОВ (а. с. № 530132). Тележка катится, ударяется в стену рейкой — резко отскакивает назад. Толкаем тележку сильнее — мчится назад... Мы назвали ее рекуперативной. Она массивная, впереди — зубчатая рейка-упор. Кажется, что внутри тележки рейка связана с достаточно .мощной пружиной. Однако ни пружины, ни какого-либо другого упругого элемента — резины, воздушного цилиндра — там нет. Кроме того, можно заметить, как бы ни был силен толчок, рейка-упор всегда входила в тело тележки на одну и ту же длину. Такого не могло быть с обычным упругим элементом — он деформировался бы по-разному, в зависимости от силы толчка. И, пожалуй, самое странное, что, медленно нажимая пальцем на рейку, мы легко вдавливаем ее в тележку, и обратно она уже не возвращается, а нажимая резко, ясно чувствуем упругое сопротивление: отпущенная рейка стремительно вылетает в прежнее положение. ...Всем известны методы доказательств «от противного». Мы же авторы, так сказать, «изобретения от противного». А дело было так. Лет семь назад я рассказывал группе студентов о трудностях рекуперации энергии движущихся машин при торможении. Возможно, читатели заметили, что я много раз писал о рекуперации энергии, в том числе и на страницах ИРа. И я готов повторять и повторять где угодно, говорить популярно и с вьжладками, что рекуперация энергии — одна из главнейших проблем транспорта будущего. И вот один из студентов, Ося Юдовский, — теперь уже Иосиф Давидович, аспирант и мой соавтор по большому числу изобретений и научных трудов — заявил, что ничего трудного и проблематичного он в рекуперации не видит и что, более того, многие известные механизмы могут быть «по совместительству» рекуператорами энергии... ![]() Естественно, я возмутился, и, надо сказать, Ося тогда умел и сейчас не утратил способности выводить из себя своих учителей. Чтобы осадить зарвавшегося студента, я экспромтом нарисовал два круга-маховика, соединил их шатуном и поручил Юдовскому дома доказать, что этот механизм вовсе не рекуператор, хотя кинематически похож на него. Каково же было мое негодование, когда на следующий день Юдовский принес мне лист с расчетами и язвительно спросил: «А почему вы решили, что это не рекуператор?» Обсуждение началось с гневных слов, а кончилось восторженными: «Ося, ты гений! Пиши заявку!» И Ося написал, не забыв включить в авторы и меня. Поколебавшись немного я согласился. Все же свою роль в этой работе, правда, не совсем прямую, я сыграл. Так родилось наше первое «изобретение от противного» (а. с. № 530132). А вскоре мы изготовили действующую модель, с маховиками килограммов по десять каждый. Стоило крутануть резко один из маховиков, как энергия из него «перекачивалась» в другой. Первый маховик останавливался, второй разгонялся почти до максимальной скорости первого. Затем энергия «перекачивалась» снова в первый маховик и так далее. Затухало вращение маховиков после 10—20 таких циклов. Это доказывало, что КПД механизма как рекуператора энергии очень высок: рекуператор позволял практически полностью перекачивать энергию маховиков от одного к другому, доводя их поочередно до полной остановки, — на это не способны другие маховичные рекуператоры. Где можно использовать это изобретение? А хотя бы и в игрушках и наглядных пособиях для школьников, учащихся техникумов и студентов: модели рекуперативной тележки наглядно показывают, что сила упругости (восстанавливающая сила) может быть и динамического происхождения, может вызывать колебательные явления без какого-либо упругого элемента. Во «взрослой» технике изобретение применимо для рекуперации энергии в тех случаях, когда ее слишком мало для эффективной работы сложных маховичных и гидрогазовых рекуператоров, но слишком много, чтобы применить обычные пружины. Известно, что в единице массы маховики могут накопить в тысячи раз больше энергии, чем пружины. Но несмотря на то что в изобретении использован маховик, вся энергия должна быть накоплена в нем (т. е. маховик разогнан от нуля до максимальной угловой скорости) всего за четверть оборота! И если это упрощает дело при накоплении малых количеств энергии, то при больших энергиях на шатун, валы и прочие детали механизма будут во время торможения действовать весьма большие усилия: их не всегда могут воспринять обычные подшипники, шатуны, корпуса — без усложнения конструкции. Так, например, энергию поворотного движения платформы экскаватора, крана, поступательного движения грузоподъемных и других массивных низкоскоростных машин можно будет при торможении передать описанному рекуператору, а затем возвратить машине при ее разгоне. То же относится к быстродвижущимся, но легким экипажам типа микро мобилей — кинетическая энергия у этих устройств примерно того же порядка, что и у тяжелых низкоскоростных. И конечно, такой механизм целесообразно применять для поглощения и возврата энергии при остановке и ходе назад всякого рода тележек, ползунов, деталей станков, роботов, манипуляторов и пр., где путь торможения и разгона должен быть всегда одинаковым, не зависящим от скорости перед остановкой. Мне думается, что специалист, изобретатель, рационализатор, зная про существование «динамической пружины», сумеет найти ей применение в близком для него деле. Пользуясь случаем, отвечаю на вопросы читателей, поступившие после статьи «Отгородились броневой плитой» (ИР, 2, 79): что дает рекуперация энергии торможения экологии, экономике и непосредственно пассажиру городского транспорта — конкретно, в цифрах? Ориентировочно разобьем предвидимую пользу на несколько видов: экономия горючего, снижение химического и теплового загрязнения атмосферы, увеличение срока службы двигателя, тормозов и пр., увеличение производительности и средней скорости транспорта. ![]() Остановимся на экономии горючего или, если двигатель машины электрический, электроэнергии. Наибольший эффект здесь может быть достигнут на городском транспорте, работающем по так называемому замкнутому циклу, из нескольких основных этапов: разгона (затраты мощности и горючего на единицу пути, выделения выхлопных газов и их токсичных составляющих максимальны; передачи переключаются наиболее часто); установившегося движения (затраты мощности и горючего невелики, токсичность удовлетворительная); наката (расход горючего невелик, но выхлопные газы наиболее зловредны, скорость машины постепенно снижается); торможения (остаток кинетической энергии переводится тормозами в тепло; тормоза изнашиваются, двигатель при торможении и на остановке работает на холостом ходу, выделяя наиболее ядовитые газы). Рассмотрим по графикам, вычерченным в масштабе, как протекает замкнутый рабочий цикл для обычного автобуса и для автобуса с рекуперацией энергии. На рис. 1 — графики скоростей. По уже известным причинам, автобус с рекуператором разгоняется интенсивнее, быстрее переходит на установившийся режим движения, без переключения передач. Двигатель заводится автоматически, с хода. Накат не нужен, так как кинетическая энергия машины не пропадает. При торможении двигатель выключается. Продолжительность цикла с рекуперацией энергии, как видим, намного меньше, чем без нее, средняя скорость повышается на 20—30%. На рис. 2 — графики мощности силовой установки автобуса. Площади фигур, образованных линиями мощности и осью времени, характеризуют работу силовой установки без рекуператора и с ним и дают представление о расходе горючего, обычно пропорциональном произведенной работе. У автобуса без рекуператора наибольший расход горючего при разгоне. Автобус с рекуператором горючее при разгоне не расходует, мощность и работа здесь как бы отрицательны — они не выделяются, а накапливаются. Городские автобусы в результате могут экономить не менее 30% горючего. Интересно, что такую же экономию дает рекуперация энергии на поездах метро. И наконец, рис. 3 — влияние рекуперации энергии на выход токсичных газов. Рекуперация энергии устраняет большую часть процесса разгона, а также холостой ход Если сравнить соответствующие фигуры, видно, что площадь фигуры при рекуперации в два с лишним раза меньше площади фигуры без рекуперации. Как было отмечено ранее, рекуперация энергии увеличивает долговечность двигателя. Еще бы, двигатель в этом случае работает гораздо меньше по времени и с меньшей нагрузкой. Почти не изнашиваются фрикционные тормоза — машину тормозит рекуператор. По расчетам, каждый городской автобус, оснащенный системой рекуперации энергии, даст в год 1000—1500 руб. экономии. Американцы ожидают, что к 2000 году доля автомобилей, оснащенных системами рекуперации энергии, достигнет 15% всего автомобильного парка США. Это будет сберегать 50—80 млн. тонн горючего в год. |
![]() ![]() |
|