|
|
|
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. |
  |