СПОСОБ РАБОТЫ СИЛОВОГО ПРИВОДА ВРАЩЕНИЯ И ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
OPERATION METHOD OF POWER ROTATION DRIVE AND POWER PLANT FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам работы силовых приводов вращательного движения, в частности к инерционным системам накопления и преобразования энергии, и может быть использовано для привода различных машин, транспортных средств и др.
Известны инерционные (маховичные) двигатели, в которых энергия запасается в виде механической энергии быстровращающегося ротора, а затем используется для приведения в действие различных устройств (см., например, Гулиа Н.В. Инерция. - М.: Наука, 1982; Гулиа Н.В. Инерционные аккумуляторы энергии. Воронеж. Изд-во Воронежского университета, 1973). В известных инерционных двигателях на совершение полезной работы расходуется кинетическая энергия вращения маховичного аккумулятора, который в результате тормозится.
Известны устройства в виде передач вращения с аккумулированием и повторной отдачей энергии, в которых для этого используется вращение неуравновешенных масс (например, DE 2612035 A1, опубл. 22.03.1976; FR 1588205, опубл. 10.04.1970; US 3960036, 01.06.1976). В частности, известно устройство ускорения масс и преобразования энергии (патент US 4498357, опубл. 12.02.1985), в котором используют механизм прерывистого движения, содержащего рабочее звено, согласно которому с помощью источника механических колебаний создают знакопеременный момент вращения и прикладывают его к рабочему звену, выполненному с возможностью вращения.
Недостатком известных технических решений является то, что в них двигатель, предназначенный для вращения неуравновешенных масс (дебаланс), установлен за пределами общей вращающейся платформы с дебалансами на неподвижном основании. По этой причине сила механического сопротивления нагрузки, приложенная к рабочему звену, воздействует в конечном счете и на вал привода дебалансов.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков с целью повышения кпд и стабилизации работы силового привода вращения, в частности за счет снижения или исключения противодействия момента трения элементов привода вращению вала приводного двигателя
Для решения поставленной технической задачи предлагается способ работы силового привода вращательного движения с использованием механизма прерывистого движения, содержащего рабочее звено, согласно которому с помощью источника механических колебаний создают знакопеременный момент вращения и прикладывают его к рабочему звену, выполненному с возможностью вращения. Новым является то, что в качестве источника колебаний применяют центробежный вибратор в виде не менее одного элемента с неуравновешенной массой, который свободно вращают двигателем, аксиально рабочему звену с заданной частотой, при этом двигатель и элемент с неуравновешенной массой устанавливают на рабочем звене, а в механизме прерывистого движения используют, по меньшей мере, одну обгонную муфту.
Предлагаемая электростанция, реализующая заявленный способ, содержит электрогенератор, силовой привод для его вращения и устройство управления. Новым в электростанции является то, что силовой привод содержит основание, на котором установлен по крайней мере первый узел, выполненный с возможностью одностороннего вращения и содержащий ведущее звено для передачи рабочего момента, задающий привод, включающий двигатель, передающий вращение не менее одному элементу с неуравновешенной массой на оси, расположенной на первом узле аксиально вращению ведущего звена, при этом кинематическая цепь между ведущим звеном и конечным, ведомым звеном, содержит второй узел, выполненный с возможностью передачи рабочего момента в одном направлении.
В задающем приводе может использоваться по крайней мере один электродвигатель, у которого ротор или статор выполнены с неуравновешенной массой.
Элемент или элементы с неуравновешенной массой могут соединены с двигателем посредством редуктора.
Электродвигатель может устанавливаться на первом узле соосно с ведущим звеном и выполнен с возможностью синхронно-симметричного вращения двух и более элементов с неуравновешенной массой.
При этом элементы с неуравновешенной массой могут быть выполнены в виде неуравновешенных ведомых зубчатых колес, кинематически соединенных с общим ведущим зубчатым колесом, соединенным с валом электродвигателя.
Первый узел может быть соединен с основанием через обгонную муфту.
Во втором узле может использоваться вторая обгонная муфта.
Электростанция может снабжаться ускоряющим редуктором (мультипликатором), тихоходное звено которого кинематически соединено с ведущим звеном, а быстроходное звено которого соединено с нагрузкой, например с ротором электрогенератора.
Y
4
22
Изобретение поясняется с использованием чертежей, на которых представлено: фиг.1 - общий вид электростанции; фиг.2 - вид А с фиг.1; фиг.3 - кинематическая схема электростанции; фиг.4 - вид Б с фиг.3; и фиг.5 - графики: F (t)- центробежной силы; Ω(t) - угловой скорости ведущего звена; Ω(1) - угловой скорости ротора электрогенератора.
Введены следующие цифровые обозначения: 1 - основание, 2 - неподвижная ось, 3 - первая обгонная муфта, 4 - зубчатое колесо, 5 - платформа, 6 - электродвигатель, 7 - вал электродвигателя, 8 - ведущая шестерня, 9 и 10 - ведомые шестерни, 11 и 12 - оси вращения, 13 и 14 - дебалансные массы, 15 - токосъемник, 16 - шестерня, 17 - зубчатое колесо, 18 - ось, 19 - шестерня, 20 - вторая обгонная муфта, 21 - электрогенератор, 22 - вал ротора электрогенератора, 23 - фундамент.
Y
X
Кроме того, введены буквенные обозначения: Х и Y - координатные оси; Ω - угловая скорость вращения платформы 5 и ведущего зубчатого колеса 4; ω - угловая скорость вращения массы 14; r - радиус вращения массы 14; R - радиус переносного вращения оси 12; F - центробежная сила; F - проекция центробежной силы F на ось Y; F - проекция центробежной силы F на ось X. Изогнутые стрелки обозначают направления вращения и момента.
Электростанция содержит основание 1, на котором выполнена неподвижная ось 2 с насаженной на нее первой обгонной муфтой 3. Внутреннее кольцо муфты 3 неподвижно, а ее внешнее кольцо может свободно вращаться только в одном направлении. На внешнем кольце муфты 3 закреплен первый узел, включающий рабочее (ведущее) звено, в качестве которого используется зубчатое колесо 4, жестко соединенное с платформой 5, содержащей задающий привод. Задающий привод включает электродвигатель 6, механизм передачи вращения от него к дебалансам, содержащий ось 7 двигателя 6 с насаженной на нее шестерней 8, находящейся в зацеплении с шестернями 9 и 10, на которых выполнены дебалансы 14 и 13. Шестерни 9 и 10 выполнены с возможностью свободного вращения на осях 12 и 11, установленных на платформе 5. Токосъемник 15 предназначен для подвода электропитания к электродвигателю 6. Шестерня 16 и зубчатое 17 установлены на общей оси 18 с возможностью вращения. Кинематическая цепь из зубчатых колес 4, 16 и 17 передает рабочий момент второму узлу. Второй узел содержит ведомую шестерню 19, вторую обгонную муфту 20, вал 22, генератор 21. При этом шестерня 19 соединена с внешним кольцом муфты 20, внутреннее кольцо которой соединено с валом 22 ротора электрогенератора 21, статор которого укреплен неподвижно на основании 1. Муфта 20 передает на вал 22 рабочий момент при увеличении скорости вращения шестерни 19 и размыкает кинематическую цепь - при уменьшении скорости вращения шестерни 19, в соответствии с графиком, представленным на фиг.5.
Y
Электростанция работает следующим образом. От источника подают электропитание на электродвигатель 6. Последний набирает обороты до номинальной частоты вращения и раскручивает шестерни 9 и 10 с дебалансными массами 14 и 13 до частоты со. Вращение, например, массы 14 порождает центробежную силу F. Она всегда действует вдоль радиуса r, перпендикулярно оси 12, поэтому начало вектора силы F можно поместить в центре 12 (фиг.4). Ее проекция F на ось Y изменяется по гармоническому закону:
X
Y
где m - масса 14 (см., например, Яблонский А.А. Курс теоретической механики. Ч. II. Динамика. M., Высшая школа, 1971, стр.142). Проекция силы F на ось Х равна F. Равнодействующая центробежных сил вдоль оси Х всегда равна нулю, т.к. они взаимно уравновешены симметрично расположенными дебалансами. Составляющая центробежной силы F создает рабочий момент M относительно оси 2, приложенный к ведущему зубчатому колесу 4 величиной:
Y
тр
тр
тр
Y
т
Y
тр
Вектор силы F - всегда перпендикулярен радиусу R. Одновременно, к зубчатому колесу 4 и к платформе 5 приложен момент трения (механическая нагрузка) М. Момент трения М создает сила трения F, которая всегда перпендикулярна радиусу R, действует вдоль прямой, совпадающей с вектором F и приложена к оси 12, противоположно последнему. При этом тангенциальная сила F, создаваемая двигателем 6 и вращающая дебаланс 14, в свою очередь всегда направлена перпендикулярно к вектору F. Это означает, что момент М не противодействует вращению вала 7 двигателя 6, за счет чего несколько повышается кпд и происходит стабилизация работы привода устройства в целом.
Следует обратить внимание на то, что центробежная сила относится к силам инерции, а последние являются внешними силами для любой механической системы. Это означает, что рабочий момент М, приложенный к колесу 4, является моментом внешней силы и, в конечном счете, приложен через ось 2 к основанию 1. Поэтому основание 1 должно быть надежно закреплено на фундаменте 23. При использовании способа в устройствах, предназначенных для размещения на транспортных средствах, необходимо устанавливать два одинаковых узла с противоположным направлением рабочих моментов, чтобы взаимно уравновесить их воздействие на транспортное средство.