УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕКУПЕРАЦИИ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ ("ЭНЕРГОФИНИШЕР")

Полезная модель относится к области получения механической (электрической) энергии для бытовых и промышленных нужд.
Известно устройство - тросовый финишер - являющееся основным средством ускоренного торможения палубных самолетов во время их посадки на корабль (аэрофинишер). Аэрофинишер представляет собой трос, который через систему блоков натянут горизонтально на высоте 10-15 см над палубой в начале посадочной полосы перпендикулярно направлению движения садящегося самолета. Концы натянутого троса, через систему блоков, намотаны на барабан, способный вращаться вокруг своей оси, и закреплены на нем. Длина каждого конца троса, намотанного на барабане, превышает длину максимального тормозного пути садящегося самолета. Барабан смонтирован на раме. Положение рамы жестко фиксируется на палубе. Ось барабана соединена с фрикционным гидротормозом, совмещенным с воздушным аккумулятором. Система управления аэрофинишером присоединена к гидротормозу.
При посадке самолет зацепляет трос аэрофинишера посадочным гаком (крюком), расположенным под хвостовой частью. Тросовая система растягивается, плунжер гидротормоза входит внутрь цилиндра и вытесняет из него тормозную жидкость через калиброванное отверстие в воздушный аккумулятор, обеспечивая торможение самолета по заданной программе. После отщепления самолета от троса сжатый воздух, расширяясь, возвращает поршень и связанный с ним тормозной трос в исходное положение. Аэрофинишер управляется со специального пульта, допускающего перенастройку на посадку самолетов различной массы.
Задачей заявляемой полезной модели является расширение арсенала средств рекуперации кинетической энергии останавливающихся транспортных средств, в частности - железнодорожных составов, в электрическую энергию.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство - энергофинишер - как и обычный тросовый финишер (в частности - аэрофинишер) состоит из троса, закрепленного барабане и намотанного на нем, за другой конец троса должно будет зацепляться останавливаемое транспортное средство. Длина намотанного на барабан троса не менее максимального тормозного пути останавливаемого транспортного средства.
Барабан может вращаться вокруг своей оси, ось барабана зафиксирована на раме, а рама, в свою очередь, жестко зафиксирована на фундаменте. Ось барабана соединена с тормозным устройством. Система управления энергофинишером подсоединена к тормозному устройству.
Предлагаемая полезная модель отличается от финишера тем, что один конец троса закреплен на барабане, а на свободном конце троса смонтирована петля в виде овала для ее зацепления за крюк замедляемого транспортного средства; петля в том случае, когда трос полностью намотан на барабан, располагается на барабане таким образом, что плоскость петли расположена в плоскости, проходящей через ось барабана, один («нижний») край петли находится на уровне витков намотанного на барабан троса, а другой край петли выступает над витками намотанного троса; ось барабана расположена параллельно поверхности земли и перпендикулярно направлению движения замедляемого транспортного средства; ось вращения барабана расположена на такой глубине по отношению плоскости движения транспортного средства, что петля для зацепления за крюк останавливаемого транспортного средства, при вращении барабана, оказываясь в верхней четверти дуги описываемой ею окружности, одновременно оказывается на пути крюка движущегося над ней транспортного средства, что позволяет зацепиться за нее крюком движущемуся над ней (и попутно ей) транспортному средству; вместо гидротормоза в энергофинишере (в качестве тормозного устройства - регулятора силы, определяющей натяжение троса) используется механический аккумулятор энергии - маховик (или несколько маховиков) с переменным моментом инерции, который через одну трансмиссию соединен с осью барабана, а через другую трансмиссию соединен с валом электрического генератора; ось барабана, через трансмиссию, соединена с электродвигателем; на пути движения транспортного средства, перед зоной торможения, смонтированы датчики положения и скорости транспортного средства; система управления подключена маховиковому накопителю энергии, к трансмиссиям, к электродвигателю и к датчикам; система управления выполнена в виде процессора с исполнительными механизмами.
В исходном положении трос энергофинишера намотан на барабан. Барабан покоится. Барабан соединен трансмиссией с электродвигателем. Маховик отсоединен от барабана и, в зависимости от запасенной им энергии и от конструктивного решения системы трансмиссии, может быть либо присоединен к генератору, либо отсоединен от него, имеет минимальный момент инерции, и в режиме ожидания транспортного средства, которое необходимо остановить, вращается с угловой скоростью оптимальной для момента зацепления петли энергофинишера с крюком транспортного средства для начала последующего торможения
транспортного средства. Величина скорости вращения маховика в «режиме ожидания» определяется конструктивным решением устройства.
При приближении транспортного средства к зоне торможения система управления, по сигналам с датчиков, определяет момент прохождения и скорость движения останавливаемого транспортного средства над барабаном энергофинишера. В соответствии с этим, система управления включает электродвигатель и начинает раскручивать барабан. Цель раскручивания барабана - исключить или существенно уменьшить ударные нагрузки на энергофинишер и останавливаемое транспортное средство в момент зацепления крюка транспортного средства за петлю на конце троса энергофинишера. Условия плавного зацепления крюка транспортного средства за трос энергофинишера таковы: во время прохождения крюка транспортного средства над барабаном энергофинишера петля, во-первых, должна находиться в верхней четверти дуги окружности, и, во-вторых, линейная скорость движения петли должна быть на 5-7% меньше текущего значения скорости движения транспортного средства. Конкретное значение величины превышения скорости транспортного средства над линейной скоростью движения петли определяется конструктивными решениями и двумя противоречивыми требованиями: с одной стороны -уменьшение ударных нагрузок, с другой - надежное зацепление крюком транспортного средства петли энергофинишера.
Движущееся транспортное средство, которое необходимо затормозить, проходит над барабаном энергофинишера в нужной фазе вращательного движения петли, один из тормозных крюков транспортного средства догоняет петлю и зацепляет ее. С этого момента энергофинишер работает следующим образом: транспортное средство, продолжая свое движение по инерции, разматывает трос с барабана; система управления отключает электродвигатель от питания и, через трансмиссию, разъединяет валы электродвигателя и барабана, одновременно, через трансмиссию, соединяя валы барабана и маховикового накопителя энергии. Дальнейшее торможение транспортного средства по заданной программе сводится к увеличению системой управления по соответствующей программе момента инерции маховика. В результате увеличения момента инерции маховика увеличивается сила сопротивления разматыванию троса с барабана, а, значит, происходит торможение транспортного средства.
Кинетическая энергия замедляемого транспортного средства (например, железнодорожного состава) трансформируется в кинетическую энергию вращательного движения механического аккумулятора - маховика, а с него, через соответствующую трансмиссию, энергия передается на вал электрического генератора. Часть энергии,
запасенная механическим аккумулятором, расходуется на приведение энергофинишера в исходное состояние - сматывание растянутого троса на барабан.
Целесообразность использования предлагаемой полезной модели, в частности, при торможении железнодорожных составов, вытекает из следующего.
Кинетическая энергия железнодорожного состава из 100 вагонов, масса каждого из которых 60 тн, при скорости движения перед началом торможения 72 км/час, равна 1200 МДж (333,3 кВт*часа). При торможении за сутки 200 железнодорожных составов указанных выше параметров на трение расходуется 2,8 МВт средней мощности, значительная часть которой может быть утилизирована.
Использование энергофинишера для торможения и последующей остановки железнодорожного состава, кроме съема энергии, позволяет значительно уменьшить износ рельсов, колесных пар и тормозных устройств подвижного состава из-за того, что при остановке состава энергофинишером исключено трение, силой которого состав останавливается без использования энергофинишера, что составит дополнительную экономическую выгоду от использования энергофинишера.
Кроме того, при торможении железнодорожных составов с использованием энергофинишера уменьшается вероятность нештатных ситуаций, возникающих из-за невнимательности машиниста, поломки сигнализации, отказа тормозов (из-за поломки или вследствие метеоусловий).