Характеристика маховиков различного вида и использование их в технических средствах сервиса (стр. 4 из 5)

Часто функцию маховика выполняет массивный вращающийся элемент механизма. Такие как гончарный круг, массивные колеса водяной мельницы или массивные зубчатые колеса.

Помимо энергии, вращающийся маховик (как и любое вращающееся тело) обладает ещё и моментом импульса , с чем связано наблюдение гироскопического эффекта, заключающегося в прецессии оси вращения вокруг своего первоначального направления при появлении внешней силы, не совпадающей с направлением оси вращения.

Гироскопический эффект стал знаком человеку, когда он придумал игрушку волчок (йо-йо)

Одним из первых применений гироскопического эффекта стал переход от стрельбы круглыми ядрами к продолговатым снарядам, вращение которых позволило сохранять их ориентацию в пространстве, а продолговатая форма -значительно увеличить их массу (болванка) или же разрывной заряд.

Маховиком является и ротор гироскопа, используемого в гирокомпасах и вообще в гироскопических устройствах ориентации в пространстве , в частности торпед (прибор Обри), ракет и космических аппаратов. Наиболее привычные примеры маховика- велосипедное колесо или вращающийся диск электро-проигрывателя виниловых пластинок.

Свойство маховика сохранять направление оси вращения используется в успокоителях качки корабля.

Обзор типов маховиков

В настоящее время, существуют пять основных типов маховиков:

Диск с отверстием;

Обод со спицами;

Кольцевой маховик;

Супермаховик

Краткая характеристика и сравнительный анализ типов маховиков

Общеизвестно, что энергия каждого килограмма маховика зависит от его формы и прочности. Если сравнивать вышеуказанные типы маховиков по этим критериям, то сразу отпадает маховик в виде диска с отверстием как наиболее неэффективный. Как правило, это малая прочность материала, из которого он обычно изготавливается, т.е. стальные поковки или отливки. А крупные отливки или поковки даже из лучших сортов стали не слишком прочны. В таких изделиях невозможно избежать мельчайших дефектов, сильно уменьшающих прочность всего маховика. Чем прочнее литой или кованый маховик, тем опаснее его разрыв, если он приключится, и тем больший запас прочности понадобится, чтобы уберечь маховик от разрыва.

Далее по эффективности накопления энергии идет маховик в виде обода со спицами. Такой маховик накапливал энергии в каждом килограмме своей массы раза в полтора больше.

Однако потом точные расчеты показали, что выгоднее помещать массу не дальше от центра, а, наоборот, ближе к центру, вследствие чего появились маховики, тонкие по краям и утолщающиеся к середине, - диски «равной прочности». Энергии они могут накопить в два раза больше, чем обод со спицами, и в три раза больше, чем диск с отверстием, при той же массе маховика.
Рассмотрим следующий вариант из нашего списка. Это супермаховик. Простейший пример, это кусок троса, зажатый в кольцевом зажиме – оправке, которая в свою очередь посажена на вал.

В чем преимущества такого супермаховика? Если вращать вал с оправкой и тросом в ней, то трос, как и обычный маховик, накопит кинетическую энергию. При этом частицы троса, стремясь двигаться по инерции, будут все сильнее растягивать его, пытаясь разорвать. Наибольшая нагрузка тут приходится на середину троса. При увеличении скорости сверх меры трос начнет рваться, но рваться по частям, по одной проволочке, а тоненькие проволочки не способны пробить даже легкий защитный кожух, т.е. разрыв супермаховика происходит безопасно.

Так как прочность проволоки (стальной струны) выше прочности монолитного стального куска примерно в пять раз, то супермаховик из струны при прочих равных условиях накопит энергии во столько же раз больше, чем обычный маховик стой же массой. Благодаря же большей безопасности, супермаховику не нужен слишком большой запас прочности, и его следует уменьшить примерно вдвое по сравнению с маховиком. Следовательно, супермаховик из троса может накопить в каждом килограмме массы в десять раз больше энергии, чем обычный стальной маховик.

Большие перспективы сулят так называемые кольцевые супермаховики. Такой супермаховик представляет собой кольцо, навитое из высокопрочного волокна и помещенное в вакуумную камеру в форме бублика – тора. Поскольку кольцевой супермаховик лишен центра, в нем наиболее полно реализуются прочностные свойства волокон. Кольцевой супермаховик удерживается в камере в подвешенном состоянии с помощью магнитных опор, размещенных в нескольких местах по окружности. Само кольцо служит ротором мотор - генератора, а те места, в которых стоят обмотки магнитов, - статором. Это упрощает отбор энергии и зарядку супермаховика.

Если сравнивать кольцевой супермаховик со стальным маховиком из самой прочной стали, плотность энергии кольцевого супермаховика в 2 – 3 раза больше и достигает 0,5 мегаджоуля на килограмм массы. Потери на вращение у него в 50 – 100 раз меньше, чем у стального. Так как отсутствуют самые большие потери – потери на трение в подшипниках.

К сожалению, кольцевые маховики исключаются из рассмотрения по двум причинам: сложность подвесной системы и дороговизна изготовления.

Опыт показал, что для супермаховиков, кроме прочности и размеров решающее значение имеет их масса. Как ни парадоксально, но чем легче супермаховик, тем лучше.

Плотность энергии маховика определяется удельной прочностью, то есть отношением прочности к удельному весу материала.

Поэтому в качестве материала маховика выберем борное волокно, как наиболее выгодное по показателю удельной прочности.

Итак, что же такое супермаховик?

Супермахови́к — один из типов маховика, предназначенный для накопления механической энергии. Маховики как буферные устройства начали использоваться ещё во времена неолита, например, в устройстве гончарного круга. В двадцатом веке маховик претерпел ряд конструктивных изменений, позволявшим ему запасать энергию на значительное время. Так, например, в 1950-тых годах вакуумированные маховики использовались в экспериментальном общественном транспорте, в частности испытывались гиробусы.

За счёт конструктивных особенностей способен хранить до 500 ватт•часов (1,8 МДж) на килограмм веса. В частности, в 1964 году советский инженер Нурбей Владимирович Гулиа заявил авторские права на одну из конструкций, которой и дал название "супермаховик".

Современный супермаховик представляет собой барабан, изготовленный из композитных материалов, например, намотанный из тонких витков стальной, пластичной ленты, стекловолкна или углеродных композитов. За счёт этого обеспечивается высокая прочность на разрыв. Для уменьшения потерь на трение супермаховик помещается в вакуумированный кожух. Зачастую используется магнитный подвес.

Законченный вид супермаховик принимает тогда, когда он способен запасать и отдавать энергию. Для этого создаётся мотор-генератор, где статором является барабан, а ротором — ось, вокруг которой он вращается. Таким образом, при подключении в сеть он будет запасать энергию, а при подключении нагрузки — отдавать. КПД этого преобразования достигает 98 %.

Преимущества и недостатки супермаховика

Супермаховик сочетает в себе долговечность и умеренную цену, безопасен при разрушении. Как уже было сказано, его КПД очень велик. Недостатком супермаховиков является большой момент импульса, который будет препятствовать изменению направления оси вращения маховика.

Дополнительным недостатком супермаховика является отсутствие отработанной простой трансмиссии, позволяющей использовать его на транспорте. В настоящий момент проводятся эксперименты по передаче энергии вращения супермаховика на колёса транспортного средства посредством супервариатора.

Практическое использование

Изобретатель супермаховика, профессор Гулиа, в первую очередь собирался применить его как накопитель энергии для автомобилей и даже построил несколько образцов такого транспорта.