Маховик перебирается на транспорт . В поисках «энергетической капсулы»
Наступил XIX век, век настоящего расцвета машиностроения. Неизменный спутник машин маховик завоевывал себе прочное место на транспорте. А впервые он был использован там в 1791 году гениальным русским механиком-самоучкой И.П. Кулибиным, который применил его в своей знаменитой «самокатке».
Надо сказать, что «самокатки», «самобеглые коляски» и прочие «безлошадные» транспортные средства появились задолго до Кулибина. Но Кулибин не знал об этом и создавал все заново. Не подозревая о предшествующих конструкциях «самокаток», где маховиков и в помине не было, он положил начало новому применению маховичных накопителей.
Еще в Древнем Риме дети катались на досках с приделанными к ним четырьмя колесами. Это были первые примитивные тележки без животной тяги, работающие на мускульной энергии самого пассажира.
В 1257 году английский ученый и общественный деятель Роджер Бэкон предсказал возможность создания больших тележек с мускульной тягой, имеющих практическое значение.
В 1447 году в европейских городах на новогодних празднествах видели закрытую повозку, приводимую в движение «скрытым механизмом» – по-видимому, спрятанными внутри повозки людьми.
Механическая повозка Альбрехта Дюрера (XVI век): 1 — колеса повозки; 2 — ступальное колесо, приводимое в движение мускульной силой человека.
Великий художник А. Дюрер сконструировал целых девять «самобеглых» повозок для императора Максимилиана I. Даже сам Ньютон в ранней молодости построил «самокатку», которая ездила по полу в его доме.
В XVII…XVIII веках были известны не менее десяти разновидностей «безлошадных» самоходных повозок, в том числе «самобеглая коляска» талантливого русского механика Леонтия Шамшуренкова, построенная в 1752 году.
В наш век «самобеглые» получили как бы второе рождение. Люди хотят больше двигаться, ведь не секрет, что мы страдаем от недостатка движения.
К тому же мускульные транспортные машины не имеют двигателей, сжигающих горючее, они совершенно безвредны. Сейчас создано много новых конструкций не только велосипедов, уже завоевавших мир, но и мускульных автомобилей – педикаров, которым еще предстоит это сделать. Ряды сегодняшних «изобретателей велосипедов», в лучшем смысле этих слов, множатся с каждым днем.
У всех «самобеглых» есть общий недостаток – они плохо преодолевают подъемы. Велосипедисты знают, как тяжело даже на современных легких педальных машинах ехать в гору. Можно понять, насколько трудно это было для водителей педикебов – велосипедных колясок, в которых, помимо самого водителя, нередко сидели еще два пассажира. Между тем, по отзывам очевидцев, «самокатка» Кулибина в гору шла быстрее, чем по ровной дороге!
Дело здесь в применении маховика, который, разогнавшись, за счет накопленной энергии помогал преодолевать подъемы и, кроме того, снижал скорость «самокатки» на спусках. Водитель, вращая педали, раскручивал маховик, расположенный под сиденьем, а уже от маховика движение посредством механической передачи шло на колеса.
«Самокатка» Кулибина
Маховик – не единственный накопитель энергии, использованный Кулибиным в «самокатке». Он применил тут в качестве тормоза специальные пружины, могущие накапливать энергию экипажа при торможении. Пружины помещались в тормозном барабане, играющем одновременно и роль коробки передач. Можно только удивляться гению Кулибина, почти на полтора столетия опередившего техническую мысль своего времени.
В Политехническом музее в Москве демонстрируется прекрасная действующая модель «самокатки» Кулибина в масштабе 1:5. Измерениями на модели я определил диаметр маховика в полную величину – он был около 1,5 метра, масса обода – 50 килограммов.
Считается, что человек, спокойно работая ногами, способен развить мощность около одной десятой лошадиной силы. Учитывая потери энергии маховика на трение о воздух и в подшипниках, я получил максимальную скорость, до которой может быть разогнан такой маховик, – 500 оборотов в минуту.
«Самокатка» Кулибина – прекрасный пример удачного использования маховика на транспорте, даже соотношение масс маховика и экипажа словно взято из современных книг!
Следующим применил маховик на транспорте другой наш соотечественник, инженер-поручик З. Шуберский.
Маховоз Шуберского: 1 — маховики; 2 — колеса; 3 — оси маховиков; 4 — платформа; 5 — подшипники; 6 — рельсы.
В июле 1862 года в газете «Современная летопись» появилась такая заметка: «Два года назад в «Журнале путей сообщения» было заявлено об остроумном изобретении г-на Шуберского. Маховоз господина Шуберского, состоящий из системы маховых колес, предполагается к употреблению при всходе и спуске поездов по крутым скатам железных дорог. Умеряя быстроту движения при спуске с горы и употребляя сбереженную скорость при подъеме в гору, снаряд г-на Шуберского дает возможность проводить железные дороги со значительными склонами, уменьшая количество земляных работ и искусственных сооружений. Опыты над моделью маховоза оказались удовлетворительными, и изобретатель намеревается приступить к опытам в большом виде».
Я разыскал этот журнал и обнаружил подробное описание, расчеты и чертежи первого рельсового маховичного экипажа.
Три пары огромных железных маховиков посажены своими осями на ободы ведущих колес маховоза. Таким образом, вращение передается от ведущих колес на оси маховиков при спуске и, напротив, от осей маховиков ведущим колесам на подъеме только силой трения.
Набирая кинетическую энергию на спусках или на ровном пути посредством «подталкивания» паровозом, маховоз должен был помогать поезду преодолевать крутые подъемы.
Шуберский предлагал использовать свое изобретение и для поездок «малыми поездами» на небольшие расстояния. Например, если прицепить к маховозу один пассажирский вагон массой 625 пудов (10 тонн), то этот поезд при разгоне его паровозом до скорости 28 верст в час (30 км/ч) на участке в 2 версты (2,1 км) пройдет за счет энергии маховиков внушительное расстояние – 55 верст (60 км) до остановки.
Это весьма неплохо для поезда, движущегося за счет аккумулированной энергии!
Тщательный расчет, проведенный Шуберским, показал, что расход топлива с применением маховоза может быть снижен не менее чем на 25 процентов. Цифра, удивительно близкая к современным данным по маховичным рельсовым машинам, например, к такому же показателю у поезда с маховиками в нью-йоркском метро.
Свое описание маховоза Шуберский заканчивает словами, полными патриотизма: «Вполне я был бы счастлив, если бы мое изобретение обратило бы на себя внимание и могло послужить в пользу скорейшего развития отечественных железных дорог».
Торпеда Хауэлла: 1 — маховик; 2 — регулятор руля; 3 — руль; 4 — винт; 5 — боевой заряд.
Потом маховиком заинтересовался американец Дж. Хауэлл. Правда, машину, на которую он его поставил, лишь условно можно назвать транспортом, так как это была торпеда, доставляющая взрывчатку к атакуемому кораблю.
Маховик торпеды Хауэлла, разработанный в 1883 году, раскручивался паровой машиной за 1 минуту, после чего торпеда проходила около 1,5 километра с достаточно высокой скоростью – 55 километров в час. Маховик имел диаметр 45 сантиметров, массу 160 килограммов, скорость вращения его достигала 21 тысячи оборотов в минуту. Накопленная в маховике энергия составляла 10 мегаджоулей. Вращение от маховика с помощью конических шестерен передавалось на гребной винт с регулируемым углом наклона лопастей.
Если отвлечься от военного назначения торпеды, думаю, что в «мирном» варианте это была бы неплохая прогулочная быстроходная лодка без мотора, горючего, дыма и треска. Ее с успехом можно было бы использовать в черте города, на переправах, в местах отдыха людей. А раскручивать маховик не обязательно паровой машиной – с этим еще лучше справился бы электромотор.
В 1905 году англичанину Ф. Ланчестеру был выдан патент на изобретение, имеющее отношение к «…применению для механического движения мотора в форме тяжелого, быстровращающегося маховика, с целью приведения в движение моторного экипажа».
Колеса экипажа Ланчестера соединялись приводом с маховиком или даже с системой из двух маховиков, вращающихся в противоположные стороны. Раскручивали маховики на остановках, где для этого были установлены стационарные двигатели. Ланчестер предусмотрел также разгон маховиков с помощью встроенного электродвигателя, который подключался на остановках к электрической сети.
Инерционный аккумулятор Уфимцева: 1 — маховик; 2 — вал; 3 — кожух; 4 — крышка; 5,6 — малая и большая конические шестерни; 7 — выходной вал; 8 — подшипники с уплотнением.
В 1918 году русский изобретатель-самоучка А.Г. Уфимцев получил патент на маховичный накопитель – инерционный аккумулятор. А в 20-х годах он предложил использовать маховик для приведения в движение трамвая в своем родном городе Курске. Из-за разрухи в народном хозяйстве в те годы проект этот не был осуществлен.
Эпоха современного применения маховиков на транспорте начинается с разработки маховичных тележек для внутризаводских перевозок.
В цехах ездить на грузовиках нельзя, мешают выхлопные газы, а электрокары невелики, грузоподъемность их мала. Вот умельцы на заводах и стали делать грузовые тележки с приводом от маховика. В Казани на компрессорном заводе до сих пор работает такая маховичная тележка грузоподъемностью до 10 тонн.
Еще важнее для промышленности оказались маховичные локомотивы, работающие в шахтах и рудниках. Атмосфера некоторых подземных выработок настолько насыщена взрывоопасными газами, что там становится невозможным использование обычных электровозов. Только один вид транспорта – маховичный – дает полную гарантию от искры или пламени, могущих вызвать взрыв.
И вот у нас в стране начался выпуск маховичных локомотивов, способных проходить с одной раскрутки маховика массой 1,5 тонны несколько километров, таща за собой состав вагонеток. Раскручивается маховик от сжатого воздуха, а с колесами локомотива его соединяет механическая передача, полностью гарантирующая от искр.
«Транспортом пороховых складов» прозвали маховичный транспорт за его пожаро- и взрывобезопасность.
И, наконец, применение маховиков на автомобилях началось с изготовления швейцарской фирмой «Эрликон» маховоза-гиробуса, опытный образец которого был построен в 1945 году. Уже в 1953 году фирма выпустила серию гиробусов, добросовестно проработавших 20 лет в самой Швейцарии, в Бельгии и в Африке.
Масса гиробуса была 11 тонн, а с пассажирами – 16 тонн. Его тяговые электродвигатели питались от генератора, приводимого во вращение маховиком. Маховик, выкованный из прочной стали, имел диаметр 1,5 метра и массу 1,5 тонны. Скорость его вращения составляла в начале движения 3000 оборотов в минуту, а по прошествии 4…6 километров пути снижалась вдвое. Из накапливаемых маховиком 33 мегаджоулей энергии использовалось 75 процентов.
Подзаряжался маховик на остановках через 1,2…2 километра в течение 40 секунд. Для этого штанги гиробуса поднимались до соприкосновения с контактами на высокой мачте. Генератор начинал работать в режиме двигателя и разгонял маховик.
Хотя КПД гиробуса был невысок – всего 50 процентов, он показал себя очень экономичным транспортом. Расход энергии составлял 1,5 кВт·ч, или 5,5 мегаджоуля на километр пробега. Для сравнения напомню, что автобус того же класса, что и гиробус, расходует на пробег 1 километра не менее 400 граммов бензина, что в переводе на механическую работу в три раза больше – 17 мегаджоулей.
Гиробус на станции подзарядки
Гиробус совершенно не загрязнял окружающую среду. А ведь даже электроаккумулятор выделяет в атмосферу водород и пары, которые содержат в себе такие вредные вещества, как свинец, кадмий, хлор и другие. Гиробус не требовал, как троллейбус, для своего движения контактных проводов, уродующих вид города и создающих опасность поражения током. Он ехал совершенно бесшумно, его штанги не терлись и не искрили при движении.
И все же, несмотря на все эти преимущества, гиробус проиграл соревнование с дорогим, дымящим и шумным автобусом.
Это произошло в основном потому, что гиробус приходилось часто подзаряжать. Он мог пройти на энергии маховика в идеальном случае 8 километров, а в действительности – около 6 километров, после чего останавливался. Для городского транспорта это слишком мало.
Я прикинул, что маховику гиробуса, чтобы стать «энергетической капсулой», нужно «похудеть» раз в десять и во столько же раз увеличить количество накапливаемой энергии.
Иначе говоря, требуется повысить плотность энергии маховика ни мало ни много – в сто раз! Это будет, конечно, меньше, чем у «метеорига на привязи», но гораздо больше, чем у самых совершенных аккумуляторов.
Итак, задача ясна. Если мне удастся «закачать» в маховик столько энергии, то проблему создания «энергетической капсулы» можно считать решенной.
Гировоз / Хабр
Наша вики определяет гировоз, как локомотив с механическим аккумулятором энергии (маховиком), предназначенный для транспортирования составов вагонеток по рельсовым путям горизонтальных выработок шахт, опасных по взрыву газа или пыли.
На локомотиве установлен массивный маховик, весом более 1,5 тонн, к которому присоединен с одной стороны вала пневматический двигатель.
При подаче на этот двигатель сжатого воздуха под высоким давлением он начинает раскручивать маховик до скорости порядка 3 тысяч оборотов в минуту.
Таким образом происходит запасание кинетической энергии, эдакий механический инерциальный аккумулятор.
В данном случае мы имеем своего рода гироскоп — быстровращающееся массивное тело, собственно этот факт и отражен в названии локомотива.
1. рама
2. маховик
3. песочная система
4. механизм переключения скоростей
5. двухступенчатый редуктор
6. тормозная система
7. ходовая часть
8. пневматический двигатель
На зарядной станции, расположенной либо на одном конце маршрута, либо же с двух сторон, с помощью подачи на пневмодвигатель сжатого воздуха, нагнетаемого мощным компрессором, происходит раскручивание маховика.
После машинист, выбрав соответствующую передачу, начинает движение.
Поскольку используются подобные локомотивы в основном в шахтах горнодобывающих производств, локомотив следует с порожними вагонетками по тоннелю к месту добычи порядка километра, далее вагонетки нагружают и он возвращается назад.
Проделываемый путь, как правило, составляет около двух километров.
Через фрикционную передачу маховик передает крутящий момент на колеса локомотива, отдавая запасенную энергию.
Недостатком является малый запас хода, ограниченное время стоянки, так как маховик все равно будет постепенно останавливаться из-за трения о воздух и трения в подшипниках, а также гироскопический момент от маховика.
Да и выход из под контроля полуторатонного тела, вращающегося с огромной скоростью, не сулит ничего хорошего.
С шахтами и пороховыми складами всё понятно, а были ли попытки создания гировозов для обычной железной дороги?
Впервые гировозами заинтересовались в европейских странах в 1940-е годы.
Их производство было освоено фирмой «Эрликон».
В интернете не много сведений об этом.
NCB Gyro или Electrogyro LocomotiveМощность 200 л.с. (150 кВт), оснащён двумя маховиками.
Пишут о 3-х тонном горизонтальном маховике, заключённом в сосуд, заполненный водородом низкого давления.
Вертикально установленный трехфазный электродвигатель был непосредственно соединен с каждым валом маховика.
Электродвигатель питался от бокового источника питания на статических стойках через четырёхконтактный качающийся рычаг, который пневматически выдвигается или убирается водителем, его хорошо видно на фото и на чертеже.
Электричество можно было взять только в то время, когда локомотив стоял рядом с одним из этих столбов.
Каждый маховик работал со скоростью 3000 об / мин при полной «зарядке».
Пишут, что зарядка занимала 2,5 минуты и локомотив мог работать в течение приблизительно 30 минут.
Он весил 34 тонны и имел максимальную скорость 24 км / ч.
Локомотив работал с 1958 года неплохо, но в 1965 году был переоборудован в дизельный вариант.
Также, большие электровозы, например British Rail Class 70 , иногда оснащались маховиками, чтобы перемещать их через промежутки в контактной сети.
Пишут, что их можно было отличить по своеобразному заметному гудящему шуму от тяжелых маховиков.
British Rail Class 70И перейдём к заглавному фото.
Parry People Movers Ltd. (PPM) — британская компания, производящая лёгкие трамваи и железнодорожные мотрисы, которые используют накопитель энергии маховика (FES) для хранения энергии для тяги.
Типичный маховик PPM изготовлен из стального круга диаметром примерно 1 м и массой 500 кг, предназначенный для вращения с максимальной скоростью 2500 об / мин.
Маховик установлен горизонтально в центре агрегата под сиденьем.
Маховик приводится в движение двигателем внутреннего сгорания или электродвигателем.
Маховик позволяет улавливать энергию торможения (при замедлении или спуске с уклона) и повторно использовать ее для ускорения (так называемое рекуперативное торможение).
Когда мотриса тормозит, гидростатическая трансмиссия возвращает энергию в маховик.
Пишут о разных модификациях–с одним и с несколькими маховиками.
Вообще, использование маховиков на транспорте было достаточно обширно, например гиробус–троллейбус с автономным ходом.
Моторное отделение гиробуса.
Справа виден трёхфазный двигатель, ниже него — картер маховика.
Интересно, что управлять гиробусом сложно, так как его маховик обладает свойствами гироскопа (стремится сохранять неизменное положение в пространстве).
Недостатки: большой вес — гиробус, предназначенный для перевозки 20 человек на 20 километров, должен иметь маховик массой в 3 тонны.
Вращающийся со скоростью в 3000 оборотов в минуту маховик требует особых мер безопасности (линейная скорость обода маховика достигает 900 километров в час).
И напоследок, есть космические программы, связанные с накоплением энергии в маховике.
Но это уже, скорей всего, не просто маховик, а супермаховик–тема отдельного разговора:).
Источник.
Источник.
Источник.
Мой первоначальный пост.
Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия
Из Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия
Маховик со спицами
Простой маховик в движении. Построен по рисункам Леонардо да Винчи
О фильме см. Маховик (фильм).
Маховик представляет собой тяжелый диск или колесо, прикрепленное к вращающемуся валу. Маховики используются для накопления кинетической энергии. Импульс маховика заставляет его не легко изменять скорость вращения. Из-за этого маховики помогают поддерживать вращение вала с одинаковой скоростью. Это помогает, когда крутящий момент, прикладываемый к валу, часто меняется. Неравномерный крутящий момент может изменить скорость вращения. Поскольку маховик сопротивляется изменениям скорости, он уменьшает влияние неравномерного крутящего момента. Двигатели, в которых для обеспечения мощности используются поршни, обычно имеют неравномерный крутящий момент, и для решения этой проблемы используются маховики.
Чтобы заставить колесо (любое колесо) вращаться, требуется энергия. Если трение небольшое (хорошие подшипники), то он будет продолжать вращаться долгое время. Когда энергия нужна, ее можно снова взять из колеса. Так что это простое механическое средство хранения энергии. Количество хранимой энергии зависит от веса и скорости вращения — для того, чтобы более тяжелое колесо вращалось быстрее, требуется больше энергии. Другим фактором является радиус (размер), потому что чем дальше от оси находится часть колеса, тем больше энергии требуется для его вращения. Эти три фактора могут быть представлены M (масса), ω {\ displaystyle \ omega} (угловая скорость) и R (радиус). Объединение двух приведенных ниже уравнений дает ω {\ displaystyle \ omega} 2 MR 2 /4. Маховик — это не просто колесо, а специально предназначенное для накопления энергии. Поэтому он должен быть тяжелым и/или вращаться быстро. Например, у некоторых автобусов есть маховик, который используется для остановки и запуска. Когда автобус останавливается (например, перед светофором), маховик соединяется с колесами, поэтому энергия вращения передается ему, поэтому автобус замедляется, а маховик ускоряется. Затем, когда автобус должен снова начать движение, он снова подключается, и энергия передается обратно. Конечно, вам не захочется таскать тяжелое колесо в автобусе, поэтому оно сделано из более легкого материала, способного выдерживать чрезвычайно быстрое вращение.
9{2}}
, где I {\ displaystyle I} — момент инерции массы относительно центра вращения, а ω {\ displaystyle \ omega} (omega) — угловая скорость в радианах.
Маховик использовался с древних времен, наиболее распространенным традиционным примером является гончарный круг. Во время промышленной революции Джеймс Уатт внес свой вклад в разработку маховика в паровой машине, а его современник Джеймс Пикард использовал маховик.
В мире венчурного капитала термин «маховик» используется для обозначения повторяющегося, приносящего прибыль сердца бизнеса.
Маховик | Платформа данных биомедицинских исследований
Поддержка революционных исследований
в области здравоохранения и биологических наукВедущие ученые и исследователи обращаются к Flywheel, чтобы ускорить свою работу и упростить сотрудничество. Наша платформа исследовательских данных упрощает выполнение масштабных задач по обнаружению, агрегации и обработке данных; автоматизирует исследовательские процессы; и весы по запросу.
Узнать больше
Для кого предназначен маховик?
Исследователи медико-биологических наук
Ускорьте внедрение инноваций с помощью стратегии исследований и разработок, основанной на данных. Наша платформа помогает оптимизировать рабочие процессы, эффективно сотрудничать и сокращать сроки клинических испытаний.
View Solution
Clinical Researchers
Flywheel — это не просто хранилище данных, а масштабируемое решение для управления данными и исследованиями. Мы помогаем вам безопасно получать доступ, обрабатывать, анализировать и совместно использовать ваши данные для исследований.
Просмотр решения
Академические исследователи
Повысьте продуктивность исследований и обеспечьте безопасное сотрудничество. Мы помогаем вам захватывать, обрабатывать и обрабатывать изображения и связанные с ними биомедицинские данные для исследований.
View Solution
AI Developers
Наша платформа представляет собой масштабируемое облачное решение для обнаружения и управления данными изображений для медицинских компаний, занимающихся искусственным интеллектом, которые хотят достичь целей исследований и разработок и ускорить подачу нормативных документов.
Просмотр решения
Что такое маховик?
Возможно, вы слышали, что 80% времени специалиста по данным уходит на поиск, обработку и организацию данных. Мы меняем это. Flywheel — это платформа данных биомедицинских исследований для визуализации и сопутствующих данных. Мы автоматизируем трудоемкие процессы, чтобы ученые и исследователи могли сосредоточиться на совершении открытий. Расширяемый по своей структуре, Flywheel предоставляет вам инструменты для безопасного обнаружения, управления, отбора и вычисления больших объемов данных как внутри вашей организации, так и с сотрудниками по всему миру.
- Инструменты визуализации
- Архивы данных
- Учреждения-партнеры
- Данные без обработки изображений
- Машинное обучение
- Многоцентровые исследования
- Открытие наркотиков
- Исследование изображений
Экспертное руководство
Наши клиенты не действуют в одиночку. Инженеры по научным решениям Flywheel — профессионалы с реальным опытом исследований. Они обладают уникальной квалификацией, чтобы консультировать и обучать вашу команду, чтобы вы могли оптимизировать свои исследования.
