Инерционный трансформатор Матвеева
Устройство и область применения
Введение
В технике до сих пор не решен вопрос автоматического согласования ограниченной мощности источника энергии с нагрузкой, меняющейся в широких пределах. Частным случаем задачи согласования характеристик источника энергии ограниченной мощности с нагрузкой является разгон больших масс.
Для того, чтобы согласующее устройство обладало свойством самостоятельно адаптироваться к нагрузке и менять обороты на выходе, есть два принципиально разных подхода. Первый – устройство должно иметь переменный коэффициент передачи и обратную связь, обеспечивающую изменение передаточного отношения по необходимой характеристике. Наиболее простое устройство, позволяющее это реализовать – вариатор. Но сам принцип работы вариатора – передача крутящего момента с помощью сил трения не обеспечивает надежности и достаточного ресурса работы вариатора.
Существует принципиально другой способ трансформации крутящего момента – это импульсные передачи, в которых энергия двигателя аккумулируется в инерционных элементах и порционно поступает на ведомый вал. Устройства, работающие на этом принципе действия, получили название инерционных трансформаторов вращающего момента.
Ситуация с инерционными трансформаторами со временем, видимо, будет рассматриваться, как анекдотическая. Первые упоминания о инерционных трансформаторах (передача Спонтан) относятся к началу прошлого века. Количество кандидатских и докторских диссертаций, защищенных по теме «инерционные трансформаторы», по самым скромным подсчетам, измеряется десятками, но весь вопрос уперся в их практически полную неработоспособность. Неработоспособность инерционных трансформаторов момента (далее ИТМ) изначально вытекала из неверно выбранного принципа действия устройства, требующего применения механизмов свободного хода (МСХ). Но наука проявила упорство, и в целом ряде докторских диссертаций, изрядно украшенных декоративной математикой, утверждалось, что создание ИТМ без МСХ невозможно в принципе.
Устройство инерционного трансформатора
В 2012 году автором этой статьи было предложено техническое решение ИТМ без МСХ, на которое выдан патент РФ №2526729. Кинематическая схема предложенного ИТМ изображена на Рис.1. Устройство содержит ведущую рамку и внутренний (ведомый) коленчатый вал, и две пары рычагов, имеющих общий шарнир. Суть изобретения заключается в выносе центра масс за пределы общего шарнира рычагов.
Принцип действия устройства заключается в периодическом разгоне и торможении центра масс грузового звена (далее ЦМГЗ), возникающего при обгоне ведущей рамкой ведомого коленвала. Процесс разделяется на два этапа – разгон ЦМГЗ и торможение ЦМГЗ. При сближении кривошипов рамки и ведомого вала (Рис.2) рычаги вынуждены складываться, и ЦМГЗ вынужден разгоняться. Рычаг грузового звена опирается противоположной от ЦМГЗ стороной на кривошип ведомого вала и толкает его вперед по ходу вращения ведущего вала. В момент максимального сближения кривошипов (МСК) рамки и ведомого коленвала ЦМГЗ имеет максимальную скорость и максимальную кинетическую энергию. После точки МСК расхождение кривошипов вынуждает рычаги расходиться, что приводит к принудительному торможению ЦМГЗ в пространстве. Но рычаги уже поменяли свое положение относительно кривошипов рамки и коленчатого вала, и вынужденное торможение ЦМГЗ приводит к толчку ведомого вала снова по направлению вращения, а часть энергии возвращается рамке ведущего вала в виде толчка «в спину», по направлению предыдущего вращения – Рис.3. Процесс торможения ЦМГЗ продолжается до момента максимального удаления кривошипов – МУК. В итоге ведомый вал получает два импульса (толчка) – импульс разгона и импульс торможения ЦМГЗ. Ведущий вал испытывает торможение в фазе разгона ЦМГЗ и получает обратный импульс по ходу вращения в фазе торможения ЦМГЗ. В итоге полного цикла на ведомый вал действует крутящий момент постоянного направления, зависящий от соотношения оборотов ведущего и ведомого валов.
Крутящий момент на ведомом валу зависит от соотношения оборотов ведущего и ведомого валов и плавно спадает по параболе по мере роста оборотов ведомого вала – Рис.4. Мощность на ведомом и ведущем валах одинакова и имеет вид перевернутой параболы, пик мощности приходится на соотношение оборотов W2/W1 = 0,35 (Рис.5). Графики получены расчетом и экспортированы из Эксель без изменений. Оценочный расчет показал, что для передачи 100 л.с при 5400 об/мин и габаритах ИТМ, сопоставимых с диаметром маховика ДВС, требуемая суммарная масса ЦМГЗ менее 0,5 кг.
Проверка принципа действия
Для подтверждения работоспособности предложенного принципа действия автором была изготовлена действующая модель ИТМ с одной парой кривошипов и диаметром рамки около 0,3 метра. Масса ЦМГЗ – 5 кг. Обороты ведущего кривошипа были заданы от двигателя постоянного тока независимого возбуждения мощностью 0,5 кВт. При оборотах рамки порядка 1-2 Гц выявлена устойчивая передача момента в виде двух толчков (толчок разгона и толчок торможения) на ведомом валу. Момент сопротивления имитировался поджимом тормоза к бобышке на ведомом валу. В ходе испытаний работоспособность предложенной схемы полностью подтверждена.
Перспективы применения ИТМ в машиностроении
ИТМ является простейшим преобразователем энергии с функцией ограничения мощности, передаваемой с вала на вал, и может найти широкое применение в механизмах, испытывающих большой перегруз при запуске или в повторно-кратковременном режиме. В частности, при запуске агрегатов с большой массой исполнительного органа по типу барабана шаровой мельницы использование ИТМ позволяет уменьшить потребляемый пусковой ток электродвигателя до номинального значения. Функция эффективного ограничения мощности, выполняемая ИТМ, позволяет уменьшить установленную мощность двигателя до 80-90% номинальной нагрузки, что уменьшает токи в электросистеме, мощность коммутационных аппаратов, кабельных сетей и трансформаторов. Функция эффективного ограничения мощности, выполняемая ИТМ, позволяет согласовать характеристики практически любого двигателя с любым моментом инерции на валу нагрузки за счет увеличения времени запуска агрегата.
Отсутствие передачи мощности по краям характеристики позволяет использовать ИТМ в качестве автоматической муфты сцепления.
Согласование характеристик двигателя внутреннего сгорания с переменной нагрузкой при помощи ИТМ будет рассмотрено отдельно.
Матвеев А.Л.
г. Рубцовск 2019 г.
79130812353@ya.ru
При перепечатке материалов ссылка на автора публикации обязательна.