Снижение энергоемкости технических устройств при использовании в них принципа рекуперации энергии

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В НИХ ПРИНЦИПА РЕКУПЕРАЦИИ ЗНЕРГИИ

 

Алейникова Е.Г., студентка 4 курса

Научный руководитель: к.т.н., доцент Самсонов В.А.

 ФГОУ ВО «Смоленская ГСХА», Смоленск, Россия

 

При создании различных технических устройств особое внимание должно уделяться разработке таких приводов, которые обеспечивают высокую производительность при минимальной энергоемкости. Такими характеристиками обладают механизмы с рекуперативным приводом. Рекуперация (от лат. recuperatio — обратное получение) – возвращение части материалов или энергии для повторного использования в том же технологическом процессе.

Проще всего возвращать электрическую энергию, поскольку электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. могут работать как двигатели, так и генераторы. На многих электровозах при движении по спуску, а в некоторых случаях и перед остановками, тяговые двигатели переключают для работы в качестве генераторов. При этом кинетическая и потенциальная энергия, запасенные в поезде, преобразуются в электрическую и передаются в контактную сеть. Рекуперативное торможение даёт значительную экономию электрической энергии. Оно наиболее эффективно на транспортных средствах, имеющих большую массу: на магистральных электровозах, электропоездах пригородного сообщения и т. д. 

Более сложно рекуперировать механическую энергию. В настоящее время существуют опытные образцы автомобилей, которые используют маховики для накопления кинетической энергии при движении под уклон и возвращения ее на подъеме, и 2009 году вступил в силу новый технический регламент «Формулы–1», который разрешает командам использовать системы рекуперации кинетической энергии.

Представляет интерес и вопрос рекуперации в механических колебательных системах, в которых можно добиться повышения циклового КПД путём снижения номинальной мощности установленного двигателя. Сущность этого явления состоит в том, что на отдельных участках движения (в частности при разгоне машины) запасенная потенциальная энергия суммируется с энергией двигателя, значительно снижая её необходимое для движения значение.

В промышленности широко используются механизмы с приводом, работающим циклически. Решение задач здесь сводится к определению мощности двигателя, обеспечивающего требуемое быстродействие при известных инерционных характеристиках подвижных масс (1). Поскольку безударная остановка в конце хода перемещаемой с ускорением массы звеньев является основным условием нормальной работы механизма, в конечных положениях обязательно устанавливаются упоры совместно с демпфирующими устройствами. Энергия, получаемая от двигателя на всем перемещении, должна рассеяться демпфирующими устройствами. Величина перемещения звена при разгоне больше длины тормозного пути на порядок и более. Значит, чем больше энергии получает звено при разгоне, тем мощнее должны быть демпферы и жестче конструкция. В конце хода система переходит в состояние покоя, энергия двигателя полностью расходуется на преодоление сил трения и демпфера.

Из вышеизложенного следует, что увеличение быстродействия механизма  за счет повышения мощности двигателя возможно лишь до определенного, довольно низкого предела, так как при этом существенно возрастают ускорения, а значит, и нагрузки на участке торможения. Поскольку торможение осуществляется на значительно более коротком участке, чем разгон, мощность демпфера и его масса растут значительно быстрее, чем быстродействие механизма. Так массогабаритные показатели, взаимосвязанные с показателями привода, всегда выступают в качестве критерия, обусловливающего предел повышения быстродействия за счет увеличения мощности привода.

Дальнейшее развитие производства немыслимо без высокопроизводительного оборудования и высокоинтенсивных технологий. Желаемый результат можно получить, изменив коренным образом подход и построения кинематики привода при условии динамической развязки его звеньев. Привод механизма нужно построить с использованием свойств колебательных систем, в которых энергия не теряется на демпферах и упорах, а лишь переходит из одного вида в другую (из кинетической в потенциальную и обратно). Чтобы такая система обладала свойствами колебательной, она должна иметь минимальные демпфирующие свойства и в конструкцию должны быть введены упругие элементы – аккумуляторы механической энергии. Поскольку в крайних точка система должна останавливаться, в конструкции должны быть управляемые элементы – упоры-фиксаторы.

Механизм, построенный по такому принципу, обладает в 3–4 раза большим быстродействием при уменьшении энергоемкости привода на порядок.

Поскольку система является колебательной, в ней присутствует упругий элемент 5 (рис. 1а), а так как механизм представляет собой устройство дискретного действия, для фиксации звена с подвижной массой 2 в крайних положениях установлены управляемые упоры-фиксаторы 3 и 4. Демпферы в системе отсутствуют. Коренное отличие принципа в том, что быстродействие системы не зависит от мощности привода, а определяется характеристиками колебательной системы (2,3). Принцип работы системы состоит в следующем. Пружина 5 (аккумулятор механической энергии) в среднем положении находится в свободном состоянии и ее усилие  С х ψ =0. При отклонении звена с мессой  2 на угол  ±ψа  пружина создает усилие соответственно  ±С х ψа, направленное к среднему положению. Первоначально система взводится и устанавливается на один из упоров-фиксаторов. При получении команды на выполнение движения исполнительный механизм упора-фиксатора убирает упор и звено с массой 2 под действием пружины разгоняется, переводя ее потенциальную энергию в кинетическую подвижных частей и массы 2. В среднем положении усилие пружины 5 равно нулю, а далее пружина начинает сжиматься, аккумулируя при этом кинетическую энергию массы 2 в виде потенциальной энергии сжатия. Масса 2 при этом плавно затормаживается, и если бы в системе не было трения, она бы достигла симметрично расположенного упора-фиксатора второго крайнего положения. Чтобы восполнить эти потери, необходим привод, который не влияет на быстродействие системы, так как не используется для разгона подвижных масс, на что в механизмах с традиционной схемой построения привода затрачивается основная мощность. В связи с этим мощность привода механизма с рекуперативным приводом значительно меньше.

Кроме того, в такой системе автоматически обеспечиваются такие важные выходные параметры как плавность разгона и торможения и их симметрия относительно среднего положения. Это уменьшает нагрузки на конструкцию, а также обеспечивает выход на упоры-фиксаторы практически с нулевой скоростью (демпферы не нужны).

На рисунке 1 проиллюстрированы график изменения моментов двигателя Мдв и сил трения Мтр (рис. 1б) и закон движения массы 2 (рис. 1в). Поскольку система работает в автоколебательном режиме, величины работ двигателя и сил трения всегда будут равны: Ѕ1 = Ѕ3. Время выполнения движения определяется собственными свойствами колебательного контура и при известной инерционности всегда можно подобрать жесткость пружины, чтобы обеспечить необходимое быстродействие, предела увеличения которого теоретически не существует.

 

 

 

Рисунок 1. Схема построения привода с аккумулятором механической энергии:    а – кинематическая схема; б – график изменения моментов; в – закон движения массы

 

Впервые рекуперативный привод был применен в робототехнике для осуществления поступательных и вращательных движений механической руки манипулятора.

Примером устройства с рекуперацией тепловой энергии могут служить сушилки зерна непрерывного действия STELA, которые выпускаются как мобильные, так и стационарные.

Рассмотрим принцип работы сушилки на схеме без рекуперации тепла (схема 1). В такой сушилке вентилятор стоит на выходе (поток воздуха 5) и протягивает через нее весь воздух, – теплый (поток 3), и свежий (поток 2).

Нагревшийся воздух(поток 3) распределяется в колпаке теплого воздуха и протягивается равномерно через элементы сушилки. Свежий воздух (поток 2) всасывается охлаждающим элементом при помощи отдельной шахты охлаждающего воздуха, что гарантирует эффективное охлаждение продукта сушения. В шахте отработанного воздуха собирается увлажненный воздух и выводится вентилятором отработанного воздуха из сушилки (поток 5).

На схеме 2 представлена система с рекуперацией энергии.  Общий принцип действия описан в простой всасывающей системе (схема 1).

Особенности всасывающей системы с рекуперацией энергии состоит в том, что свежий воздух (поток 2), пройдя через зону охлаждения (поток 4), нагревается и добавляется к горячему воздуху (поток 3) в колпаке теплого воздуха и используется повторно для сушения. Таким образом, используется собранное при охлаждении продукта тепло.  

             

 

Рисунок 2 – Схема сушилок зерна: I – простого действия; II, III – с рекуперацией энергии.  1 – поток зерна; 2 – поток свежего воздуха; 3 – поток теплого воздуха; 4 – поток подогретого воздуха при охлаждении зерна; 5 – поток воздуха, выбрасываемого в атмосферу

 На схеме 3 представлена система с рекуперацией энергии при помощи контроля циркуляции воздуха. В этой системе можно целенаправленно изменять объем воздуха и тепла для повторного использования благодаря дополнительным циркуляционным вентиляторам, которые регулируют величину потока 4.

Результат - это экономия тепловой производительности до 20%. При этом весь не полностью насыщенный отработанный воздух поступает в колпак теплого воздуха, то есть здесь используется не только отходящее тепло отработанного воздуха из зоны охлаждения, а и дополнительно из нижних элементов сушилки. Этот циркуляционный воздух собирается циркуляционными вентиляторами и добавляется равномерно к горячему воздуху в специально сконструированной смешанной зоне. Эта система подходит особенно к высокопроизводительному и энергетически оптимизированному высушиванию  кукурузы. 
           Таким образом привод с рекуперацией энергии могут применяться в различных областях промышленности,– механической энергии – в перерабатывающей; электрической – на транспорте; тепловой – при сушке зерна – все это позволит повысить их производительность и значительно уменьшить  потребляемую мощность технических устройств.

 

Литература

1. Каган В.Г. Электроприводы с предельным быстродействием для систем воспроизведения движения. – М.: Энергия, 1975, - 240с.
2. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И., Методика расчета быстродействующих роботов с рекуперацией механической энергии // Механизация и автоматизация ручного труда. – М.: МДНТП, 1984, - с.14-25.
3. Механическая рука / В.В.Зайцев, А.И.Корендясев, И.П.Митяшин, Н.И.Пинчук, Б.Л.Саламандра, В.А.Самсонов, Л.И.Тывес. Авт. свид. № 1325783 СССР, – 1985.
4. Самсонов В.А. Схемы построения приводов механизмов // Проблемы и перспективы развития аграрного производства: сборник материалов международной конференции. – Смоленск, 2007, - с. 233-235.