Исследование влияния движения звеньев механического преобразователя дорожной энергетической установки на функционирование генератора

М ировое п отр е бл е ние энергии рас те т. Хот я т ра диционные пр оиз водс т в а и с е рв и с ы с т а н о вятс я в с е бол е е энерг о эф фе ктив ным и, р ос т н а се л е ния пл а не ты и появ л ение нов ых с е рв исов п рив одит к ув е л иче нию обще го энергопот ре бл ения. В 2015 году м ировое энерг опот ре бл е ни е составило 20,76 трлн кВт∙ч по да нны м Ме ж д у н а родн ог о эне рг е тичес ког о а ге нтс тв а, прогноз на 2030 год – 33,4 трлн кВт∙ ч , а к 2 05 0 -му – до 41,3 трлн кВт∙ч [1].

С другой стороны, в мире наметилась тенденция перехода на альтернативные источники электрической энергии. Поэтому создание и усовершенствование существующих механизмов и устройств на основе альтернативных источников энергии является темой весьма актуальной.

Одним из таких источников электрической энергии являются дорожные энергетические установки (ДЭУ), выполненные в виде искусственной дорожной неровности с генератором электрической энергии, представленной на рис. 1.

а)

Рис. 1. Электрогенерирующая искусственная дорожная неровность

б)

Да нн ы е э не рге т иче с к ие у ста новки пре образ уют к инетиче ск у ю эне рг и ю движу ще гос я а в т омоб ил я в эл е к триче с к у ю э не ргию. Наприм е р, ч ер е з пе ре кре с ток дву х це н тр а л ьны х у лиц г. Шах ты ( с чис л еннос ть ю на с ел е н ия 250 тыс . че л . ) – улицы Советской и прос пе кта Поб е ды Р е в ол юц и и з а сутки проезжает 50 5 81 м ашин а. Эне рге т иче с к и й поте н циал пе рекрес тка оцен ив а е тся ка к

E_p = 2 m _а ghn , (1) где m _а = 2 т – с ре дняя м ас с а л е гкового а в то мобиля; g – ус коре ние с в об одног о па де ния , м/с ² ; h = 0,07 м – ход ис кус с тв е нной дор ож ной неро вности; n = 50 581 шт. – кол иче с т в о прое х а вши х ч е ре з пе ре кре с ток а в том оби л е й з а су тк и.

Ра с че т пока з а л , что з а год от дв и ж ения ав т омоб ил ей че рез це нтрал ьны й пе ре кре с ток г. Ша хты можно получить 50 1 51 МДж эн ерги и д л я да льне йшего пре обра зован ия в эл е ктр иче с к у ю, котора я поз в ол и т об еспе чи ть ос в еще ние пе рекре с тка и электроснабжение светофоров.

Дл я полу че н ия эл ектроэнергии от движу щ егося тра нс порт а ученым и Рос с ии и з а р у бе ж ь я разр а б отан ы и ис с л е д у ю тс я к онс тр у кции дорожных э н ерге ти чески х уста нов о к, ра бота которых ос н ована на следующих принципах [2–10]:

• –    пьез оэл е ктриче ские пре обра з ов а те л и;

• –    э л е ктром а гни тные пре обра з ов а те ли;

• –    ме х а ниче с к ие пре обра з ов а те ли.

Анализ литературных источников показывает, что наибольшее количество публикаций посвящено дорожным энергетическим установкам с механическим преобразователем внешнего воздействия, который выполняется в виде зубчатого сектора и зубчатого колеса, соединенного посредством приводного вала через обгонную муфту с электрическим генератором, как представлено на рис. 2.

Основными недостатками таких дорожных энергетических установок является низкая нагрузочная способность зубчатой кинематической пары преобразователя движения, поскольку усилия в ней передаются через возникающие в местах соприкосновения зубьев под воздействием нагрузок малые контактные площадки, и повышенные удельные давления на линии контакта зубьев, что в процессе эксплуатации ведет к износу контактирующих поверхностей и выкрашиванию материала. При этом зубчатой кинематической парой предъявляются относительно высокие требования к точности изготовления и монтажа, что существенно влияет на себестоимость производимой энергии.

Авторами предлагается конструкция дорожной энергетической установки с ползунно-коромысловым преобразователем движения нажимной платформы [11]. В предлагаемой дорожной энергетической установке, изображенной на рис. 3, нажимная платформа 1 соединена со штоком 2. Шток снабжен пружиной 3, возвращающей платформу 1 в исходное положение после снятия с нее

Рис. 2. Преобразователь движения в виде зубчатого сектора и зубчатого колеса

а)

Рис. 3. Дорожная энергетическая установка: а – конструктивная схема вид спереди; б – конструктивная схема вид сбоку

б)

Рис. 4. Схема передачи электрической энергии от дорожной энергетической установки к потребителям

нагрузки. Механизм преобразования движения выполняется в виде вращающейся кинематической пары звеньев коромысло 4 и ползун 5. Ползун 5 шарнирно связывается с подпружиненным штоком 2 , а коромысло 4 жестко соединяется с приводным валом 6 механизма преобразования движения 3. Приводной вал 6 через обгонную муфту 7 связан с маховиком 8 и электрическим генератором 9.

Принцип работы предлагаемой дорожной энергетической установки следующий: при наезде автомобиля на платформу 1 последняя под воздействием веса автотранспорта начинает перемещаться вниз, воздействуя на шарнирно соединенный с ней шток 2 и сжимая пружину 3. Шток 2 опускается вниз и приводит в действие ползун 5. Ползун 5 приводит во вращательное движение коромысло 4, которое, совершая неполный оборот вокруг оси, вращает приводной вал 6 и через обгонную муфту 7 приводит во вращение маховик 8 и электрический генератор 9. При этом происходит выработка электроэнергии. Наличие маховика 9 позволяет аккумулировать энергию от веса автомобиля и повысить эффективность дорожной энергетической установки.

При съезде автомобиля с платформы 1 последняя под воздействием силы сжатия пружины 3 поднимается вверх. Вместе с платформой 1 поднимается вверх шток 2, возвращая в исходное положение звенья механизма преобразования движения – ползун 5 и коромысло 4. В процессе этого коромысло 4 вращает приводной вал 6 в обратную сторону, а маховик 8 и электрический генератор 9 продолжают вращаться в первоначальном направлении, так как они связаны с приводным валом 6 через обгонную муфту 7.

В процессе вращения маховика, механически связанного с валом ротора генератора, возникает вращающееся электромагнитное поле, вследствие чего в обмотке статора возникает переменный электрический ток, который через выпрямитель поступает на аккумуляторную батарею. Электрическая энергия с аккумулятора через инвертор передается потребителям – на светофоры и электрическое освещение участка дороги (рис. 4).

Предлагаемая дорожная энергетическая установка выгодно отличается от существующих аналогов тем, что исполнение преобразователя воздействующего усилия в виде ползунно-коромыслового механизма существенно упрощает конструкцию установки путем перехода от высшей зубчатой кинематической пары звеньев к низшей вращающейся кинематической паре «шатун – ко- ромысло», что снижает общую стоимость конструкции и увеличивает наработку звеньев на отказ.

На начальном этапе выбора конструктивных параметров дорожной энергетической установки выполнено исследование влияния движения звеньев ползунно-коромыслового механизма преобразователя воздействующего усилия на функционирование генератора с учетом следующих ограничений.

• 1.    Минимизация габаритных показателей энергетической установки в тоннеле дорожного полотна:

• 2.    Накапливание энергии маховиком происходит в момент движения ползуна (штока) передачей крутящего момента от выходного вала преобразователя маховику при равенстве угловых скоростей:

R + L + H ^ min, (2) где R – длина коромысла преобразователя ДЭУ; L – длина шатуна преобразователя ДЭУ; H – ход ползуна (штока) преобразователя ДЭУ.

® пр =® мах , ⁽³⁾

где ω пр – угловая скорость вращения приводного вала преобразователя движения, ω мах – угловая скорость вращения маховика.

Результатом практической реализации морфологического синтеза явилась разработанная конструкция дорожной энергетической установки с ползунно-коромысловым механизмом преобразователя воздействующего усилия.

В рамках исследования движения звеньев ползунно-коромыслового механизма преобразователя воздействующего усилия, схема которого изображена на рис. 5, для определения положения звеньев и траекторий его точек, а также определения скоростей и ускорений разных точек и звеньев по заданному закону движения ведущего звена – ползуна – разработана математическая модель φ_к = f (Δ _Н ), устанавливающая функциональную зависимость между углом поворота коромысла φ к и ходом ползуна Δ Н .

Угол поворота коромысла φ к определяется как обратная тригонометрическая функция, выражающая в треугольнике ОАА 1 зависимость φ к от длин сторон ОА 1 и ОА .

Угол поворота коромысла φ_к определяется как обратная тригонометрическая функция, выражающая в треугольнике ОАА ₁ зависимость φ_к от длин сторон ОА ₁ и ОА :

( oa ) ( oa )

Ф_к = arccos —¹ = arccos —¹ . (4) к ( OA ) ( R )

Рис. 5. Схема ползунно-коромыслового механизма: R – длина коромысла преобразователя ДЭУ; L – длина шатуна преобразователя ДЭУ; φ к – угол поворота коромысла; Δ H – перемещение ползуна (штока) преобразователя ДЭУ; H – ход ползуна (штока) преобразователя ДЭУ

Величина аргумента ОА ₁ определяется как зависимость от длин сторон прямоугольных треугольников ОАА 1 и ВАА 1 .

Устанавливаем соотношение между гипотенузами и катетами треугольников ОАА 1 и ВАА 1 , для чего использована теорема Пифагора:

OA2 =( OA1 )2 +(AAi )2;(5)

BA2 =( BA1 )2 +(AA )2.(6)

В результате решения уравнений получена следующая формула:

(BA1 )2 = BA2 + (OA1)2 - OA2.(7)

Для решения уравнения с двумя неизвестными требуется дополнительно установить зависимость между искомыми величинами.

Из рассмотрения треугольников ОАА 1 и ВАА 1 имеем:

BA = BA + OA - OA -A H ,             (8)

или

( BA 1 f = ( BA + OA - OA 1 - A _H ) ² .

При решении составленных уравнений относительно аргумента ОА 1 используем формулу квадрата разности двух чисел:

(ВА - А О -A„ 2 + ОА ² - ВА^г

ОА_Х ⁽----------- Н)------------

¹        2 ( ВА + АО -A_H )

.

Заменив в формуле обозначения длин сторон треугольников принятыми обозначениями длин звеньев ползунно-коромыслового механизма, имеем:

⁽⁽ L ^{+ R ) -A} h ) ^{+ R 2} О1 =     2 ( ( L + R ) -A h )

0,5 ( ( L + R ) -A _H ) 2 + RR

- L ²

где

((L + R)-A H)

—

L ²

( ( L + R ) -A H )■ ⁽¹”

Функции φ_к = f (Δ _Н ) удобно задавать в виде

I K

Ф„ = arccos — к          ( R

,

I      R1Л

K = 0,5 K2 +---;(13)

• 1    I 21-^1

• \         K" 2 K" 2 /

K 2 = R + L-A H.(14)

На основании разработанной математической модели производится расчет угла поворота коромысла в зависимости от перемещения ползуна.

Исходя из полученных данных, производится построение планов положений ползунно-коромыслового механизма.

Взаимное расположение движущихся ползуна и коромысла постоянно меняется, но в каждый момент времени отдельные звенья занимают вполне определённое положение.

Построение плана начинается с изображения по заданным координатам неподвижных звеньев и направляющих [12]. Затем изображается положение ползуна в изменившихся координатах. После этого определяется положение коромысла. Для определения траектории движения коромысла строится несколько последовательных планов механизма.

Практическая часть

Используя разработанную математическую модель, произведем вычисления для следующих условий: длина коромысла R = 50 мм, перемещение шатуна A _H = 100 мм, длина шатуна L = 50, 100 и 150 мм.

Результаты расчета приведены в таблице.

Исходя из данных в таблице, построим планы положений ползунно-коромыслового механизма.

Полученные планы положений изображены на рис. 6: a – при размере шатуна 50 мм, б – при размере шатуна 100мм, в – при размере шатуна 150 мм.

На основании полученных планов положений строятся графики движения коромысла за полный цикл при различных размерах шатуна, представленные на рис. 7.

Анализ планов положений и график движения коромысла показывает, что равноускоренное дви-

жение коромысла наблюдается на участке b 3 – b 9 вне зависимости от размера шатуна.

При размере шатуна L = 50 мм (рис. 6a), при достижении точки b10 возникает зона неопределённости, то есть при движении ползуна от точки a9 до точки a10 невозможно предсказать поведение коромысла. В этот момент достижения ползуном точки а10 коромысло может находиться в одной из точек зоны неопределенности: либо b101, либо b10V.

При размерах шатуна L = 100 мм и L = 150 мм (рис. 6б, в) зона неопределённости, установленная в механизме с размером шатуна L = 50 мм, отсутствует. Также при таких размерах шатуна траектория движения коромысла отличается незначительно, поэтому, исходя из условия R + L + H ^ min,

Значение угла поворота коромысла φ_к в функции величины перемещения ползуна Δ _H

Перемещение ползуна		0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Длина шатуна	50	0,0	25,8	36,9	45,6	53,1	60,0	66,4	72,5	78,5	84,3	180,0
	100	0,0	30,2	43,7	54,9	65,3	75,5	86,2	97,9	111,8	130,5	180,0
	150	0,0	32,1	46,5	58,4	69,5	80,4	91,6	103,8	117,8	135,9	180,0

а)

б)

Рис. 6. План положений ползунно-коромыслового механизма: а – длина шатуна 50 мм; б – длина шатуна 100 мм; в – длина шатуна 150 мм

в)

Рис. 7. Графики движения коромысла за полный цикл при размерах шатуна 50, 100 и 150 мм

для дальнейшего исследования дорожной энергетической установки принимается ползунно-коромысловый механизм со следующими соотношениями длин звеньев:

L = 1,43∙Н; R = 0,71∙Н; ϕ _к0 = 54,9°.

• 1.    Для генерирования электрической энергии при движении автомобиля через искусственную неровность предложена дорожная энергетическая установка, выгодно отличающаяся от существующих аналогов тем, что исполнение преобразователя воздействующего усилия в виде ползунно-коромыслового механизма существенно упрощает конструкцию установки и увеличивает ее наработку на отказ за счет применения звеньев низшей вращающейся кинематической пары «шатун – коромысло».

• 2.    Разработана математическая модель ползунно-коромыслового механизма, устанавливающая функциональную зависимость φ_к = f (Δ _Н ) между углом поворота коромысла φ_к и ходом ползуна Δ _Н и позволяющая моделировать положения звеньев и траекторий его точек, а также определять скорости и ускорения разных точек и звеньев по заданному закону движения ведущего звена – ползуна.

• 3.    Результатом исследования влияния движения звеньев механизма преобразователя воздействующего усилия дорожной энергетической установки стало установленное соотношения длин звеньев механизма с ходом поршня, а также начального значения угла установки и конечного значения угла поворота коромысла.