Svinghjul

Et svinghjul ( svinghjul ) er et massivt roterende hjul, der bruges som en lagringsenhed ( inertiakkumulator ) af kinetisk energi eller til at skabe et inertimoment , som det bruges på rumfartøjer .

Brug

Det bruges i maskiner, der har ujævn energitilførsel eller -forbrug, lagrer energi, når energitilførslen er højere end energiforbruget, og frigiver den, når energiforbruget overstiger energitilførslen. Bruges også i hybrid fremdrift som energilagring og til regenerativ bremsning , gyrobusser .

Ofte udføres svinghjulets funktion af et massivt roterende element i mekanismen .

Udover energi har et roterende svinghjul (som ethvert roterende legeme) også et vinkelmomentum , hvilket er årsagen til observationen af den gyroskopiske effekt , som består i præcessionen af rotationsaksen omkring dens oprindelige retning, når en ekstern kraft opstår der ikke falder sammen med rotationsaksens retning.

Det første eksempel på brugen af den gyroskopiske effekt kan betragtes som opfindelsen af spinning top (yo-yo) legetøj.

En af de første anvendelser af den gyroskopiske effekt var overgangen i det 19. århundrede fra at affyre runde kanonkugler til aflange projektiler , hvis rotation gjorde det muligt at bevare deres orientering i rummet, og den aflange form for at øge deres masse betydeligt (blank) eller sprængladning med samme aerodynamiske modstand.

Svinghjulet er også gyroskoprotoren , der bruges i gyrokompasser og generelt i gyroskopiske orienteringsanordninger i rummet, især torpedoer (Aubrey-enhed), raketter og rumfartøjer. De mest almindelige eksempler på et svinghjul er et cykelhjul eller den roterende tallerken på en elektrisk drejeskive .

Svinghjulets egenskab til at fastholde rotationsretningen bruges i skibets stabilisatorer .

I hverdagen bruges svinghjulet oftest på biler : enhver stempelmotor er udstyret med et svinghjul, der ofte kombinerer funktioner som en del af koblings- og startsystemet (svinghjul er udstyret med et ringgear til at overføre drejningsmoment fra starteren ). Udover at bringe krumtapmekanismen ud af dødpunktet, reducerer svinghjulet i motoren rotationsujævnhederne til et acceptabelt niveau, hvilket øger transmissionsressourcen (resten af ujævnhederne dæmpes af torsionsvibrationsdæmperen eller automatgearet. kobling, derefter torusgummi og viskøse koblinger).

Fysik

Den kinetiske rotationsenergi akkumuleret i et roterende legeme (svinghjul) kan beregnes med formlen:

E={\frac {1}{2}}I\omega ^{2}

hvor:

$jeg$ - massens inertimoment omkring svinghjulets rotationsakse
$\omega$ ( omega ) er vinkelhastigheden i radianer pr. sekund

For simple svinghjulsformer kendes endelige udtryk for inertimomentet

Til hul cylinder $I={\frac {1}{2}}m(r^{2}+r_{o}^{2})$ hvor er massen af den hule cylinder; - dens radius; er cylinderens indre radius $m$ $r$ ${\displaystyle r_{o))$
Til tyndvæggede cylinder $I=mr^{2}$
Til solid cylinder $I={\frac {1}{2}}mr^{2}$

Udskiftning af vinkelhastigheden i formlen for en hul cylinder med rotationsfrekvensen ifølge formlen $\omega$ $f$

\omega =2\pi f

vi får

E=m(\pi f)^{2}(r^{2}+r_{o}^{2})

Historie

Svinghjulseffekten har været brugt siden oldtiden. For eksempel i et pottemagerhjul , vindmøller . Sandsynligvis et af de ældste eksempler på brugen af et svinghjul var et arkæologisk fund fra Mesopotamien (nær byen Ur ) - en keramikmaskine med en brændt lerskive, cirka en meter i diameter og vejer mindst en centner . Lignende opfindelser er gentagne gange dukket op i Kina . [en]

Ifølge den amerikanske middelalder Lynn White nævner den tyske munk Theophilus i sin afhandling "On the Various Arts" flere maskiner, der bruger et svinghjul [2] .

Under den industrielle revolution brugte James Watt et svinghjul i en dampmaskine til at udligne bevægelse og overvinde døde stempelpositioner [3] , og hans samtidige James Pickard brugte et svinghjul i kombination med en krumtapmekanisme til at konvertere frem- og tilbagegående bevægelse til rotationsbevægelse [4] .

I 20-30'erne af det XX århundrede brugte den sovjetiske opfinder A. G. Ufimtsev for første gang i verden [5] et inertibatteri på det første vindkraftværk i Rusland , bygget af ham i Kursk .

Brugen af svinghjulet som energiakkumulator er begrænset af, at når den tilladte periferihastighed overskrides, knækker svinghjulet, hvilket fører til stor ødelæggelse. Dette tvinger skabelsen af svinghjul med en meget stor sikkerhedsmargin, hvilket fører til et fald i deres effektivitet.

Konsekvensen af dette er et lille (i forhold til andre typer batterier ) specifikt energiforbrug.

Eksempel

Grænseværdien for svinghjulets vinkelhastighed bestemmes af svinghjulets materiales trækstyrke . Det er let at vise, at for et svinghjul i form af en roterende skive , hvor er trækstyrken af svinghjulsmaterialet (brudkraft pr. arealenhed), er skivens volumen. Til smeltet kvarts N/m2. Energiintensiteten af et svinghjul lavet af smeltet kvarts med et volumen på m3 og en vægt på kg vil være lig med energiintensiteten af l benzin [6] . $\omega$ ${\frac {1}{2}}I\omega ^{2}={\frac {V}{4}}S_{max}$ ${\displaystyle S_{max))$ $V$ $S_{max}=3\ gange 10^{9}$ $0.1$ $200$ $13$

Superflywheel

I maj 1964 ansøgte N.V. Gulia om opfindelsen af et supersvinghjul - et energikrævende og eksplosionssikkert svinghjul. I modsætning til det klassiske monolitiske svinghjul er supersvinghjulet viklet af et tyndt bånd, tråd eller syntetiske fibre , som har en væsentlig højere specifik styrke end en monolitisk del (støbning eller smedning), så energiforbruget for et sådant svinghjul er meget højere ( ifølge opfinderen op til 1,8 MJ/kg). Derudover dannes der i tilfælde af et brud på supersvinghjulet ingen store fragmenter: enderne af det afrevne tape eller fibre begynder at bremse mod kappen, og svinghjulet stopper gradvist.

Se også

Noter

↑ Rodionov V. G. Optimering af strukturen af genereringskapaciteter. Batterier - energilagring // Energi: nutidens problemer og muligheder for fremtiden. - M. : ENAS, 2010. - S. 65. - 352 s. - ISBN 978-5-4248-0002-3 .
↑ Lynn White, Jr., "Theophilus Redivivus", Technology and Culture, Vol. 5, nr. 2. (Forår, 1964), Review, pp. 224-233 (233)
↑ Ella Tsygankova Ved designs oprindelse . Hentet 11. juni 2008. Arkiveret fra originalen 23. oktober 2007. (ubestemt)
↑ Encyclopedia of the Industrial Revolution, 1750-2007: Steam Engine Arkiveret 6. oktober 2008 på Wayback Machine
↑ Vindkraftværk - artikel fra Great Soviet Encyclopedia .
↑ Orir J Fysik. Bind 1. - M., Mir, 1981. - s. 167