Курсовая работа: Характеристика маховиков различного вида и использование их в технических средствах сервиса
Тот, кто пробовал завести двигатель автомобиля рукояткой, хорошо знает, как это трудно. А каково же было людям средневековья? Для того чтобы машина работала, им приходилось крутить рукоятки с утра до вечера, изо дня в день, из месяца в месяц, из года в год. Будучи, по существу, «живыми двигателями» средневековых машин, они быстро выбивались из сил, производительность их труда заметно падала. И вот однажды кто-то догадался снабдить рукоятку маховиком. Это позволило значительно облегчить труд работников. Отныне маховик стали применять в самых различных технических устройствах.
Характерным примером использования маховика в старинных машинах может служить ковшовый водоподъемник XV века, колесо которого должен был поворачивать вручную специально нанятый для этого работник. В те моменты, когда человеку было удобно вращать рукоятку, укрепленный на ней достаточно большой маховик «принимал» у него часть энергии и возвращал ее тогда, когда крутить рукоятку становилось уже неудобно. В результате и человек меньше утомлялся, и машина работала более равномерно.
Другой пример – поршневой насос конца XV – начала XVI века. Помимо неудобства пользования рукояткой, здесь требовалось преодолеть еще одну сложность. Когда поршень поднимал воду, крутить рукоятку было намного тяжелее, чем во время его спуска. И нередко случалось так, что при подъеме у работника просто не хватало сил провернуть рукоятку, оказавшуюся в неудобном для него положении. Применение маховика позволило решить эти проблемы.
Даже тогда, когда машины стали приводить в движение с помощью водяного колеса, маховик не утратил своего значения. В XVI веке, например, его использовали в машинах для распиловки досок. Поднимать пилу вверх было легко: в это время она не пилила – наклон зубьев был в другую сторону, опускать же – совсем непросто, ведь при этом и происходила собственно распиловка доски. Без маховика пила бы часто застревала в доске, и водяное колесо не в силах было бы протянуть ее дальше. Теперь же маховик, разгоняясь при свободном ходе пилы вверх, отдавал ей свою энергию при рабочем ходе вниз. Пила не застревала, и дело шло быстро. Маховик здесь был уже гораздо больше по размерам и массе, чем на ручных машинах, – мощность тут требовалась большая.
В XVIII веке изобрели паровой двигатель, а в XIX – двигатель внутреннего сгорания. Оба поршневые. Главный же недостаток поршневой машины – неравномерность выделения энергии, неравномерность хода. Машина выделяет энергию лишь в момент подачи пара в цилиндр или в момент сжигания в нем горючего. Все остальное время она только расходует энергию на свое прокручивание. Это необходимо, чтобы машина не остановилась.
Тут-то и пригодился маховик. Посаженный на вал двигателя, маховик при сжигании горючего, то есть при рабочем ходе машины, накапливает энергию, а потом за счет нее сам прокручивает машину для подготовки следующего рабочего хода. Если кто-нибудь думает, что автомобиль постоянно приводится в движение двигателем, то он ошибается. Часть времени машину тянет двигатель, а часть – именно маховик. И изрядные расстояния автомобиль проезжает за счет маховика. Правда, такой маховик накапливает очень незначительную энергию по сравнению с другими аккумуляторами той же массы, поэтому претендовать на роль «энергетической капсулы» он не может.
Часто маховик присутствует в машинах незримо, он «замаскирован» в них под какую-то деталь, но выполняет самую что ни на есть «маховичную» работу. Те, кто бывали на заводе, наверное, видели там механические ножницы. Мотор с помощью ремня крутит шкив, а от этого шкива приводится в движение нож. На первый взгляд, шкив как шкив. А будь он полегче, не такой массивный, каким его изготовили, не сработали бы тогда ножницы, уперевшись в заготовку, – и нож сразу бы остановился. Только маховик, «замаскированный» в этом случае под шкив, позволяет за счет накопленной энергии развивать огромные силы и мощности, необходимые для работы.
«Маскируется» маховик обычно под шкивы, муфты, зубчатки, колеса и другие круглые, а подчас и не совсем круглые детали. В самом деле, почему бы и не использовать свободный обод маховика для размещения на нем ремня или зубьев? Это очень даже удобно.
Кстати, уж коли мы заговорили про колеса, то велосипедные колеса – настоящие маховики, на которые надеты шины. Но здесь используется главным образом другое свойство маховика – гироскопический эффект. Это он помогает сохранять устойчивость велосипеду, как и волчку – игрушке, наблюдая за вращением которой этот эффект был впервые подмечен.
Более 200 лет тому назад английский изобретатель Серсон попытался использовать это свойство волчка для создания «искусственного горизонта» – особого прибора, крайне необходимого в мореплавании: ведь нередко из-за тумана естественного горизонта не видно. Этот прибор нужен был морякам для астрономических наблюдений, чтобы выяснить, где находится в данный момент корабль. Раньше применяли для этих целей отвес, но при волнении на море отвес сильно раскачивался наподобие маятника и «поймать» горизонт было невозможно.
Судьба оказалась несправедливо жестокой к изобретению и к самому изобретателю. Фрегат «Виктори», на котором был установлен «искусственный горизонт», потерпел крушение – Серсон погиб. О его изобретении лет на сто забыли.
Маховик перебирается на транспорт
Наступил XIX век – век настоящего расцвета машиностроения. Неизменный спутник машин – маховик завоевывал все более прочное место на транспорте. А впервые он был использован на транспортном средстве 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 И. П. Кулибина. Но Кулибин не знал об этом и создавал все заново. Не подозревая о существовании иных конструкций «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 бестягловые тележки, работающие на мускульной энергии самого пассажира. Существовали в античном мире и мускульные экипажи побольше, в частности в виде большой улитки.
В 1257 году английский ученый и общественный деятель Роджер Бэкон предсказал скорое появление городских экипажей на мускульной тяге, которые будут иметь практическое значение. Таковые вскоре и появились.
В 1447 году в европейских городах на новогодних празднествах видели закрытую повозку, приводимую в движение «скрытым механизмом» – по-видимому, спрятанными внутри повозки людьми.
Великий художник Альбрехт 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 Л. Л. Шамшуренкова, построенная в 1752 году.
В XX веке «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 – веломобилей или педикаров, которым еще предстоит это сделать. Ряды сегодняшних «изобретателей велосипедов», в хорошем понимании этого словосочетания, 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 сидело еще два пассажира. Между тем, по отзывам очевидцев, «самокатка» И. П. 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, он же слуга, вращая педали, раскручивал маховик, расположенный под сиденьем, после чего уже сам маховик посредством механической передачи приводил в движение колеса.
Маховик не единственный накопитель энергии, использованный И. П. Кулибиным в «самокатке». Он применил в качестве тормоза специальные пружины, способные накапливать энергию экипажа при торможении. Пружины помещались в тормозном барабане, служившем одновременно сцеплением и коробкой передач. Можно только удивляться гению Кулибина, почти на полтора столетия опередившего техническую мысль того времени.
В Политехническом музее в Москве демонстрируется прекрасная действующая модель «самокатки» Кулибина в масштабе 1:5. Измерив модель, я определил диаметр маховика и массу обода. В натуральную величину они составляли 1,5 м и 50 кг, соответственно. Считается, что человек, спокойно работая ногами, способен развить мощность около одной десятой лошадиной силы. Учитывая потери энергии маховика при трении о воздух и в подшипниках, получена максимальная скорость, до которой может быть разогнан такой маховик – 500 оборотов в минуту. Это очень низкая скорость для маховика, но и при этом маховик Кулибина мог накопить около 800 Дж/кг, а всего – около 40 кДж. Полагая, что масса экипажа была примерно 400 кг и соответственно сила сопротивления его движению по дороге около 0,1 кН (килоньютон), путь, который могла пройти «самокатка» только равен 400 м. Для преодоления встретившегося подъема «самокатке» достаточно было энергии самого маховика. А ведь при этом человек тоже не переставал работать педалями. Поэтому наблюдателям и казалось, что «самокатка» в гору шла быстрее, чем по равнине.
«Самокатка» И. П. Кулибина – прекрасный пример удачного использования маховика на транспорте, даже соотношение масс маховика и экипажа словно взято из современных справочников!
Следующим применил маховик на транспорте другой наш соотечественник, инженер-поручик З. Шуберский.
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».
Три пары огромных железных маховиков просто 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 под давлением тяжести самих маховиков. Это самый простой и в данном случае наиболее подходящий способ передачи механического движения при высокой мощности и минимальных потерях энергии в опорах и на приводе. Кроме того, оси маховиков помещены в подшипниках и могут быть приподняты в случае торможения маховоза, чтобы не гасить при этом энергию маховиков. Последние в это время будут вращаться вхолостую.
Маховоз предполагалось цеплять позади паровоза, перед вагонами. Предусматривалось также снабдить маховиками паровоз и тендер.
Размеры и масса маховиков весьма внушительны: каждый маховик диаметром 12 футов (3,6 м) и массой около 300 пудов (5 т). Сам маховоз имеет массу 2330 пудов (40 т). Окружная скорость обода маховика связана со скоростью поезда и превышает ее в 12 раз. Кинетическая энергия, накапливаемая маховиками, – около 2,3 млн пудо-футов (114 Мдж).
Набирая кинетическую энергию на спусках или на ровном пути при помощи паровоза, маховоз должен был помогать поезду преодолевать крутые подъемы. Допустим, сам паровоз может преодолеть уклон только в 5 тысячных (подъем на 5 метров за 1 километр пути), а с маховозом он взойдет по подъему, в три раза более крутому, из которых 2/3 подъема будут преодолены за счет энергии маховоза и лишь 1/3 – самого паровоза.