TMM_Leonov (514470), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Последние члены энергетического балансаWупр, WG, Wин могут иметь как положительное, так и отрицательное значение в разные моменты времени, т.е. могутсуммироваться с мощностью двигателя или использоватьсядля торможения. Силы, действующие против направленияскорости, увеличение которых вызывает снижение скорости, называют силами сопротивления. Среди них выделяют силы полезного сопротивления, совершающие «полезную5.1. Энергетический анализ машин и понятие о КПД139для нас работу», для преодоления которых предназначенамашина, например, сил тяжести в грузоподъёмной машине.Силы «вредного сопротивления» дополнительно возникают при преобразовании в механизме движений и сил, сверхнеобходимых для совершения полезной работы, например,силы трения в кинематических парах механизма.Мощность, затрачиваемая на преодоление сил полезногосопротивления Wполезн, характеризуется мгновенным коэффициентом полезного действияWηмгн = полезн .WдвМощность, затрачиваемая на преодоление сил вредногосопротивления, характеризуется мгновенным коэффициентом потерьWпотерьχмгн =.WдвКоэффициенты χмгн и ηмгн характеризуют мгновенное распределение полезной и рассеиваемой энергии, однако онине имеют однозначной связи, так как соотношение междуними может меняться за счёт изменения других членовэнергетического баланса.
Например, в режиме разгона частьмощности двигателя кроме совершения полезной работыдополнительно затрачивается на увеличение кинетическойэнергии, и формальный расчёт мгновенного КПД в этотмомент времени даст заниженное значение ηмгн. Наоборот,при снижении скорости в режиме «выбега машины» движение поддерживается за счёт траты накопленной кинетической энергии при выключенном двигателе и тормозе, мощности которых равны нулю.
Поэтому формальный расчётмгновенного КПД в этот момент времени даст бесконечнобольшое значение ηмгн. Под мгновенным КПД часто понимают отношение мо щностей сил полезного сопротивленияи движущих сил на ведомом и ведущем звеньях механизма, соотношение их может быть различным. Иногда приформальном расчёте с учётом сил трения можно получитьрасчётное значение ηмгн меньше нуля, если оказываетсяWпол = [Wдв − Wтрения ]≤ 0 . Отрицательный результат ηмгн показывает, что движение механизма может отличаться от желаемого заданного при расчёте и механическая система можетприходить в состояние заклинивания или самоторможения.Глава 5. Критерии и показатели экономичности расхода энергии140Следует отметить, что в неподвижном состоянии реальнаямощность действующих сил равна нулю и по уравнениюэнергетического баланса оценивается соотношение мощностей на возможных перемещениях.
Таким образом, мгновенный КПД не характеризует однозначно экономичностьрасхода энергии, но он может быть использован для выборапараметров механизма, не допускающих заклинивания илисамоторможения. Эти явления мы рассмотрим подробнеечуть позже.В течение полного цикла установившегося движениямашины сумма работ последних трёх слагаемых энергетического баланса равна нулю, т.е.∫ (Wупркркр+ WG + Wин)dt = 0 или ∫ (M упр+ MGкр + M ин)d ϕ = 0,где Мин, МG, Мупр – моменты сил инерции, тяжести и упругости.В связи с этим интегрирование уравнения баланса мощностей за полный цикл установившегося движения позволяет записать баланс работ в виде( Адв )цикл = ( Аполезн + Апотерь + Арек )цикл ,τцикла∫где Аполезн =Wполезн dt – работа сил полезного сопротивτ циклаления за цикл; Апотерь =∫Wпотерь dt – работа сил сопротив-ления; Арек = ∫ Wрек dt – аккумулированная в цикле энергия;τ цикла(A )циклдв=∫Wдв dt – работа двигателя за цикл.Критериями, позволяющими оценить экономичностьрасхода энергии (работы двигателя) за цикл движения (безрекуперации), могут служить доля потерь и цикловой КПД,которые могут быть представлены в виде Апотерьd потерь = А двАи η= полезнцикла А цикл дв цикл.В цикле установившегося движения они не являются независимыми параметрами, а однозначно связаны между со-5.1.
Энергетический анализ машин и понятие о КПД141бой как средние значения функций их изменения за цикл.Тогда цикловой КПД принимает видη=( Aполезн )цикл(АAполезн + Aпотерь )цикл=( Aдв + Aпотерь )цикл()= 1 − d потерь .дв цикл5.2. Цикловой КПД машин в цикле разгон-торможениеи анализ возможностей его повышенияАнализируя уравнение баланса работ за цикл, следуетотметить, что оно справедливо не только на установившемся движении, но, безусловно, применимо и к некоторымвидам неустановившегося движения, например, в цикледвижения пуск-останов, в котором суммарная работа всехсил в цикле равна нулю. Однако оценка экономичностирасхода энергии (точнее работы двигателя) может бытьпроизведена и для отдельных периодов движения, например, для разгона с целью выбора оптимальных параметровмашины.
До настоящего времени цикл пуск-останов использовался только для оценки динамических качеств машины. Рассматривая идеализированный цикл пуск-останов(см. рис. 4.4), мы сделали вывод о том, что он обладает наилучшими динамическими качествами из всех возможныхциклов при равных механических нагрузках. Применениеего для оценки экономичности расхода энергии позволяетоценить машину всесторонне, связать динамические и экономические качества машины в самом тяжёлом и распространённом в эксплуатации цикле движения. Время разгона τразг в этом цикле при суммарном моменте сил движущихи сопротивления, независящих от скорости и координатымоментах, ранее было представлено нами на рис.
4.5 и продублировано на рис.5.1:τmin,τразг =M ∑ / M двω ⋅Jгде τmin = max ∑ – минимально возможное время разгонаM двмашины без нагрузки.Поскольку в цикле разгон-торможение изменение суммарной работы за цикл равно нулю, поэтому к нему воз-142Глава 5. Критерии и показатели экономичности расхода энергииФ1, Ф3τразгτmin1η без рек01MΣMдвРис. 5.1.
Зависимости времени разгона цикла разгон-торможениеи циклового КПД без рекуперации энергии от доли избыточногомомента двигателя МΣ / Мдвможно применение такой оценки экономической эффективности цикла, как цикловой КПД( Адв )разг − Апотерь циклη цикл =,( Адв )разггде (Адв)разг – работа двигателя в период разгона, предполагая, что при торможении двигатель отключается и нерасходует энергии; |Aпотерь|цикл– работа за цикл сил вредногосопротивления, основную долю которого составляют силыторможения при остановке.В качестве примера рассмотрим упрощенную фракционную модель расчёта КПД в цикле разгон-торможение, приусловии значительного превышения момента торможениянад другими Mторм Mдв Mсопр . Учитывая, что при торможении накопленная кинетическая энергия Тmax будет полностью потеряна, в качестве работы потерь можно принять5.2.
Цикловой КПД машин в цикле разгон-торможение143избыточную работу двигателя, которая при разгоне идётна накопление кинетической энергии:=Δ=ϕ=⋅ϕТаким образом, при принятых допущениях резкого торможения КПД цикла разгон-торможение без рекуперацииэнергии можно представить какηцикл =(∫ Mдвd ϕ − ∫ M ∑ d ϕ)цикл(∫ Mдвd ϕ)цикл= 1−MΣ.MдвБолее наглядная картина связи динамических и экономических качеств машины в цикле «разгон-торможение»может быть получена при совместном решении уравненийtразг = f(MS) и ηцикл = f(MS) при tразг ≥ tmin.Исключая избыточный момент двигателя, получаемсвязь времени разгона и циклового КПД без рекуперацииэнергии:η= −τ= −ττАнализ зависимости циклового КПД и времени разгона (см. рис.
5.1) показывает, что улучшение динамическихсвойств машины значительно снижает КПД за счёт потерькинетической энергии при торможении, если не осуществляется рекуперация энергии.Под рекуперацией энергии понимается преобразование и накопление энергии аккумулирующим устройствомв процессе торможения, использование её в период разгонаи на другие полезные цели. Поэтому работу по накоплениюэнергии Арек, обычно теряемой при торможении, следуетпризнать полезной. Цикловой КПД машины с рекуперацией энергии торможения увеличивается на долю реализованной при рекуперации кинетической энергии машины:( Aдв − Aпотерь + Aрек)циклη цикл с рек == 1 − d потерь + d рек = A цикл без рек + d рек ,( Aдв)циклгде – доля работы двигателя, аккумулированная в цикле;Аакк – величина аккумулированной, а затем рекуперированной энергии.144Глава 5.
Критерии и показатели экономичности расхода энергииКоэффициент рекуперации kрек = Aакк/Тmax характеризуеткачество процесса рекуперации; Тmax – максимальное значение кинетической энергии в начале торможения.Рекуперация энергии позволяет резко увеличить цикловой КПД машины практически без снижения её динамических качеств в зависимости от доли рекуперированной приторможении энергии dрек (рис. 5.2).Анализ энергетического баланса машины показывает,что кроме рекуперации энергии существуют и другие путиповышения экономичности машин. Например, изменениями потенциальной мощности при деформации упругихуравновешивающих устройств, реализуемой в работу внутри цикла, можно добиться повышения циклового КПДпутём снижения номинальной мощности установленного двигателя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
