Моховик полезные свойства


общая характеристика гриба и характерные особенности, полезные свойства и противопоказания

Благодаря низкокалорийности и прекрасным вкусовым качествам продукт широко применяется в кулинарии. Моховик является не только вкусной, но и полезной пищей, содержит множество витаминов, минеральных веществ, аминокислот.

Моховик. Общая характеристика гриба и характерные особенности

Научное название — Xerocomus.

Цвет шляпки может варьироваться от светло-желтого до коричневого. Ножки плодов белые, покрыты чешуей, мякоть чаще всего белая или кремовая. Гриб моховик — съедобный, вероятность отравления этим продуктом низкая, тем не менее следует учитывать, что некоторые виды являются токсичными, поэтому сбор должен производиться опытными грибниками.

Места и время произрастания

Плодовые тела чаще всего встречаются в смешанных и лиственных лесах в Азии, Европе, некоторые виды произрастают в Северной Америке. На территории России грибы можно встретить в областях таких городов: Москва, Пенза, Пермь, Санкт-Петербург, Мурманск и др. Собирают их еще в Сибири и на Дальнем Востоке.

фото гриба в естественной среде обитания

Места произрастания различных видов:

  1. Моховик стриженый. Встречается в Западной и Центральной Европе, на Средиземном море, Балканском полуострове. Обитает в теплых лиственных лесах, в России разновидность занесена в Красную книгу, поскольку находится под угрозой исчезновения.
  2. Трещиноватый. Растет практически на всех типах почв, встречается в хвойных, широколиственных и смешанных лесах в течение лета и осени (плодоносит с июня по ноябрь). Встречается в городских районах, в дубовых или липовых рощах. Широко распространен в Европе.
  3. Моховик зеленый. Произрастает на территории России и в других странах СНГ. Встречается в Северной Америке, Европе.
  4. Боровик пороспоровый (Xerocomellus porosporus). Чаще всего растет в дубовых лесах. Встречается в основном в Европе и Северной Америке, редко произрастает в Великобритании и Ирландии.
  5. Польский гриб. Обитает в хвойных и смешанных лесах, его находят в горных районах, в сосновых, буковых, дубовых рощах. Произрастает гриб небольшими группами, предпочитает кислую почву, плодоносит с июня по ноябрь.
  6. Моховик каштановый. Встречается в хвойных и лиственных лесах. Часто произрастает во мху между корнями деревьев. Плодоносит с июля по октябрь.

Съедобные моховики. Калорийность гриба

Питательная ценность грибов низкая (22 ккал на 100 г).

Такие разновидности используются в кулинарии:

  1. Xerocomus depilatus. Шляпка плода полусферическая, дугообразная, морщинистая, коричневая, достигает диаметра 8 см. Ножка гриба цилиндрическая, сужена у основания, часто изогнутая, беловатая. Трубки и споры желтые, не меняют свой цвет при разрезе.
  2. Боровик пороспоровый (Xerocomellus porosporus). Форма шляпки выпуклая, цвет ее может варьироваться от коричневого до оранжево-коричневого. Поверхность ее бархатистая, может растрескиваться под воздействием солнца. Мякоть плода мягкая, бледно-кремовая. Трубки желтые, угловатые, в начале роста имеют лимонно-желтый цвет, по мере созревания темнеют.
  3. Xerocomus subtomentosus — это красивый и вкусный гриб. Диаметр шляпки составляет 3-12 см, цвет ее может меняться от желто-коричневого до оливково-коричневого. Поверхность шляпки гладкая, бархатистая, выпуклая, сухая. Края ее завернуты внутрь, позже по мере роста выпрямляются. Мякоть плода плотная, белая или бледно-желтая, синеет при повреждении. Трубочки могут быть желтыми, зеленоватыми или оливковыми, синеют при надавливании. Длина их может составлять 15 мм.

Кроме того, в кулинарии используют следующие виды:

  • моховик бархатный;
  • каштановый и др.

в природе существуют несколько видов съедобных моховиков

Другие съедобные виды

Xerocomus chrysenteron тоже относится к группе съедобных грибов. Диаметр шляпки составляет 3-10 см, цвет ее варьируется от желтого до коричневого. Поверхность бархатистая, иногда с трещинами. Края шляпки в начале роста изогнуты внутрь, позже по мере созревания выпрямляются. Форма шляпки полусферическая в начале роста, затем становится выпуклой.

Мякоть плода мягкая, беловатая или бледно-желтая, слегка красная под шляпкой, приобретает синюю окраску при разрезе, характеризуется мягким вкусом и тонким ароматом. Трубки достигают длины 10 мм, по цвету могут быть бледно-желтыми или оливковыми. Споры широкие, угловатые, гладкие, бледно-желтые, становятся синими при повреждении. Форма их может варьироваться от эллипсоидальной до веретенообразной.

Ножки гриба плотные, цилиндрические, булавовидные, мелковолнистые, под шляпкой желтоватые, у основания — пурпурно-красные, приобретают синий оттенок при повреждении. Достигают длины 10 см и ширины 2 см.

Моховик трещиноватый отличается приятным вкусом и ароматом. Используют продукт в свежем или консервированном виде. Мякоть содержит много воды, что усложняет транспортировку и хранение. Гриб может подвергаться плесени и другим повреждениям, которые способствуют размножению микотоксинов. В результате может произойти отравление (не от самого плодоносящего тела, а от его паразита). Чтобы избежать отравления, специалисты рекомендуют собирать молодые плоды и обрабатывать их как можно быстрее. Гриб прекрасно сочетается с овощами, тушеными на сковороде.

Большим спросом пользуется польский гриб (Xerocomus Badius). Шляпка плода полусферическая, становится выпуклой и утолщенной по мере созревания. Имеет бархатистую текстуру при сухой погоде и немного вязкую при влажной. Цвет может варьироваться от темно-красного до коричневого. Форма шляпки полукруглая у молодых грибов, позднее становится плоской.

Споры маленькие, угловатые, по цвету могут быть белыми, ярко-желтыми и оливковыми, при надавливании приобретают синюю окраску. Трубки длинные, желтоватые, синеют при повреждении. Ножки тонкие, цилиндрические, продольно-полосатые, коричневого цвета, достигают длины 14 см и ширины 4 см. Мякоть плода плотная, беловато-желтая, слегка коричневая под шляпкой, становится синей при разрезе, характеризуется фруктовым ароматом и нежным мягким вкусом.

В кулинарии гриб жарят, варят, запекают в духовке. Из польского гриба готовят омлет с чесноком и креветками, продукт прекрасно сочетается с мясными и рыбными блюдами.

существуют ложные моховики, которые отличаются внешним видом и ядовитостью

Ложные моховики. Как отличить от съедобных

Следует знать, как отличить ложный моховик и как он выглядит:

  1. Xerocomus Badius — легко спутать с любым ядовитым видом. Польский гриб может напоминать Xerocomus moravicus. У последнего мякоть белая, не синеет при разрезе. Может произрастать в различных местах.
  2. Гриб Xerocomellus porosporus — можно легко спутать с Pseudoboletus parasiticus. Шляпка плода немного маслянистая, имеет выпуклую форму. Трубчатый слой широкий, с ребристыми краями.
  3. Молодой гриб Xerocomus spadiceus — можно перепутать с Tylopilus felleus (несъедобный, отличается горьким вкусом). Более старые плоды можно спутать с Gyroporus castaneus. У последнего цвет шляпки красновато-бурый, каштановый. Поверхность ее в начале роста бархатистая, позже становится гладкой.
  4. Xerocomus chrysenteron — похож на моховик красный (Xerocomus rubellus).

Другие ложные моховики:

  • Amanita pantherina;
  • X. parasiticus;
  • Chalciporus piperatus;
  • Gyroporus castaneus.

Период и правила сбора

Время сбора зависит от вида гриба:

  1. Моховик пестрый (трещиноватый) заготавливают с июля по сентябрь. В больших количествах плоды формируются в августе-сентябре.
  2. Период плодоношения польского гриба: июнь-ноябрь.
  3. Xerocomus subtomentosus плодоносит с мая по октябрь.

При сборе аккуратно срезают грибы острым ножом, складывают в корзину, сверху накрывают полотенцем или тканью, чтобы предотвратить попадание иголок и другого мусора. Собирают молодые здоровые плоды, стараются срезать аккуратно, чтобы не повредить грибницу, т.к. она даст урожай на следующий год.

моховики обладают богатым химическим составом и пищевой ценностью

Полезные свойства

Гриб моховик содержит никотиновую кислоту, клетчатку, микро- и макронутриенты, витамины А, С, D, РР, группы В, обнаружено в плодах множество аминокислот. Продукт содержит большое количество белка, однако его усвоение в организме отличается от мясного не в лучшую сторону.

Гриб содержит множество питательных веществ, которые способствуют укреплению иммунитета. Компоненты помогают бороться с онкологическими и другими заболеваниями. Продукт рекомендуется при инфекционных и воспалительных патологиях, а также для восстановления организма после перенесенного хирургического лечения.

Другие полезные свойства гриба:

  • улучшает состав крови;
  • полезен для похудения;
  • улучшает общее самочувствие;
  • оказывает омолаживающий эффект;
  • ферменты, содержащие в продукте, способствуют лучшему перевариванию пищи.

Вред и противопоказания

Не рекомендуется использование грибов при таких состояниях:

  • аллергические реакции;
  • заболевания почек;
  • нарушение работы печени.

Нельзя употреблять их часто или в большом количестве. Следует помнить, что любые грибы являются тяжелой пищей, детям и пожилым людям рекомендуется исключить продукт из рациона.

Симптомы отравления ложными моховиками

Прием токсичных грибов может вызвать расстройство желудочно-кишечного тракта. Для восстановления самочувствия промывают желудок и принимают сорбенты.

Заготовка моховиков

Существует большое количество рецептов приготовления моховика: продукт варят, сушат, жарят, маринуют, замораживают, консервируют. Добавляют в мясные и овощные блюда, салаты, супы. Консервированный гриб прекрасно сочетается с картофелем, рисом, гречкой, капустой. Перед приготовлением продукт тщательно промывают и очищают. По вкусу добавляют различные специи, которые делают его более мягким и ароматным. Из моховиков готовят вкусный бульон, икру, грибную пасту.

грибы используют в кулинарии для приготовления вкусных и полезных блюд

Рецепты приготовления блюд

Из польского гриба (Xerocomus Badius) делают грибную пасту. Для этого используют такие ингредиенты:

  • 1 луковица;
  • 1 зубчик чеснока;
  • 700 г коричневых грибов;
  • 5 ягод можжевельника;
  • 2 ч. л. соли;
  • 4 ч. л. бальзамического уксуса;
  • 4 ч. л. меда;
  • 1 горсть чернослива без косточек;
  • 100 мл рапсового масла;
  • ½ ч. л. перца;
  • 1 ч. л. розмарина.

Грибы тщательно очищают и нарезают. Разогревают масло в кастрюле, добавляют чеснок, готовят его, пока не станет золотистым и ароматным, после этого продукт вытаскивают из емкости. В кастрюлю кладут нарезанный лук, готовят его до тех пор, пока не размягчится. Затем добавляют грибы, чернослив и соль. Готовят на протяжении 20 минут, после чего добавляют бальзамический и винный уксус, мед.

Продолжают варить смесь на медленном огне еще 40 минут. Емкость не накрывают целиком, чтобы лишняя жидкость испарялась. За несколько минут до того, как снять кастрюлю с огня, добавляют остальные ингредиенты. После этого переливают горячую массу в банки, плотно закрывают, затем приступают к пастеризации (3 раза по 15 минут с 24-часовыми интервалами).

Моховики прекрасно сочетаются с картошкой. Для приготовления используют такие ингредиенты:

  • картофель;
  • сливочное и растительное масло;
  • сметана;
  • соль;
  • перец;
  • лук.

Как готовить:

  1. Картофель очищают, нарезают.
  2. В сковороду наливают небольшое количество растительного и сливочного масла. Обжаривают картофель до готовности, добавляют соль, перец.
  3. Параллельно готовят моховики: их промывают, очищают, складывают в глубокую емкость, добавляют воду, тушат на медленном огне, пока не выпарится жидкость.
  4. Затем кладут масло, солят. Прожаривают еще 8-10 минут.
  5. К грибам добавляют картофель, нарезанный лук. Держат на огне несколько минут, после чего подают на стол со сметаной.

Технология выращивания моховика в домашних условиях

Для выращивания выбирают тенистый участок. Лучше всего гриб растет под такими деревьями: сосна, ель, бук, дуб. На грядке делают траншею глубиной 30 см, заполняют специальным субстратом. Шляпки замоченных моховиков (в течение суток) необходимо размять до кашицеобразной консистенции, после вместе с водой вылить на подготовленный участок. В течение 2 месяцев грядку активно поливают.

Оптимизация и анализ маховика

Оптимизация и анализ маховика

СИМВОЛЫ

A Площадь поперечного сечения обода

b ширина обода

d диаметр вала

d h Диаметр ступицы

D avrg средний маховик диаметр

D o наружный диаметр обод

F d Приводная сила

F r сила сопротивления

h глубина бортика

Дж e общий эквивалент момент инерции

Дж f фактическая инерция момент маховика

J f-req требуется инерция момента маховика

Дж r эквивалент инерции момента механизма около точки А, не

включая маховик

л длина ступицы

L AB длина кривошипа

м e Эквивалентная масса механизм, кроме

маховик

м f Масса маховика

м fr масса обода

M d эквивалентный привод момент

M r эквивалент момент сопротивления

S B Ход кривошипа

V B линейная скорость при конечная точка B кривошипа

[Вт] максимальная избыточная энергия

коэффициент колебания вращения

удельная масса

м Средняя угловая скорость кривошипа

0

0.РЕФЕРАТ

Противодействие требованию сглаживания больших колебаний скорости во время разработан и проанализирован цикл системы механизма, маховика. Во-первых, исходя из характеристики динамической функции системы, основные характеристики маховика изначально были определены традиционным способом. Затем динамический анализ методом конечных элементов и оптимизация конструкции маховика были выполнены для достижения превосходных характеристик.В-третьих, были представлены некоторые полезные идеи, которые должны иметь практическое руководство. значение для будущего подобных конструкций.

[Ключевые слова]: маховик , оптимизация, динамический анализ, конечный элемент

1

1. ВВЕДЕНИЕ

Для машины, совершающей переменное движение, эквивалентный приводной момент ( M d ) не всегда равно эквивалентному моменту сопротивления ( M r ) даже при стабильном статусе.С его эквивалентной инерцией момента ( Дж e ) не может изменяться соответственно этому изменению, угловая скорость его эквивалента Компонент, как правило, главный вал или кривошип, будет периодически колебаться. Выступая в качестве резервуар, накапливая энергию в период, когда запас энергии превышает потребности и высвобождая ее в период, когда потребность в энергии больше чем запас, маховик обеспечивает эффективный способ сглаживания колебаний скорость.

Эффективная конструкция маховика должна максимизировать момент инерции ( J f ) для минимального количества используемого материала ( м f ) и гарантирует высокую надежность и долгий срок службы. В такой ситуации и будучи нацеленным на систему практических механизмов, проект представлен и разработан на платформе ANSYS 5.3.

2

2. ФИЗИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

2.1 Физическая система

Маховик прикреплен к приводному валу кривошипа. Физическая система показано на рис. 2-1:


Рисунок 2-1 Маховик в системе механизма

Основные параметры следующие:

F r является функцией S B (рис.2-2), т.е. F r = F r (S B )

F d - постоянная

м e равно 150 кг

V B равно 2,5 м / с

L AB равно 0,10 м

3

(а) (б)

Рисунок 2-2 Один круг движения

(a) Диаграмма сил (b) Диаграмма кинетической энергии

2.2 Требования к конструкции

Два основных требования:

D в среднем равно 0,600 м

не более 0,05

  1. Первоначальный проект

2.3.1 Расчет J f

Простым и легким методом, в котором J r рассматривается как постоянная, необходимая

4

J f-req рассчитывается следующим образом:

J r = м e * L AB 2 = 150 * 0.1 2 = 1,5 кг * м 2 ,

м = V B / L AB = 2,5 / 0,1 = 25 рад / с

F d = 0 2x F r d S B / (2 * x) = 1/2 * 10 * (x + x / 2 + x / 2) / (2 * x) = 5 кН

[Вт] = Вт до н.э. = 1/2 * (x / 2) * 5 = * L AB /4 * 5 = 393 Нм

J f-req = J e - J r = [Вт] / ( * м 2 ) - Дж r = 393 / (0.05 * 25 2 ) -1,5

= 12,576-1,5 = 11,076 кгм 2

2.3.2 Расчет м фр

Так как обод обычно составляет большую часть J f-req, м fr может быть просто вычисляется как:

m fr = J f-req / ( D avrg / 2) 2 = 11.076 / (0,6 / 2) 2 = 123,07 кг

В результате упрощения он немного больше необходимого.

  1. Размер маховика

Сначала будет рассмотрен пластинчатый маховик, показанный на рис. 2-3. Требуемый площадь поперечного сечения обода,

A = h * b = m fr / (* D ср. *) = 123.07 / (3,14159 * 0,6 * 7510) = 0,0086938 м 2

Принимая во внимание h / b = 1,5 ~ 2,0 обычно и сделанное упрощение в разделе 2.3.2 пусть h = 0,118 м и b = 0,07 м ориентировочно, таким образом ч / b = 1,69 и ч * b = 0,00826 <0,0086938 м 2 .Остальные параметры также изначально определены как: d = 0,04 м, d h = 0,09 м, l = 0,07 м и t = 0,02 м. Этот дизайн называется Design-A.

5


Рисунок 2-3 Маховик A: Конструкция- A

J f и m f - 11.7278 кгм 2 и 146,046 кг соответственно. Начиная с J f > J f-req = 11,076 кгм 2 , маховик удовлетворяют требованиям по инерции момента. В следующем разделов, будет проведена большая работа по его улучшению за счет динамического анализа и оптимизация дизайна.

6

3.КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНАЯ МОДЕЛЬ

  1. Допущения

Чтобы легко встроить физическую систему в модель конечных элементов, некоторые предположения необходимо:

Допущение 1 : Жесткая установка используется для подключения маховик и его приводной вал, не нужны шпоночные пазы для фиксации / вращения маховика и там на поверхности соединения отсутствуют скольжение, встроенные напряжения и деформации; следовательно, ограничения смещения могут быть просто применены к отверстию вала;

Допущение 2 : Маховик работает только в вертикальном положении плоскость (плоскость X-Y), чтобы можно было просто применить силу тяжести;

Допущение 3: Используемый материал, серый чугун ASTM30, изотропный;

Допущение 4 : Аэродинамическое сопротивление может быть заброшенный;

Допущение 5 : Вибрации нет;

Допущение 6 : Скруглениями / фасками можно пренебречь, если только размерный;

  1. Цельнолитая модель

Из-за симметрии относительно средней плоскости маховика только половина маховика необходимо смоделировать в трехмерное твердое тело, как показано на рис.3-1:

Рисунок 3-1 A Цельнолитая модель

7

3.3 Тип элемента

На основе учета вращательных деформаций в маховике элемент Soilid72 , трехмерное четырехузловое тетраэдрическое структурное твердое тело с поворотами используется для моделирования сеток. В элемент определяется 4 узлами с 6 степенями свободы в каждом узле и хорошо подходит для создания нерегулярные сетки.Он также обладает способностью повышать жесткость.

3.4 Свойства материала

Из-за высокой плотности, низкой стоимости и отличной обрабатываемости серый чугун ASTM 30 используется для изготовления маховика, свойства которого перечислены в Табл. 3-1:

Таблица 3-1 Свойства материала :

Материал, класс, спецификация Серый чугун, ASTM 30, SAE 111
Максимальная прочность Растяжение, шов = 214 МПа Сдвиг su = 303 МПа
Прочность на скручивание / сдвиг, 276 МПа
Модуль упругости Натяжение, E = 101 ГПа Сдвиг, G = 41 ГПа
Плотность 7510 кг / м 3
Коэффициент Пуассона 0.23

3,5 Метод сетки

Свободная сетка с интеллектуальным размером элемента адаптирована для автоматической и гибкой сетки модель. По сравнению с сопоставленной сеткой, которая ограничена только четырехугольником (областью) или только шестигранные (объемные) элементы, свободная сетка не имеет ограничений по форме элементов. Умное изменение дает сетке больше возможностей для создания элементов разумной формы. во время автоматической генерации элемента.Чтобы еще больше улучшить сетку, чтобы получить хорошее точность и экономичность анализа, два внутренних элемента управления сеткой, т.е. расширение и перехода, были применены с EXPND = 1.9 и TRANS = 1.3. Ячеистая модель -

8

, показанный на рис. 3-2. Сравнение количества оцениваемых элементов и этого фактически используемых элементов приведено в Таб. 3-2.

Таблица 3-2 Сравнение номеров элементов с ESIZE = 0.0125 и уровень размера = 6

Дизайн

Количество предполагаемых элементов

Количество используемых элементов

Дизайн-А

8925

6256

Дизайн-Б

8461

6069

Дизайн-C

15541

7852

Дизайн-D

12501

7223

Рисунок 3-2 Ячеистая модель

3.6 Граничные условия и нагрузки

В соответствии с физической системой, симметричные ограничения были применены к симметричная средняя плоскость маховика (см. рис. 3-3) и ограничения смещения с

9

ux = uy = uz = 0 на поверхности отверстия вала (см. Рис. 3-4).

Рисунок 3-3 Симметричные ограничения Рисунок 3-4 Ограничения смещения

В число видов нагрузки входят:

гравитация: ускорение в направлении Y = 9.8 м / с 2

Момент

: МЗ, нанесенный на узлы на поверхности вала-отверстия

угловая скорость: Домега_з

угловое ускорение: Omega_z

Комбинации нагрузок на четырех различных стадиях включения приведены в Табл. 3-3,

Таблица 3-3 Комбинации нагрузок

Рабочий этап

Комбинация грузов

Неподвижный (стадия-1) Гравитация
Пусковой (2 этап) Гравитация + МЗ + Домега_з
Изменение скорости (ступень-3) Гравитация + МЗ + Домега_з + Омега_з
Постоянная скорость (стадия 4) Гравитация + Omega_z

10

3.7 Решение

Варианты решения перечислены в Табл. 3-4:

Таблица 3-4 : Варианты решения

Размерность задачи 3D
Степень свободы UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ
Тип анализа переходный
Метод решения полный
  1. Постобработка

Общий постпроцессор POST1 использовался для проверки результата анализа.

11

  1. АНАЛИЗ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТ

Чтобы получить высокие эксплуатационные характеристики и снизить затраты, оптимизированная конструкция Маховик реализуется итеративно на основе динамического анализа методом конечных элементов.

4.1 Анализ первоначального проекта

4.1.1 Анализ и результат

Проект-A анализируется на четырех типичных этапах работы, соответственно.Результаты показаны в Табл. 4-1, рис. 4-1 и 4-2. Здесь,

Domega_z = M d / J e = ( F d * L AB ) / ( 09 4 + Дж r )

= (5000 * 0,10) / (11,7278 + 1,5) = 37,799 рад / с 2

MZ = J f * Domega_z / 2 = 11.7278 * 37,799 / 2 = 221,651 Нм

Таблица 4-1 Анализ дизайна-A

Этап

Нагрузки

Напряжение по Мизесу

(Па)

Максимальный прогиб (м)

этап-1

Acel_y 9.80 м / с 2

257717

0,357E-06

этап-2

Acel_y 9,80 м / с 2

MZ 221.651 Нм

Domega_z 37,799 рад / с 2

0.849E + 08

0,357E-05

этап-3

Acel_y 9.80 м / с 2

MZ 221.651 Нм

Domega_z 37,799 рад / с 2

Омега_з 25 рад / с

0.842E + 08

0,747E-05

стадия-4

Acel_y 9,80 м / с 2

Omega_z 25 рад / с

642110

0.102E-05

12


(а) Этап -2

(б) Этап -4

Рисунок 4-4 Анализ проекта -A: Карты напряжений

13

(а) Этап -3

  1. Стадия -4

Рисунок 4-5 Анализ конструкции -A: Карты прогиба

14

  1. Комментарии

1) Имеются вращательные деформации из-за крутильного воздействия приводного момента MZ. и момент инерции, вызванный угловым ускорением Домега_з.Максимальный стресс возникает на ступице и у поверхности отверстия вала на ступени-2, однако максимальная прогиб по правому внешнему краю обода на ступени-3. По сравнению с ситуации напряжения и прогиба на стадии-2 и стадии-3, на стадии-1 и стадии-4 намного лучше. Поскольку напряжения, возникающие на стадии-2 и стадии-3, очень велики, если по сравнению с пределом прочности материала, следует предпринять некоторые усилия для улучшения конструкции и тем самым снизить нагрузку на ступицу.

2) Напряжение и прогиб почти в любой точке не постоянны, кроме стадии-1. Они кратковременно меняются при вращении маховика.

4.1.3 Улучшение

Так как большая площадь контакта (контакта) будет благоприятна для передачи привода В момент, отверстие вала увеличено, и ступица желала уменьшить влияние M d . Пусть d = 0.05 м, d h = 0,10 м и l = 0,10 м, Таким образом, получается модифицированная конструкция, а именно конструкция-B, как показано на рис. 4.3. Дж f и м f и 11,7428 кгм 2 и 147,658 кг соответственно.

Рисунок 4.3 Design-B

15

4.2 Анализ проектирования-Б

4.2.1 Анализ и результат

Проект-B анализируется на четырех типичных этапах работы, соответственно. Результаты показаны в Табл. 4-2 и рис. 4-4, 4-5. Здесь,

Domega_z = M d / J e = ( F d * L AB ) / ( 09 4 + Дж r )

= (5000 * 0.10) / (11,7428 + 1,5) = 37,756 рад / с 2

MZ = J f * Domega_z / 2 = 11,7428 * 37,799 / 2 = 221,683 Нм

Таблица 4-2 Анализ Design-B

Этап

Нагрузки

Напряжение по Мизесу

(Па)

Максимальный прогиб (м)

этап-1

Acel_y 9.80 м / с 2

219902

0,339E-06

этап-2

Acel_y 9,80 м / с 2

MZ 221,683 Нм

Domega_z 37,756 рад / с 2

0,413E + 08

0,376E-05

этап-3

Acel_y 9.80 м / с 2

MZ 221,683 Нм

Domega_z 37,756 рад / с 2

Омега_з 25 рад / с

0,408E + 08

0,661E-05

стадия-4

Acel_y 9,80 м / с 2

Omega_z 25 рад / с

603879

0.101E-05

4.2.2 Комментарии

Напряжения на всех четырех стадиях, особенно на стадии 2 и стадии 3, были очевидно уменьшилось. Можно предположить, что модификация вала-отверстия и ступицы в Раздел 4.1.3 полезен. Однако, содержащий много материала, который мало способствует J f , нынешний маховик на самом деле слишком тяжелый.

16

4.2.3 Улучшение

Ориентировочно из маховика вырезано четыре секционных блока, и сделана конструкция-С как на рис. 4-6. Теперь J f и m f составляют 11,3962 кгм 2 и 135,130 кг соответственно.


Рисунок 4-6 Design-C

4.3 Анализ конструкции-C

4.3.1 Анализ и результат

Design-C анализируется на четырех типичных этапах работы, соответственно. Результаты показаны в Табл. 4-3 и Рис. 4-7, 4-8. Здесь,

Domega_z = M d / J e = ( F d * L AB ) / ( 09 4 + Дж r )

= (5000 * 0.10) / (11,3962 + 1,5) = 38,771 рад / с 2

MZ = J f * Domega_z / 2 = 11,3962 * 38,771 / 2 = 220,922 Нм

19


(а) Этап -2

(б) Этап -4

Рисунок 4-7 Анализ проекта -C: Карты напряжений

20

Таблица 4-3 Анализ Design-C

Этап

Нагрузки

Напряжение по Мизесу

(Па)

Максимальный прогиб (м)

этап-1

Acel_y 9.80 м / с 2

402686

0,680E-06

этап-2

Acel_y 9,80 м / с 2

MZ 220.992 Нм

Domega_z 38,771 рад / с 2

0.334E + 08

0,970E-05

этап-3

Acel_y 9.80 м / с 2

MZ 220.922 Нм

Домега_з 38.771. рад / с 2

Омега_з 25 рад / с

0.320E + 08

0,240E-04

стадия-4

Acel_y 9,80 м / с 2

Omega_z 25 рад / с

0,128E + 07

0,188E-05

4.3.2 Комментарии

После удаления четырех секционных блоков прогиб увеличился заметно и напротив, напряжения уменьшились на стадиях-2 и -3. Факт может быть объясняется изменением жесткости. Резка материала на этих участках с маховика уменьшилась его жесткость. Как ожидаемый результат этого изменения, деформация увеличился, однако стресс уменьшился. Большая нагрузка на руки на стадии-4. вероятно из-за плохой геометрии на этих участках.

4.3.3 Улучшение

Чтобы снизить концентрацию напряжения на плечах, плечи имеют удлиненные и большие галтели. принято переходить на обод. Модификация показана в Design-D на рис. 4-9. В в результате J f и m f равно 11.2920 кгм 2 и 133,152 кг соответственно.

22


Рисунок 4-9 Design-D

4.4 Анализ проектирования-D

4.4.1 Анализ и результат

Помимо четырех этапов работы, было рассмотрено и проанализировано еще несколько ситуаций. для дизайна-D. Результаты показаны в Табл. 4-4 и Рис. 4-10, 4-11,4-12. Здесь,

Domega_z = M d / J e = ( F d * L AB ) / ( 09 4 + Дж r )

= (5000 * 0.10) / (11,2920 + 1,5) = 39,087 рад / с 2

MZ = J f * Domega_z / 2 = 11,2920 * 39,087 / 2 = 220,685 Нм

4.4.2 Комментарии

  1. Более крупные переходные галтели способствуют снижению концентрации напряжений на оружие на стадии-4;

23

(а) Этап -2

(б) Этап -4

Рисунок 4-10 Анализ проекта-D: Карты напряжений

24

(а) Этап -3

(б) Этап -4

Рисунок 4-11 Анализ конструкции D: карты прогиба

25

(а) Этап -4: Omega_z = 37.5 рад / с

(б) Стадия -4: Омега_z = 50 рад / с

Рисунок 4-12 Анализ проекта-D: карты напряжений

26

2) Затягивание плеч приводит к большим деформациям обода на стадии-4;

  1. Маховик может безопасно работать в допустимом диапазоне (omega_z = 25 * (1 + / 2) = 25,625 рад / с) и даже при гораздо более высокой угловой скорости, например 50 рад / с;
  2. По мере увеличения угловой скорости относительное влияние силы тяжести на напряжение и прогиб уменьшается;
  3. Вероятно, существует квадратичная связь между омегами и стрессом фон Мизеса; (видеть Инжир.4-13)
  4. Вероятно, существует квадратичная зависимость между омегами и максимальными отклонениями; (см. рис. 4-14)

Таблица 4-4 Анализ Design-D

Этап

Нагрузки

Напряжение по Мизесу

(Па)

Максимальный прогиб (м)

этап-1

Acel_y 9.80 м / с 2

313348

0,642E-06

этап-2

Acel_y 9,80 м / с 2

MZ 220,685 Нм

Domega_z 39,087 рад / с 2

0.338E + 08

0,822E-05

этап-3

Acel_y 9.80 м / с 2

MZ 220,685 Нм

Domega_z 39,087 рад / с 2

Омега_з 25 рад / с

0.329E + 08

0,194E-04

стадия-4

Acel_y 9,80 м / с 2

Omega_z 25 рад / с

0.106E + 07

0,179E-05

этап-4-а

Acel_y 9.80 м / с 2

Omega_z 25,625 рад / с

0.109E + 07

0,185E-05

этап-4-б

Acel_y 9,80 м / с 2

Omega_z 37,5 рад / с

0.188E + 07

0,314E-05

этап-4-с

Acel_y 9.80 м / с 2

Omega_z 50 рад / с

0.305E + 07

0.506E-05

27

Рисунок 4-13 Связь между Рисунок 4-14 отношения между

omega_z и напряжение фон Мизеса omega_z и максимальный прогиб

  1. Конвергенция

Примечательной конвергенции пока не наблюдается.Может это по причине

, что для создания сетки модели была принята свободная сетка с размерами интеллектуальных элементов. Табл. 4-5 приводит результаты, полученные при анализе проекта-D на этапе-4.

Таблица 4-5 Конвергенция

РАЗМЕР (м)

Сметные элементы

Б / у элементы

Фон Мизес (Па)

0.02

8150

4456

969564

0,0175

8452

4718

968853

0,015

9805

5464

970531

0.01375

11517

6062

1045254

0,0125

12501

7223

1058589

0,01125

15032

8347

943138

0.01

18832

9725

979481

28

  1. Аналитическое решение напряжения в ободе

Предполагая, что обод не деформирован рычагами, растягивающее напряжение в ободе из-за

центробежная сила на ступени-4, т, может быть вычислена как,

t = * ( D avrg /2) 2 * 2 = 7510 * (0.60/2) 2 * 25 2 = 422437,5 Па

Напряжение изгиба при растяжении, вызванное ограничением плеч, b , может быть вычислено as,

b = 19,74 ** ( D avrg /2) 3 * 2 / (4 2 * h ) = 19,74 * 7510 * (0,6 / 2) 3 * 25 2 /(16*0.118)

= 1325039,7 Па

Суммарное напряжение в ободе,

= 0.75 * т + 0,25 * b = 0,75 * 422437,5 + 0,25 * 1325039,7 = 648088 Па

Тем не менее, только меньшие напряжения были обнаружены в ободе во время динамического анализа методом конечных элементов. анализ. Отчасти различия связаны с эффектом деформации обода. и пониженная жесткость, не учтенная при расчете напряжений.

29

  1. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании приведенных выше расчетов и анализа можно сделать следующие выводы:

  1. Максимальное напряжение и прогиб обычно возникают при пуске и изменении скорости этапы соответственно.Ситуация напряжения и отклонения на этих этапах должна быть уделил достаточно внимания.
  2. Увеличенное отверстие под вал и более длинная ступица полезны для уменьшения напряжения, вызываемого приводной момент.
  3. Напряжение и прогиб временно меняются во время вращения маховика. Эти кратковременные изменения могут привести к усталостному разрушению маховика.
  4. Напряжение в ободе не такое большое, как предполагалось.
  5. Колесная конструкция способствует снижению концентрации напряжений;
  6. Колесная конструкция позволяет получить хорошие рабочие характеристики и снизить стоимость.
  7. Переход через большие галтели способствует снижению концентрации напряжений на руки.
  8. Излишне длинные рычаги могут привести к большой деформации обода.
  9. Существуют определенные отношения между угловой скоростью, напряжением и прогибом при ступень постоянной скорости.
  10. Хорошая геометрия способствует снижению концентрации напряжений в изделии и таким образом продлить срок его службы
  11. Свободная сетка с интеллектуальным размером элемента полезна для создания сетки сложной модели.
  12. Конструкция надежная и разумная.

30

СПРАВОЧНИК

  1. Чжан Да-лунь, Механика материалов, Tongji University Press, Shjanghai, 1993
  2. Хуан Си-кай, Машиностроение, Издательство высшего образования, Пекин, 1995
  3. Роберт Л. Нортон, Дизайн машин, McGraw-Hill Inc, Нью-Йорк, 1992
  4. К.Lingaiah, Справочник данных по проектированию машин, McGraw-Hill Inc, Нью-Йорк, 1994
  5. Р. С. Хурми, Дж. К. Гупта, Дизайн машин, Издательский дом Евразия, Новый

Дели, 1993 г.

  1. 6. Руководство пользователя ANSYS, Swanson Analysis Systems, Inc., Houston

СПАСИБО!

31

.

Как маховики накапливают энергию?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 10 марта 2020 г.

Стоп ... старт ... стоп ... старт - это не способ водить машину! Каждый раз, когда вы замедляете или останавливаете автомобиль или машину, вы впустую тратить накопленный заранее импульс, превращая его кинетическую энергию (энергия движения) в тепловую энергию в тормозах. Разве не было бы лучше, если бы вы могли как-то хранить эту энергию, когда вы остановился и вернуть его снова при следующем запуске? Это один работ, которые маховик может сделать за вас.Впервые использован в гончарные круги, которые тогда очень популярны в гигантских двигателях и машинах во время промышленной революции маховики теперь возвращение во всем, от автобусов и поездов до гоночных автомобилей и мощности растения. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: Старый маховик парового двигателя в Think Tank, музее науки и промышленности в Бирмингеме, Англия. Маховик - это колесо со спицами сзади. Обратите внимание, что это в основном пустое пространство с длинными спицами и большим тяжелым ободом.

Зачем нужны маховики

Фото: Типичный маховик газоперекачивающего двигателя. Маховик - это большее из двух черных колес с тяжелым черным ободом в центре. Это один из многих увлекательных двигателей, которые вы можете увидеть в Think Tank, музее науки в Бирмингеме, Англия.

Двигатели самые счастливые и самые эффективные когда они вырабатывают мощность с постоянной относительно высокой скоростью. Единственная проблема в том, что транспортные средства и машины, которыми они управляют, должны работают на самых разных скоростях и иногда необходимо полностью остановиться.Муфты и шестерни частично решают эту проблему. (Клатч - это механический «выключатель», который может отключить двигатель от машины это вождение, в то время как шестерня - это пара заблокированных колеса с зубьями который изменяет скорость и крутящий момент (усилие вращения) машины, поэтому он может ехать быстрее или медленнее, даже если двигатель работает с одинаковой скоростью.) Но чего не могут сделать сцепления и шестерни, так это сэкономить энергию, которую вы тратите впустую. когда вы тормозите и отдаете позже. Это работа маховика!

Что такое маховик?

Маховик - это очень тяжелое колесо, которое нужно много силы, чтобы вращаться.Это может быть большой диаметр колесо со спицами и очень тяжелым металлическим ободом, или это может быть цилиндр меньшего диаметра, сделанный из чего-то вроде углеродного волокна композитный. В любом случае, это колесо, которое нужно толкать действительно сложно настроить его вращение. Так же, как маховику нужно много силы, чтобы запустить его, поэтому для его остановки требуется много силы. Так как в результате, когда он вращается на высокой скорости, он стремится к продолжать вращаться (мы говорим, что у него большой угловой момент), что означает, что он может хранить большое количество кинетической энергии.Вы можете думать об этом как об "механический аккумулятор", но он накапливает энергию в виде движения (другими словами, кинетическая энергия), а не энергия, запасенная в химическая форма внутри традиционной электрической батареи.

Маховики бывают всех форм и размеров. Законы физики (кратко объясненные в поле ниже - но вы можете пропустить их, если вам это не интересно или вы знаете про них уже) скажите что большого диаметра и тяжелых колес хранят больше энергии, чем колеса меньшего размера и легкости, а маховики которые вращаются быстрее, хранят гораздо больше энергии, чем те, которые вращаться медленнее.

Современные маховики немного отличаются от тех, что были популярны во время промышленной революции. Вместо широкого и тяжелого стальные колеса с еще более тяжелыми стальными ободами, маховики 21-го века, как правило, более компактные и изготовленные из углеродного волокна или композитных материалов, иногда со стальными ободами, которые работают, возможно, на четверть тяжелее.

Физика маховиков

Вещи, движущиеся по прямой линии, имеют импульс (своего рода «сила» движения) и кинетическая энергия (энергия движения) потому что у них есть масса (сколько "материала" они содержат) и скорость (насколько быстро они движутся).в таким же образом вращающиеся объекты обладают кинетической энергией, потому что у них есть то, что называется моментом инерции (сколько «хлама» они сделаны из и как они распределяются) и угловой скорости (как они быстро вращаются). Момент инерции эквивалентен массе вращающихся объектов, а угловая скорость аналогична обычной. скорость только ходит по кругу.

Так же, как кинетическая энергия объекта, движущегося по прямой линии, определяется следующим уравнением:

E = ½mv2

(где m - масса, а v - скорость), поэтому эквивалентный кинетический энергия вращающегося объекта дается этим:

E = ½Iω2

(где I - момент инерции, а ω - угловая скорость).

«Момент инерции» звучит ужасно абстрактно и сбивает с толку, но понять его намного проще, чем вы могли бы считать. На самом деле это означает, что с точки зрения кинетической энергии и количества движения эффективная масса вращающегося объекта зависит не только от того, сколько у него фактической массы, но и от того, где эта масса расположена по отношению к точка, она вращается. Чем дальше от центра находится масса, тем большее влияние он оказывает на импульс и кинетическую энергию объекта - и мы количественно оцениваем это, говоря, что масса имеет более высокий момент инерции.Так что большой диаметр, легкий, со спицами маховик с очень тяжелым стальным ободом может иметь более высокий момент инерции, чем у прочного маховика гораздо меньшего размера, потому что больше его масса дальше от точки вращения.

Законы о сохранении

Законы сохранения энергии и закон сохранения импульса применяется к вращающимся объектам так же, как они применяется к объектам, движущимся по прямой линии. Так что то, что крутится с определенное количество энергии и углового момента (вращение эквивалент обычного прямолинейного количества движения) сохраняет свое угловой момент, если не сила (например, трение или сопротивление воздуха) крадет это.Этот закон называется сохранением угловой импульс.

Когда фигурист вытягивает руки, некоторые из их масса находится дальше от центра их тела (точки вращения) значит, у них более высокий момент инерции. Если они быстро крутятся с вытянутыми руками, но затем внезапно подносят руки к центр, они мгновенно уменьшают свой момент инерции. Но закон сохранения углового момента говорит, что их полный угловой момент должны оставаться такими же, и это может случиться только в том случае, если они вверх.Вот почему вращающийся фигурист будет вращаться быстрее, когда он прижать руки к телу (и замедлить движение, когда они снова руки).

Artwork: Если вы медленно вращаетесь (стоя на вращающемся подносе без электропитания или сидите на офисном стуле) и быстро прижимаете руки к телу, вы будете вращаться намного быстрее. Ваш момент инерции уменьшается, поэтому ваша скорость должна увеличиваться, чтобы «сохранить» ваш угловой момент (оставьте его неизменным).

Какая лучшая конструкция для маховика?

Из этих основных законов физики следует, что маховик будет накапливать больше энергии, если он имеет более высокий момент инерция (большая масса или масса расположена дальше от ее центра) или если он вращается с большей скоростью.А поскольку кинетическая энергия вращающийся объект (E в приведенном выше уравнении) связан с квадратом его угловой скорости (ω2), вы Вы можете видеть, что скорость имеет гораздо большее влияние, чем момент инерции. Если вы возьмете маховик с ободом из тяжелого металла и замените его на обод, который вдвое тяжелее (удваивает его момент инерции), он накапливает вдвое больше энергии, когда вращается с той же скоростью. Но если вы берете оригинальный маховик и вращаете его в два раза быстрее (вдвое больше угловая скорость), вы в четыре раза увеличите запас энергии.Вот почему конструкторы маховиков обычно стараются использовать высокоскоростные колеса. а не массивные. (Компактные, быстроходные маховики тоже более практично в таких вещах, как гоночные автомобили, не в последнюю очередь потому, что большие маховики имеют тенденцию добавить слишком много веса.)

Сила на маховике увеличивается с увеличением скорости, а энергия, которую может накапливать колесо, равна ограничено прочностью материала, из которого он изготовлен: вращать маховик слишком быстро, и вы в конечном итоге достигнете точки, где сила настолько велика, что разбивает колесо на фрагменты.Прочные и легкие материалы лучше всего подходят для маховиков, поскольку они могут быстрее всего вращаться без разваливается. Современные маховики обычно изготавливаются из таких материалов, как сплавы, композиты из углеродного волокна, керамика и кристаллические материалы, такие как монокристаллы кремния. Некоторые специально разработаны, чтобы безопасно разбиться на крошечные фрагменты, если они будут вращаться слишком быстро.

Произведения: Маховики имеют фиксированный диаметр и массу, а значит, фиксированный момент инерции - или есть? Эта гениальная система маховика 1959 года, разработанная Бертрамом Шмидтом, может складываться и раскладываться для увеличения или уменьшения запасаемой энергии.Как это работает? Приводной двигатель (зеленый, справа) приводит в действие груз (оранжевый, слева) через ось (желтый) и систему шкивов (серый). При изменении скорости оси центробежный регулятор (темно-синий) и электрическая цепь (вверху справа) включают или выключают небольшой электродвигатель (розовый), перемещая рычажный механизм (коричневый) влево или вправо, перемещая другой рычажный механизм ( синий), поэтому маховик (красный) складывается или раскладывается по мере необходимости. Из патента США 2 914 962: Система маховика Бертрама Шмидта, опубликованного 1 декабря 1959 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Как маховик может сохранять энергию?

Фото: Маховики в конечном итоге перестают вращаться из-за трения и сопротивления воздуха, но если мы установим их на подшипники с очень низким коэффициентом трения, они сохранят свою энергию в течение нескольких дней. В этом экспериментальном маховике используется сверхпроводящий подшипник без трения, который вращается внутри вакуумной камеры, чтобы сопротивление воздуха не замедляло его. Фото любезно предоставлено Министерством энергетики США / Аргоннской национальной лабораторией.

Законы физики (точнее, первый закон движения Ньютона) говорят нам, что движущийся объект будет продолжать двигаться, если на него не действует сила.Вы могли подумать, что маховик будет вращаться вечно. Единственная проблема в том, что маховики вращаются на подшипниках, поэтому, даже когда они хорошо смазаны, сила трения замедляет их. Есть еще одна проблема: поскольку маховики вращаются в воздухе, сопротивление воздуха или сопротивление также замедляют их. Современные маховики решают эти проблемы, устанавливая их на подшипниках с низким коэффициентом трения. подшипники и герметизированы внутри металлических цилиндров, поэтому они не теряют столько энергия на трение и сопротивление воздуха, как это делали бы традиционные маховики.Самые сложные маховики плавают на сверхпроводящих магнитах (поэтому они почти полностью вращаются без трением) и герметизированы внутри вакуумных камер (поэтому нет потерь на сопротивление воздуха).

Что делает маховик?

Фото: Типичный современный маховик даже не похож на колесо! Он состоит из вращающегося цилиндра из углеродного волокна, установленного внутри очень прочного контейнера, который предназначен для остановки любых высокоскоростных осколков в случае поломки ротора.Такие маховики имеют присоединенный электродвигатель и / или генератор, который накапливает энергию в колесе и возвращает ее позже, когда это необходимо. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Считайте что-то вроде старомодного пара тяговый двигатель - по сути, тяжелый старый трактор с приводом от паровой двигатель, который движется по дороге, а не по рельсам. Допустим, у нас есть тяговый двигатель с большим маховиком, который находится между двигателями производя мощность и колеса, которые принимают эту мощность и перемещение двигателя по дороге.Далее, допустим, маховик имеет муфты, поэтому его можно подключать или отключать от паровой двигатель, ведущие колеса или и то, и другое. Маховик может сделать три очень полезная работа для нас.

Во-первых, если паровой двигатель вырабатывает мощность с перерывами (возможно, потому, что у него только один цилиндр), маховик помогает сгладить мощность, которую получают колеса. Так что пока цилиндр двигателя может добавлять мощность на маховик каждые тридцать секунд (каждый раз, когда поршень выталкивается из цилиндра), колеса могли получать мощность от маховика на устойчивой, непрерывной скорость - и двигатель будет плавно катиться, а не дергаться в уходит и запускается (как если бы он приводился в действие непосредственно поршнем и цилиндр).

Во-вторых, маховик можно использовать для замедления автомобиль, как тормоз, но тормоз, поглощающий энергию автомобиля вместо того, чтобы тратить его как обычный тормоз. Предположим, вы ведете тяга двигателя по улице, и вы внезапно хотите остановиться. Вы может отключить паровой двигатель с помощью сцепления, так что транспортное средство начал бы замедляться. При этом будет передаваться энергия от транспортного средства к маховику, который набирает скорость и сохраняет спиннинг. Затем вы можете отключить маховик, чтобы автомобиль полностью прекратить.В следующий раз, когда вы снова отправитесь в путь, вы должны использовать сцепление, чтобы повторно подсоедините маховик к ведущим колесам, чтобы маховик вернуть большую часть двигателя, поглощенного им при торможении.

В-третьих, маховик может использоваться для временного дополнительная мощность, когда двигатель не может производить достаточно. Предположим, вы хотите обогнать медленно движущуюся лошадь и телегу. Допустим, маховик вращается в течение некоторого времени, но в настоящее время не подключен ни к одному из них двигатель или колеса. Когда вы снова подключаете его к колесам, он как второй двигатель, обеспечивающий дополнительную мощность.Это только работает однако временно, потому что энергия, которую вы подаете на колеса, должна потеряться от маховика, что приведет к его замедлению.

Краткая история маховиков

Древние маховики

Вы можете возразить, что маховики - одно из старейших изобретений: самые ранние колеса были сделаны из тяжелого камня или цельного дерева и, поскольку они обладали высоким моментом инерции, работали как маховики, предназначались они для этого или нет. Гончарный круг (возможно, самая старая из существующих форм круга - даже старше, чем круги используется при транспортировке) полагается на то, что его поворотный стол будет прочным и тяжелым (или с тяжелым ободом), поэтому он имеет высокий момент инерции, который заставляет его вращаться самостоятельно пока вы лепите сверху глину руками.Водяные колеса, которые производят энергию из рек и ручьев, также имеют форму маховиков, с прочными, но легкими спицами и очень тяжелыми ободами, поэтому они продолжают вращаться с постоянной скоростью и питание мельниц на постоянной скорости. Такие водяные колеса стали популярными со времен Римской империи.

Фото: Гидравлические колеса используют простой принцип маховика для поддержания постоянной скорости вращения. Это модель подводного водяного колеса (приводимое в движение рекой, протекающей под ним).

Маховики промышленной революции

Самые известные маховики времен Промышленного Revolution и используются в таких вещах, как заводские паровые машины и тяговые двигатели. Присмотритесь практически к любой заводской машине из 18-го или 19-го века, и вы увидите огромный маховик где-то в механизм. Поскольку маховики часто бывают очень большими и вращаются с большой скоростью скорости, их тяжелые диски должны выдерживать экстремальные нагрузки. Они тоже должны быть выполнены с высокой точностью, так как даже если они немного разбалансированы, они будут слишком сильно раскачиваться и дестабилизировать все, что к ним прикреплено к.Широкая доступность чугуна и стали в Промышленная революция сделала возможным создание качественных, высоких прецизионные маховики, которые сыграли жизненно важную роль в обеспечении работы двигателей и машин плавно и качественно.

После работ таких пионеров электричества XIX века, как Томас Эдисон, электроэнергия вскоре стала широко доступны для управления заводскими машинами, которым больше не нужны маховики для сглаживания неустойчивости, угольные паровые машины. Между тем, автотранспорт, корабли, поезда и самолеты использовали двигатели внутреннего сгорания, работающие от бензин, дизельное топливо и керосин.Маховики обычно были большими и тяжелыми и не было места внутри чего-то вроде автомобильного двигателя или корабля, не говоря уже о самолете. В результате технология маховиков несколько упала на на обочине по мере развития 20-го века.

Современные маховики

С середины 20 века интерес к маховикам снова поднялся, в основном потому, что людей стало больше обеспокоены ценами на топливо и воздействием на окружающую среду используя их; имеет смысл экономить энергию - и маховики очень хороши в этом.Примерно с 1950-х годов европейские производители автобусов такие как M.A.N. и Mercedes-Benz экспериментировали с технология маховика в транспортных средствах, известных как гиробусы. Основная идея - установить тяжелый стальной маховик (диаметром около 60 см или пару футов, вращающийся со скоростью около 10000 об / мин). между задним двигателем автобуса и задней осью, поэтому он действует как мост между двигателем и колеса. Когда автобус тормозит, маховик работает как рекуперативный тормоз, поглощение кинетической энергии и замедление транспортного средства.Когда автобус снова заводится, маховик возвращается передает энергию трансмиссии, экономя большую часть энергии торможения, которая в противном случае были потрачены впустую. Современная железная дорога и в поездах метро также широко используются рекуперативные тормоза с маховиком, что может дать общую экономию энергии, возможно, на треть или более. Некоторые производители электромобилей предложили использовать сверхбыстрые вращающиеся маховики. в качестве накопителей энергии вместо батарей. Одним из больших преимуществ этого является то, что маховики потенциально может прослужить в течение всего срока службы автомобиля, в отличие от аккумуляторов, которые могут потребуется очень дорогая замена примерно через десять лет.

Фото: Современный маховик, разработанный НАСА для использования в космосе. Обратите внимание, как серебристый центр колеса в основном это пустое пространство и спицы, а масса колеса сосредоточена вокруг обода. Это дает колесо то, что известен как высокий момент инерции (более подробно объясняется ниже) и позволяет ему накапливать больше энергии. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

За последние несколько лет болиды Формулы-1 также использовали маховики, но больше для увеличения мощности, чем для экономии энергии.Технология называется KERS (Kinetic Energy Recovery System) и состоит из очень компактного, очень скоростного маховика (вращается со скоростью 64000 об / мин), которая поглощает энергию, которая обычно теряется в виде тепла при торможении. Водитель может нажмите переключатель на рулевом колесе, чтобы маховик временно взаимодействует с трансмиссией автомобиля, обеспечивая кратковременный прирост скорости при для ускорения требуется дополнительная мощность. С таким скоростным маховиком, соображения безопасности становятся чрезвычайно важными; маховик установлен внутри сверхпрочного контейнера из углеродного волокна, чтобы не повредить драйвер, если он взорвется.(В некоторых формах KERS используются электродвигатели, генераторы, и аккумуляторы для хранения энергии вместо маховиков, аналогично гибридным автомобилям.)

Так же, как маховики - в виде водяные колеса - играли важную роль в усилиях человека по использованию энергии, поэтому они возвращаются в современное производство электроэнергии. Один трудностей с силовыми установками (а тем более с формы возобновляемой энергии, такие как энергия ветра и солнца) заключается в том, что они не обязательно производить электричество постоянно или таким образом, чтобы точно соответствует росту и падению спроса в течение день.Связанная с этим проблема заключается в том, что производить электричество намного проще, чем стоит хранить его в большом количестве. Маховики предлагают решение этот. Иногда, когда предложение электроэнергии превышает спрос (например, ночью или в выходные) электростанции могут кормить их избыток энергии в огромные маховики, которые будут хранить ее в течение периоды от минут до часов и время от времени отпускайте его снова пиковой потребности. На трех заводах в Нью-Йорке, Массачусетсе и Пенсильвании. Компания Beacon Power первой использовала маховики, чтобы обеспечить накопление энергии до 20 мегаватт для удовлетворения временных пиков потребления энергии. спрос.Они также используются в компьютерных центрах обработки данных, чтобы обеспечивать аварийное, резервное питание на случай отключения электроэнергии.

Достоинства и недостатки маховиков

Маховики - это относительно простая технология с множество плюсов по сравнению с конкурентами, такими как аккумуляторные батареи: с точки зрения начальной стоимости и текущих обслуживание, они обходятся дешевле, служат примерно в 10 раз дольше (Есть еще много работающих маховиков, начиная с Industrial Revolution), экологически чистые (не производят выбросов углекислого газа и не содержат опасных химикатов, вызывающих загрязнение), работают практически в любом климате и очень быстро набирают обороты. (в отличие, например, от батарей, для зарядки которых может потребоваться много часов).Они также чрезвычайно эффективен (может быть 80 процентов или больше) и занимает меньше пространство, чем батареи или другие формы хранения энергии (например, накачанные водохранилища).

Фото: Маховики - отличная альтернатива батареям. Здесь маховик (справа) используется для хранения электроэнергии, производимой солнечной панелью. Электричество от панели приводит в действие электродвигатель / генератор, который раскручивает маховик до нужной скорости. Когда требуется электричество, маховик приводит в действие генератор и снова производит электричество.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL

Самый большой недостаток маховиков (конечно что касается транспортных средств) - это вес, который они добавляют. Полная Формула 1 KERS система маховика (включая необходимый контейнер, гидравлику и электронные системы управления) около 25 кг к весу автомобиля, что является значительной дополнительной нагрузкой. Другая проблема (особенно для гонщиков Формулы 1) в том, что большое тяжелое колесо вращение внутри движущегося автомобиля будет действовать как гироскоп, сопротивляться изменениям в своем направлении и потенциально влиять на управляемость автомобиля (хотя есть разные решения, включая установку маховиков на подвесах, например, на корабельном компасе).А дальнейшая трудность заключается в огромных напряжениях и деформациях, которые маховики опыт, когда они вращаются с чрезвычайно высокой скоростью, что может вызвать их разбить и взорвать на осколки. Это действует как ограничение на как быстро могут вращаться маховики и, следовательно, сколько энергии они можно хранить. В то время как традиционные колеса делались из стали и вращались на свежем воздухе, современные чаще используют высокоэффективные композиты или керамика и быть запечатанными внутри контейнеров, что делает возможны более высокие скорости и энергия без ущерба для безопасности.

.

Маховик - Энергетическое образование

На изображении показан маховик, типичный для того, что будет использоваться в механизмах или автомобилях.

Маховик - это механическое устройство, накапливающее энергию в виде вращательного момента. К маховику можно приложить крутящий момент, чтобы заставить его вращаться, увеличивая его вращательный момент. Этот сохраненный импульс затем можно использовать для приложения крутящего момента к любому вращающемуся объекту, чаще всего к машинам или автомобилям. В случае автомобилей и других движущихся объектов инерция вращения маховика может оказывать влияние из-за гироскопического движения, препятствуя изменению направления движения транспортного средства.2} {2} [/ math] где,

• [математика] E_ {вращение} [/ математика] - энергия, запасенная во вращательном моменте (Джоули, Дж)

• [math] I [/ math] - момент инерции объекта (килограмм * метры 2 , кгм 2 )

• [math] \ omega [/ math] - скорость вращения (радианы в секунду, рад / с).


Полная энергия, накопленная в маховике, зависит от скорости вращения (ω) или инерции (I) маховика. Типичный маховик состоит из твердого цилиндра с радиусом [math] r [/ math] и массой [math] m [/ math].2} {2} [/ математика]


Чтобы изменить инерцию маховика, необходимо изменить радиус или массу маховика. Существуют четкие ограничения на увеличение этих двух свойств. Если масса маховика значительна по сравнению с общим весом транспортного средства, гироскопический эффект затруднит поворот транспортного средства. Поскольку большинству маховиков необходимо будет поместиться внутри другой конструкции, увеличение радиуса маховика ограничивается общими размерами системы, в которой он используется.

Приложения

Изображение системы рекуперативного торможения с маховиком на двигателе Volvo [2]

Маховики часто используются для поддержания постоянной энергии там, где нормальный источник энергии непостоянен. Например, маховик может быть соединен с коленчатым валом двигателя (предполагая механическую коробку передач), накапливая энергию вращения при приложении крутящего момента. Когда крутящий момент снят, маховик может продолжать передавать крутящий момент на приводной вал, давая двигателю более стабильную выходную мощность.Этот тип маховика часто использовался на старых двигателях внутреннего сгорания, которые обычно страдали от детонации и прерывистой работы двигателя. Более легкий маховик - одна из причин, по которой малолитражки могут рывковать на малых скоростях.

Другое применение маховиков - придание приводному валу выходной мощности, превышающей выходную мощность одного двигателя. В автотранспортных средствах маховики используются для хранения энергии, которая подается на приводной вал во время ускорения, что дает автомобилю прирост мощности.Энергия может храниться в маховике за счет рекуперативного торможения.

Поскольку маховики становятся более эффективными с увеличением размера, они более полезны для более крупных транспортных средств. Большие транспортные средства имеют большую массу, что сводит к минимуму эффекты гироскопического движения. Обычно современные маховики используются в поездах, полуприцепах и других крупных транспортных средствах. [3]

Тормозные системы с маховиком также используются в гонках Formula one Racing. Система в Формуле-1, называемая системой рекуперации кинетической энергии (KERS), имела маховик, прикрепленный к каждому из двух ведущих колес для хранения энергии.Затем энергия была использована для увеличения мощности автомобиля на 81 л.с. на 6,67 секунды за круг, что контролировалось водителем с помощью кнопки на рулевом колесе. [4]

Номер ссылки

.

Маховик | компонент машины | Britannica

Маховик , тяжелое колесо, прикрепленное к вращающемуся валу, чтобы сгладить передачу мощности от двигателя к машине. Инерция маховика противодействует колебаниям скорости двигателя и смягчает их, а также сохраняет избыточную энергию для периодического использования. Чтобы эффективно противодействовать колебаниям скорости, маховику придается высокая инерция вращения; , то есть , большая часть его веса находится далеко от оси. Колесо с тяжелым ободом, соединенным с центральной ступицей спицами или перемычкой (колесо А на рисунке), имеет высокую инерцию вращения.Многие маховики, используемые в поршневых двигателях для сглаживания потока мощности, сделаны таким образом. Однако энергия, запасенная в маховике, зависит как от распределения веса, так и от скорости вращения; если скорость увеличивается вдвое, кинетическая энергия увеличивается в четыре раза. Маховик ободного типа лопнет при гораздо меньшей скорости вращения, чем дисковое колесо того же веса и диаметра. Для обеспечения минимального веса и высокой энергоемкости маховик может быть изготовлен из высокопрочной стали и выполнен в виде конического диска, толстого в центре и тонкого у обода ( см. Рисунок B).

(А) маховик ободной; (B) маховик с коническим диском Encyclopdia Britannica, Inc.

Британская викторина

Гаджеты и технологии: факт или вымысел?

Виртуальная реальность используется только в игрушках.

В автомобильных двигателях маховик служит для сглаживания импульсов энергии, возникающих при сгорании в цилиндрах, и для обеспечения энергии такта сжатия поршней.Чем больше инерция вращения маховика, тем меньше изменения скорости в результате прерывистой подачи и потребления энергии.

В силовых прессах вырубка, резка и формовка выполняются только за часть рабочего цикла. В течение более длительного периода бездействия скорость маховика медленно увеличивается за счет сравнительно маломощного двигателя. Во время работы пресса большая часть необходимой энергии вырабатывается маховиком.

.

Смотрите также