WO2016190769A1

WO2016190769A1 - Способ повышения энергетической эффективности механических систем

Info

Publication number: WO2016190769A1
Application number: PCT/RU2015/000321
Authority: WO
Inventors: Сергей Викторович ПОСОХИН
Original assignee: Сергей Викторович ПОСОХИН
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2016-12-01

Abstract

Изобретение относится к области повышения эффективности работы механических систем. Способ повышения энергетической эффективности механической системы включает соединение упругими связями циклически движущиеся элементы конструкции между собой и/или с основанием, а их жесткости подбирают такими, чтобы в системе осуществлялся резонансный или близкий к нему автоколебательный режим, характеризующийся отсутствием или существенным уменьшением реактивных энергетических потерь.

Description

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Изобретение может быть использовано при проектировании машин и механизмов, в состав которых входят циклически движущиеся элементы их конструкции, где предъявляется серьезное требование экономии энергии в условиях ее ограниченного запаса.

Известно, близкое по замыслу, техническое решение в патенте РФ «RU 2096239», «МУСКУЛЬНО-ПРУЖИННО-ИНЕРЦИОННЫЙ ОПОРОПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ СПОСОБ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ И ТРЕНАЖА «ПРУЖИНВОЛНА»», которое МЫ Примем В качестве прототипа.

К недостаткам прототипа следует отнести нечеткость постановки задачи, а, следовательно, и нечеткость в ее решении, а также нечеткость изложения, что создает трудности для восприятия, а также трудности при воспроизведении конкретной конструкции. Однако, несмотря на все трудности, можно констатировать, что в качестве двигательной установки выступает человек, а в качестве аккумулятора энергии - упругая деформация пружин. Однако ненадлежащее использование пружин, как показывает практика, может породить только хаотичность движений и травматизм спортсмена.

Целью изобретения является создание конструктивного решения механической системы, а также режима её работы, обеспечивающего минимизацию расхода энергии двигательной установки.

Поставленная цель достигается тем, что циклически движущиеся элементы конструкции механических систем соединяют упругими связями между собой и (или) с основанием, а их жесткости подбирают такими, чтобы в системе осуществлялся резонансный или близкий к нему автоколебательный режим, характеризующийся отсутствием или существенным (при автоколебаниях) уменьшением реактивных энергетических потерь.

Покажем это с помощью известной теории, приводящей к довольно широкому спектру, аналогичных между собой, решений. Краткая сущность, предлагаемого здесь, основного теоретического положения сводится к тому, что, например, движитель транспортного средства, имеющий в своем составе циклически движущиеся элементы конструкции, с целью уменьшения реактивных потерь, выполняется в виде механического резонатора. Положение элемента зададим обобщенной координатой q(t). Рассмотрение задачи в линейной постановке приводит к дифференциальному уравнению:

mq + rq + kq = F₀ cos Qt (1)

Здесь: m - коэффициент, характеризующий инерционные свойства элемента (масса или момент инерции), г - коэффициент характеризующий рассеивание энергии, к - жесткость пружины, последовательно соединенной с источником обобщенной вынуждающей силы, периодически изменяющейся с круговой частотой Ω и амплитудой F₀, здесь t - время. Придание конструкции свойств механического резонатора достигается соединением ее подвижного элемента упругой связью с основанием и в дифференциальном уравнении (1) выражается введением слагаемого kq. Установившиеся вынужденные колебания элемента по координате q, также как и вынуждающая сила являются гармоническими и совершаются с той же круговой частотой Ω:

q{t) = q_A cos(Qt + φ), - q(t) = q_A sin(Qt + φ), q_A = q_Ad (2)

Введем круговую частоту ω₀ свободных колебаний элемента. При отсутствии вынуждающей силы, ω₀ = /к/т . Широко известно явление резонанса, состоящее в резком возрастании амплитуды q_A колебаний элемента по координате q при частоте вынуждающей силы Ω — > ω₀. Возрастание амплитуды колебаний объясняется тем, что в этом случае вынуждающей силе нет необходимости работать, ни против инерционного - Clm, ни против позиционного — к /Ω сопротивлений механического резонатора, т.к. их сумма, при резонансе, равна нулю.

Покажем это, приведя выражение для амплитуды q_A :

ЧА = Fo/л/г² + [ к /й - ton ]² (3) Как видно, выражение для амплитуды имеет свободный параметр - частоту вынуждающей силы Ω, которую можно выбрать такой, чтобы выражение в квадратных скобках было равно нулю.

к /а - Ωτη = 0, (4) Откуда, выражая Ω через параметры, будем иметь:

Из чего следует, что отсутствие реактивных потерь достигается при равенстве частоты вынуждающей силы Ω частоте со₀ свободных колебаний элемента конструкции.

При этом максимальная амплитуда колебаний по координате q(\) равна q_Amax = F₀/r, и зависит лишь только от сопротивления трения. В большинстве случаев максимальная амплитуда колебаний ограничивается конструктивными особенностями механических систем. Тогда поддержание заданной амплитуды колебаний на резонансной частоте, при отсутствии реактивных потерь, позволяет существенно снизить амплитуду вынуждающей силы, потребную мощность силовой установки и, следовательно, расход ограниченного запаса энергии.

Таким образом, энергия вынуждающей силы тратится лишь только на компенсацию ее потерь на трение. Равенство нулю реактивного сопротивления и, следовательно, реактивных потерь является положительным и весьма существенным обстоятельством особенно при больших моментах инерции или массы движителя, соизмеримых с массой тела человека для случаев транспортных средств индивидуального пользования, приводимых в движение силой человека.

Claims

Формула изобретения Способ повышения энергетической эффективности механических систем и примеры его реализации, отличающийся тем, что циклически движущиеся элементы их конструкции соединяют упругими связями между собой и (или) с основанием, а их жесткости подбирают такими, чтобы в системе осуществлялся резонансный или близкий к нему автоколебательный режим, характеризующийся отсутствием или существенным (при автоколебаниях) уменьшением реактивных энергетических потерь. Примерами реализации способа являются:

1. Узел соединения крыльев «махолета», отличающийся тем, что соединенные шарниром левое и правое крылья, соединены между собой также пружиной, развивающей усилие, направленное против подъемных сил левого и правого крыла, причем жесткость пружины подбирается такой, чтобы, в режиме планирующего полета, соответствующего неизменному относительному положению левого и правого крыльев, для каждого из них, моменты от позиционной силы пружины и подъемной силы крыла относительно продольной оси «махолета» были равны между собой, при этом колебательные движения крыльев осуществляют путем периодического приложения усилий пилотом на резонансной (либо кратно меньшей) частоте колебательной системы в фазе движения крыльев вниз.

2. Узел соединения лыжного ботинка и лыжероллера отличающийся тем, что замок крепления ботинка смонтирован на промежуточной пластине, отжимаемой от платформы лыжероллера упругим элементом (пружиной), а угол поворота промежуточной пластины ограничен упором, причем жесткость пружины подбирается такой, чтобы резонансная частота колебательной системы, на которой осуществляет движение и периодически прикладывает усилия спортсмен, соответствовала его физиологическим особенностям.

3. Узлы соединения подвижных частей академической лодки с её корпусом, отличающиеся тем, что корпус и весло соединены пружинами, а также тележка гребца соединена пружинами с корпусом лодки так, чтобы имело место положение равновесия, соответствующее стартовому состоянию, причем жесткость пружин подбирается такой, чтобы резонансная частота колебательной системы, на которой осуществляет движение и периодически прикладывает усилия спортсмен, соответствовала его физиологическим особенностям.

Примечание: Махолет - пока гипотетический летательный аппарат, приводимый в движение мускульной силой пилота. Именно сделанное в п.1 предложение делает его реалистичней.