научная статья по теме ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АВТОНОМНЫХ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АВТОНОМНЫХ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 4, 2010

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕХАНИКА, ДИАГНОСТИКА, ИСПЫТАНИЯ

УДК 62.522:62.387

© 2010 г. Бозров В.М., Ивлев В.И.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АВТОНОМНЫХ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Анализируются современное состояние, перспективы развития и возможные области применения транспортных средств, использующих энергию сжатого воздуха. Получены предельные оценки потенциала работоспособности пневматического источника питания и поршневого пневмомотора. Показана возможность использования рекуперации энергии торможения для последующего разгона.

Ожидаемое в ближайшее время снижение доступных запасов нефти и экологические проблемы вызвали в последнее десятилетие значительный рост объемов исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на существенное снижение расхода моторных топлив традиционных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также разработку новых двигателей и источников энергии для транспортных средств, прежде всего электрических, питаемых от высокоемких аккумуляторных батарей или водородных топливных элементов. Построены и уже эксплуатируются так называемые гибридные автомобили (оснащенные ДВС и электромотором), которые можно рассматривать как переходный этап к чистому электромобилю по мере совершенствования и снижения стоимости аккумуляторных батарей. Эти направления развивают практически все ведущие мировые производители автомобилей, а объем вкладываемых в разработки средств измеряется миллиардами долларов.

Помимо этих направлений, целый ряд небольших инновационных компаний развивают другие энергосберегающие технологии для транспортных средств, связанных с использованием супермаховиков [1], гидравлических систем рекуперации энергии торможения [2, 3] и пневматики, как в чистом виде (с баллоном высокого давления для хранения запаса сжатого воздуха) [4, 5], так и в виде гибридных вариантов [5, 6].

Среди указанных разработок определенный интерес представляют транспортные средства, работающие на сжатом воздухе, что можно объяснить следующими причинами. Пневмопривод имеет ряд преимуществ по сравнению с другими типами приводов. В частности, по удельным массогабаритным показателям (таблица), пожаро- и взрывобезопасности, способности работать в сильно запыленной, влажной и радиационной среде, способности переносить длительные перегрузки без перегрева, простоте конструкции и относительно невысокой стоимости.

4* 99

Тип двигателя Удельная весовая мощность, л.с./кг Удельная мощность, л.с./куб. дм

Дизельные двигатели 0,1-0,2 0,03-0,1

Двигатели внутреннего сгорания 0,04-0,18 0,02-0,07

Электромоторы (менее 3 л.с.) 0,02-0,15 0,1-0,2

Поршневые пневмомоторы 0,1-0,2 0,1-0,4

Пластинчатые пневмомоторы 0,4 1,3-1,7

Гидроцилиндры 0,8-1,0 2,7-2,8

По этим причинам пневматические неавтономные транспортные устройства (питаемые от стационарного компрессора через систему гибких трубопроводов) нашли самое широкое применение во взрывоопасных производствах. Например, выпускается большой ассортимент пневмоталей компаниями Atlas Copco (Швеция), Ingersol Rand (США), мостовые краны с пневмоприводами всех степеней подвижности и системой управления на элементах пневматической логики (Бурейский механический завод. Россия), а также самоходные устройства для горных работ.

В области создания автономных пневматических транспортных средств (с баллонным источником сжатого воздуха на борту) наиболее значимые результаты получены компаниями Engineair (Австралия), MDI (Motor Development International, Франция), Festo (Германия). Разработки Engineair базируются на оригинальном пневмомоторе [7], представляющем собой роторную конструкцию, объединяющую достоинства схемы Ванкеля и пластинчатого пневмомотора. По данным сайта Engineair [4] мотор имеет достаточно малые потери на трение (давление трогания — 0,07 атм), а удельный расход составляет порядка 1 м3/мин на 1 кВт развиваемой мощности. Это достаточно хороший показатель, но не лучше, чем у наиболее экономичных серийно выпускаемых образцов (например, российские пневмомоторы серии ДАР разработки НИПИ-ГОРМАШ). Анализ конструкции мотора Engineair показал, что с точки зрения механики он выполнен на высоком уровне, что же касается пневматических трактов и системы воздухораспределения, то здесь возможны потери давления из-за повышенного пневмосопротивления и утечек. Это и объясняет полученную величину удельного расхода воздуха. На основе указанного мотора был построен микрогрузовик грузоподъемностью 500 кг, у которого баллон объемом 105 л обеспечивает запас хода на одной заправке 16 км.

Разработки компании MDI основаны также на оригинальной конструкции поршневого пневмомотора с выстоем рабочего поршня в верхней мертвой точке для более полного заполнения рабочей полости сжатым воздухом из смесительной камеры. Принципиальная схема привода показана на рис. 1, а.

Смесительная камера служит для повышения температуры рабочего тела путем добавления в холодный воздух, впрыснутого из баллона, горячего сжатого воздуха, полученного в дополнительном компрессионном цилиндре (U.S. Patent № 8334.435). Таким образом, часть энергии сжатого воздуха из баллона идет на его нагрев после дросселирования. На сайте компании MDI [www.mdi.lu] демонстрируются различные модели микроавтомобилей. работающие на сжатом воздухе, а пробег на одной заправке, по данным компании, доходит до 200 км.

Компания Festo разработала уникальную конструкцию биомеханического подводного робота в виде рыбы, использующую для движения плавников пневмомускулы, работающие от 1,5-литрового баллона с давлением сжатого воздуха 30 МПа, которого хватает на 35 минут работы.

При обсуждении этих данных на Интернет-форумах высказываются самые разные мнения о перспективности сжатого воздуха в транспортных средствах, вплоть до нега-

Рис. 1. Принципиальная схема привода со смесительной камерой (а) и теплообменником (б): 1 — баллон со сжатым воздухом, 2 — заправочная горловина, 3 — пневмоклапаны, 4 — смесительная камера, 5 — пневмомотор, 6 — компрессор, 7 — регулятор давления, 8 — теплообменник

тивных (например, на сайте http://www.inauka.ru/false/), что объясняется следующим. Удельная энергия сжатого воздуха (при давлениях 30—40 МПа) в 20—30 раз уступает энергии углеводородных топлив и на порядок — электрохимической энергии, запасаемой в современных аккумуляторах. Понятно, что пневмомобили никогда не станут полноценной заменой традиционных авто- и перспективных электромобилей, несмотря на простоту устройства, дешевизну и высокую экологичность. Речь может идти только о специальных областях, где транспортные средства на сжатом воздухе вполне могут найти применение.

Целью настоящей статьи является оценка потенциальных возможностей использования сжатого воздуха в качестве источника энергии для движения транспортных средств. Для этого определим наиболее перспективные области применения и сформулируем основные требуемые технические показатели транспортного средства. В частности, это может быть внутризаводской транспорт взрывоопасных производств, пищевой промышленности, транспорт для перевозки багажа в пляжных отелях и т.д. Здесь движение происходит по гладким ровным поверхностям с небольшими уклонами; к динамике разгона не предъявляется особо жестких требований, скорости перемещения не велики (не более 40 км/час), грузоподъемность не более 500 кг, запас хода на одной заправке порядка 20 км. Расчет выполнен для схемы привода (рис. 1, б) с теплообменником для подогрева дросселируемого из баллона воздуха.

Для реализации указанных показателей необходим пневмомотор, мощность которого определяется следующими соотношениями:

N = Гс¥т = [ехрУШБ/2 + ¡апа + /кес8а)] Ут, шУ/2 + ГсЬр < Шр,

(1)

где N — мощность мотора; Fc — сила сопротивления движению, складывающаяся из силы аэродинамического сопротивления, силы сопротивления качению (с коэффициентом сопротивления ^ = 0,013) и силы скатывания при движении на уклон с углом подъема а; Vm — максимальная скорость движения по ровной поверхности (а = 0) (при подъеме на уклон 1 : 10 скорость равна V = 0,3^Ш); сх — коэффициент лобового сопротивления воздуха, равный 0,35; = 1,5 м2 — площадь поперечного сечения транспортного средства; р — плотность воздуха, равная при нормальных условиях 1,2 кг/м3; ш — масса транспортного средства с грузом (принимаем равным 1000 кг); Ьр и — соответственно путь и время разгона до скорости V.

Из соотношений (1) для приведенных параметров получаем максимальную мощность пневмомотора, равную 2,9 кВт. Средняя мощность, определяемая режимами работы (например складского погрузчика) равна Щ = ^ N ¿¡/1й, где — время работы пневмомотора с мощностью Щ — время работы на одной заправке.

С учетом мощности привода обдува теплообменника "воздух—воздух", составляющей 180 Вт (например теплообменник TD50 фирмы Atlas Copco), имеем оценку величины Nc = 2 кВт, td = 2 ■ 103 с, а совершаемая мотором работа A = Nctd = 4 МДж.

Получим оценку необходимого количества сжатого воздуха для совершения работы, а также объем баллона высокого давления, который должен без проблем вписываться в компоновку транспортного средства. Наличие теплообменника или дополнительного компрессионного цилиндра (рис. 1, а) связана с необходимостью подогрева сжатого воздуха после его дросселирования из баллона высокого давления перед подачей в пневмомотор с тем, чтобы не допустить снижение его температуры ниже точки росы.

Для получения оценки необходимой массы сжатого воздуха, используем показатель удельного расхода сжатого воздуха пневмомотором на единицу развиваемой мощности. Для наиболее удачных конструкций поршневых пневмомоторов этот показатель составляет 0,9 м3 (при нормальных условиях) на 1 кВт развиваемой мощности при давлении питания 0,5—0,6 МПа и температуре 293 К. Эксергия 1 кг сжатого воздуха (т.е. максимальное значение механической работы, которое от него можно получить) при 0,5 МПа и 293 К составляет 120 кДж/кг [8]. С учетом приведенного показателя удельного расхода с одного килограмма сжатого воздуха можно получить 56 кДж. Соответственно, коэффициент полезного действия пневмом

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»