Техника - молодёжи 1977-07, страница 66

Торможение двигателем

К 3-й стр. обложки

СЕВЕРИН ДРОБЯЗКО, доктор технических наук,

КИРИЛЛ ЮДИН, кандидат технических наук (Киевский политехнический институт)

Да-да, здесь нет ошибки — заголовок верен: достаточно переключить или направить двигатель так, чтобы его усилие или момент противодействовали движению, и мы добьемся желаемого эффекта. Например, при торможении космического корабля сопло его реактивного двигателя обращают вперед. А скажем, при экстренной остановке паровой машины пар подают в цилиндры через другие клапаны, и он уже препятствует ходу поршней. Если же это надо сделать с электромотором, изменяют подключение статорной обмотки — теперь электромагнитные силы стараются повернуть ротор в противоположную сторону...

Хотя технические показатели такого тормозного процесса хороши, энергетически он явно невыгоден. Ведь, гася энергию тормозимого объекта, двигатель сам потребляет энергию, расходует топливо, пар, электричество. Да что говорить — читателю наверняка довелось на себе испытать недостатки этого процесса. Он по опыту знает: при спуске с крутого склона устаешь, пожалуй, не меньше, чем и при подъеме — мускулы ног интенсивно работают и там и тут, преодолевая тяготение. Взгляните на фрагмент известной картины художника В. Сурикова «Переход Суворова через Альпы», помещенный на 3-й странице обложки журнала. Замечаете, каких усилий стоит русским солдатам подтормаживание при спуске с горы?

Но неужели клин можно вышибить только клином, энергию можно компенсировать только энергией? Конечно, нет. В принципе ничто не мешает механическую энергию, поступающую от тормозимого объекта направить в двигатель и с его по

мощью преобразовать ее • какой-либо иной вид (допустим, в тепло, как в колодочных тормозах), а потом рассеять (как • тех же тормозах) или куда лучше — полезно использовать (рис. 2). С этой точки зрения мы и рассмотрим вкратце различные типы двигателей: все ли они способны работать в столь необычном режиме?

Тепловой двигатель. Как ни крути двигатель Внутреннего сгорания (ДВС), а механическую энергию, поступающую на его вал, не превратишь в химическую, запаса бензина в баке не восстановишь. Единственное, что мы получим, — тепло, возникающее за счет трения деталей и сжатия воздуха в цилиндрах. Но и этого рассеяния энергии (сюда еще прибавляется расход на вращение вспомогательных механизмов, связанных с ДВС) оказывается вполне достаточно, чтобы двигатель сыграл роль тормоза (рис. 1). Такой компрессионный режим широко используется водителями автомашин, особенно на затяжных спусках. К сожалению, мощность ДВС «в новом образе» достигает лишь 30% от прежней величины. Однако ее можно существенно повысить, прибегнув к специальным приемам — например, перекрыв выхлопную трубу. Этот способ иногда применяется на автомобилях — лесовозах, работающих на горных лесоразработках.

Необратимы и другие тепловые двигатели — газовая и паровая турбины, паровая машина. Скажем, последняя не может работать в таком режиме, чтобы механическая энергия преобразовывалась в тепловую и повышала бы давление и температуру пара в котле. Им под силу лишь частичное торможение, подобное компрессионному.

Электродвигатели. А вот электродвигатели обратимы: переходя на тормозной режим, они тормозят объект и при этом развивают полную мощность.

Но куда девать получаемое электричество? Чаще всего оно также рассеивается в виде тепла. В электрическую цепь двигателя включается сопротивление. Протекающий ток нагревает его, и энергия торможения преобразуется в тепловую, теряясь в окружающей среде. Такое торможение может быть названо электротепловым (рис. 3). Оно широко применяется в механизмах с электрическим приводом — например, в подъемных кранах, станках, трамваях, транспортерах и т. д. Получаемая энергия ввиду прерывистого характера ее выработки и нестабильности параметров не имеет практического значения. Изредка ее утилизируют — скажем, для обогрева салона трамвая в зимнее время.

В некоторых случаях электроэнергию, получаемую за счет торможения, можно рекуперировать, то есть возвратить в электрическую сеть и направить к другим потребителям. Подобное торможение очень выгодно энергетически (рис. 5). Оно используется во многих машинах — при движении электропоездов под уклон, спуске лифтов, подъемников, колонны буровых труб, груза по транспортеру.

Если электродвигатель получает питание от аккумуляторной батареи, возможна не только рекуперация, но и запасание энергии торможения. В тормозном режиме он подзаряжает аккумуляторы, где электрическая энергия преобразуется в химическую и в таком виде сохраняется (рис. 4). Этот способ особенно перспективен для решения проблемы электромобиля или инопланетных экипажей типа луноходов. Ведь их пробег лимитирован запасом энергии в электрохимических источниках, а те, да и подзаряжающие их солнечные батареи, в свою очередь, ограничены заранее заданным весом.

Электрическая трансмиссия получает все большее распространение на транспорте: тепловозах, мощных автомобилях и автопоездах, самоходных землеройных машинах и т. д. В этой установке ДВС крутит генератор, от которого питаются электродвигатели, вращающие колеса. При торможении здесь возможно двойное преобразование энергии: механическая — электрическая — механическая {рис. 7). В отличие от обычного колодочного торможения тепловозов и иногда применяемого электротеплового (так называемого электродинамического) такой способ «мобилизует» все электрические машины трансмиссии и ДВС. Электродвигатели переводятся в генераторный режим и превращают механическую энергию, поступающую от колес тепловоза, в электрическую. Она подается на генератор (теперь уже играющий роль мотора) и преобразуется им вновь в механическую. Последняя частично используется, приводя во вращение вспомогательные механизмы, связанные с валом ДВС {тепловозный компрессор, стартер-генератор, заряжающий аккумуляторные батареи, и т. п.), а частично рассеивается в компрессионном режиме (рис. 6). Электромеханическое торможение выгодно по энергетическим показателям, ибо позволяет уменьшить износ тормозных колодок, скатов, сэкономить топливо. Оно эффективно и в сочетании с другими способами торможения.

Специальные двигатели. Обратимостью обладают и гироскопические (маховичные) двигатели, которые од-

63