PL B1. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL BUP 01/18. WIESŁAW FIEBIG, Wrocław, PL WUP 08/18 RZECZPOSPOLITA POLSKA

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. F16F 15/24 ( ) F03G 7/08 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób redukcji pulsacji momentu obrotowego i prędkości kątowej oraz magazynowania energii w maszynach z układami korbowo-tłokowymi oraz układ do realizacji tego sposobu (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 01/18 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 08/18 (72) Twórca(y) wynalazku: WIESŁAW FIEBIG, Wrocław, PL PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób redukcji pulsacji momentu obrotowego i pulsacji prędkości kątowej oraz magazynowania energii w maszynach z układami korbowo-tłokowymi oraz układ do realizacji tego sposobu wykorzystujące zjawisko rezonansu mechanicznego. Przedmiot wynalazku przeznaczony jest do zastosowania w jednostkach jak na przykład sprężarki tłokowe, pompy czy silniki spalinowe, które przeznaczone są do pracy zasadniczo ze stałą prędkością obrotową podczas której potrzebna jest energia do wykonania pracy oraz pokrycia strat związanych z oporami ruchu. Do redukcji pulsacji momentu, redukcji pulsacji prędkości kątowej, magazynowania energii w maszynach z układami korbowo-tłokowymi a także dla obniżenia zużycia energii w układach do napędu maszyn tłokowych powszechnie stosuje się koła zamachowe. Ruch obrotowy masy koła zamachowego i gromadzenie przez to energii może być zastąpiony ruchem oscylacyjnym o określonej amplitudzie i częstotliwości rezonansowej. Powyższe można wyjaśnić na przykładzie jednomasowego oscylatora harmonicznego. Maksymalna wartość energii oscylatora harmonicznego jest zależna od maksymalnej amplitudy drgań Amax, masy m wykonującej drgania i częstości drgań własnych oscylatora n. E max = 1 2 ka 2 max = 1 2 ma 2 2 maxω n Przy czym, k = mω n 2, k sztywność sprężyny. Maksymalna amplituda drgań oscylatora zależy głównie od tłumienia występującego w oscylatorze. Energia kinetyczna koła zamachowego znajdującego się w ruchu obrotowym jest wyrażona wzorem: E k = 1 2 Iω2 = 1 2 mr2 ω 2 Przy czym I = mr 2 dla masy obracającej się na promieniu r stanowiącej koło zamachowe. Przedstawione wzory są tożsame przy założeniu, że r = Amax. Z powyższego wynika, że ruch obrotowy masy i gromadzenie przez nią energii mechanicznej może być zastąpiony ruchem oscylacyjnym o określonej amplitudzie i częstotliwości rezonansowej. Wpływ masy oraz częstości kołowej w obu układach jest jednakowy. Podczas drgań układu mechanicznego amplituda drgań zależy od stosunku częstości siły wymuszającej do częstości drgań własnych układu. Jeśli częstotliwość siły wymuszającej jest równa częstotliwości drgań własnych następuje zwielokrotnienie amplitudy drgań. Zjawisko to nazywa się rezonansem mechanicznym. Dla układu jednomasowego składającego się z masy i sprężyny (posiadającego 1 stopień swobody) występuje jedna częstotliwość drgań własnych, która zależy od współczynnika sztywności sprężyny oraz z masy. Ponieważ w praktyce zawsze występuje tłumienie drgań, współczynnik zwielokrotnienia amplitudy osiąga skończone wartości. Wartość amplitudy drgań w warunkach rezonansu jest silnie zależna od tłumienia występującego w układzie mechanicznym. Z polskiego opisu patentowego PL znane jest urządzenie wykorzystujące rezonans mechaniczny do napędu maszyn i urządzeń. Urządzenie według tego rozwiązania jest oscylatorem zawierającym co najmniej jedną masę, element wymuszający drgania ze sterownikiem oraz listwę zębatą współpracującą z kołem zębatym, przy czym koło zębate łożyskowane jest na ramie, zaś listwa zębata połączona jest na stałe z masą, która to masa umieszczona jest na wózku prowadnicy liniowej zamocowanej na ramie oraz połączona z jedną ściskająco-rozciągającą sprężyną, albo dwiema rozciągającymi sprężynami, przymocowanymi na stałe do ramy albo do elementu konstrukcyjnego maszyny. Element wymuszający drgania umocowany jest w ten sposób, że powoduje wymuszenie drgań masy i sterowany tak, że częstotliwość drgań wymuszenia jest równa częstotliwości rezonansowej oscylatora, natomiast jeśli oscylator zawiera dodatkowo drugą masę to druga masa połączona jest na stałe z listwą zębatą współpracującą z kołem zębatym, przy czym koło zębate łożyskowane jest na ramie i masa ta, połączona jest z masą pierwszą dodatkową rozciągającą albo ściskająco-rozciągającą sprężyną, przy czym do ramy albo do elementu konstrukcyjnego maszyny przymocowana jest którakolwiek masa za pomocą ściskająco-rozciągającej sprężyny, bądź obie masy dwiema rozciągającymi sprężynami mocującymi te masy do przeciwległych krańców ramy albo elementu konstrukcyjnego maszyny.

3 PL B1 3 Celem wynalazku jest całkowicie nowa konstrukcja pozwalająca na redukcje pulsacji momentu obrotowego i pulsacji prędkości kątowej oraz drgań i magazynowanie energii w maszynach z układami korbowo-tłokowymi. Celem rozwiązania jest również obniżenie zużycia energii w układach napędowych tych maszyn. Rozwiązanie według wynalazku ma na celu zastąpienie w maszynach tłokowych koła zamachowego bądź wspomaganie jego pracy. Układ do redukcji pulsacji momentu obrotowego i prędkości kątowej oraz magazynowania energii w maszynach z układami korbowo-tłokowymi według wynalazku charakteryzuje się tym, iż ma postać oscylatora, którego zamocowaną na sprężynie wbudowanej w konstrukcję maszyny masę stanowi tłok wraz z korbowodem układu korbowo-tłokowego maszyny, przy czym oddziaływująca na oscylator siła wymuszająca wzbudzana momentem obrotowym przekazywanym na korbę układu korbowo-tłokowego maszyny ma częstotliwość równą częstotliwości rezonansowej oscylatora. Sposób redukcji pulsacji momentu obrotowego i prędkości kątowej oraz magazynowania energii w maszynach z układami korbowo-tłokowymi według wynalazku charakteryzuje się tym, iż redukcję pulsacji momentu obrotowego i pulsacji prędkości kątowej oraz magazynowanie energii dokonuje oscylator, którego mocowaną na sprężynie wbudowanej w konstrukcję maszyny masę stanowi tłok wraz korbowodem układu korbowo-tłokowego maszyny, przy czym wartość prędkości obrotowej korby układu korbowo-tłokowego ustawia się na poziomie, przy którym oscylująca siła wymuszająca wzbudzana momentem obrotowym przekazywanym na korbę układu korbowo-tłokowego maszyny, ma częstotliwość zbieżną z częstotliwością drgań własnych oscylatora. Sprężynę układu i sposobu stanowi sprężyna ściskająco-rozciągająca albo sprężyna ściskająco-rozciągająca wespół ze sprężyną pneumatyczną w postaci sprężanego tłokiem gazu. W rozwiązaniu według wynalazku poprzez dołączenie sprężyny do układu korbowo-tłokowego uzyskujemy możliwość magazynowania energii oraz jej odbierania podczas pracy układu korbowodowego. Po doprowadzeniu układu według wynalazku do rezonansu następuje zmniejszenie amplitud zmian momentu obrotowego stanowiącego zmienne obciążenie działające na maszynę i jej napęd. Warunkiem poprawnego działania układu według wynalazku jest dostrojenie częstotliwości wymuszenia to jest prędkości obrotowej układu do częstotliwości drgań własnych oscylatora, która zależy od sztywności sprężyny oraz od masy oscylatora. Z uwagi, iż energia zakumulowana w rezonansie jest zależna od wielkości tłumienia w układzie, tłumienie w układzie według wynalazku powinno być niskie. Przy zastosowaniu wynalazku w maszynach pneumatycznych (sprężarki tłokowe, silniki spalinowe) można wykorzystać proces sprężania powietrza w objętości znajdującej się nad tłokiem. Wówczas oprócz sprężyny ściskająco-rozciągającej wykorzystuje się w pracy oscylatora sprężynę pneumatyczną. W takim przypadku sztywność zastępcza jest równa sumie sztywności obu rodzajów sprężyn. Wykorzystanie zjawiska rezonansu mechanicznego może znaleźć zastosowanie w wielu maszynach i pozwala na wyeliminowanie koła zamachowego, które dla magazynowania energii, zwłaszcza przy niskich prędkościach obrotowych, musi posiadać stosunkową dużą masę. Dla tych samych wartości sił tłumienia nie ma różnicy między oddziaływaniem oscylatora i koła zamachowego w układzie napędowym. Wykorzystanie rezonansu mechanicznego w oscylatorach do magazynowania energii posiada w porównaniu z kołem zamachowym następujące zalety: Energia potrzebna do doprowadzenia oscylatora do drgań rezonansowych jest mniejsza niż energia, którą trzeba dostarczyć do koła zamachowego przy tej samej masie i prędkości kątowej. Ze względu na to, że masa oscylatora jest mniejsza od masy koła zamachowego, zwłaszcza w przypadku wyższych częstotliwości, układy wykorzystujące rezonans mogą być zastosowane do miniaturyzacji masy układów, w których następuje zamiana ruchu posuwisto zwrotnego na ruch obrotowy. W układach korbowodowych w warunkach rezonansu obciążenia pochodzące od sił bezwładności są kompensowane przez siłę występującą w sprężynie, a moc dostarczana jest wykorzystywana do pokonania obciążenia roboczego oraz oporów tarcia. Z tego względu siły dynamiczne w poszczególnych elementach układu korbowodowego będą mniejsze niż w rozwiązaniu bez sprężyny, w szczególności siły występujące w łożyskach, co będzie miało wpływ na trwałość układów napędowych wykorzystujących układy korbowodowe. Rezonans mechaniczny jest wykorzystany w przenośnikach wibracyjnych dla redukcji zużycia energii oraz w napędach mini robotów aby ograniczyć ich masę.

4 4 PL B1 Układ według wynalazku z wykorzystaniem rezonansu mechanicznego nadaje się do pracy ze stałą prędkością obrotową, która odpowiada częstotliwości rezonansowej oscylatora. Dla dostrojenia układu do rezonansu należy wykonać niezbędne obliczenia częstotliwości rezonansowej na podstawie sztywności sprężyny i masy oscylującej. Dostrojenie może nastąpić również ręcznie poprzez zmianę prędkości obrotowej silnika elektrycznego (na przykład przy pomocy falownika) albo przy pomocy układu sterowania śledzącego przebieg amplitudy momentu obrotowego. Prędkość obrotowa, przy której amplituda momentu obrotowego będzie minimalna, odpowiada częstotliwości rezonansowej. Przedmiot wynalazku został uwidoczniony na rysunku w postaci schematu. Układ do redukcji pulsacji momentu obrotowego i prędkości kątowej oraz magazynowania energii w maszynach z układami korbowo-tłokowymi w przykładzie wykonania według wynalazku ma postać oscylatora, którego zamocowaną na sprężynie 1 wbudowanej w konstrukcję maszyny masę stanowi tłok 2 wraz z korbowodem 3 układu korbowo-tłokowego maszyny. Umiejscowiona w cylindrze 4 sprężyna 1 zamocowana jest do głowicy cylindra 4 i tłoka 2. Oddziaływująca na oscylator oscylująca siła wymuszająca wzbudzana momentem obrotowym przekazywanym na korbę 5 układu korbowotłokowego maszyny ma częstotliwość równą częstotliwości własnej oscylatora, co powoduje, iż w układzie utrzymywane jest zjawisko rezonansu mechanicznego. Sprężynę 1 stanowi sprężyna ściskająco-rozciągająca. Układ redukcji pulsacji momentu obrotowego i prędkości kątowej oraz magazynowania energii w maszynach z układami korbowo-tłokowymi w drugim przykładzie wykonania według wynalazku zbieżny jest z przykładem wykonania pierwszym z tą różnicą, iż sprężynę 1 stanowi sprężyna ściskająco-rozciągająca wespół ze sprężyną pneumatyczną w postaci sprężanego tłokiem 2 gazu. W takim przypadku uwzględnianą w obliczeniach na potrzeby wywołania zjawiska rezonansu sztywność stanowi sztywność zastępcza, która jest równa sumie sztywności obu rodzajów sprężyn. Sposób redukcji pulsacji momentu obrotowego i prędkości kątowej oraz magazynowania energii w maszynach z układami korbowo-tłokowymi w pierwszym przykładzie realizacji według wynalazku polega na tym, iż redukcję pulsacji momentu obrotowego i pulsacji prędkości kątowej oraz magazynowanie energii dokonuje oscylator, którego mocowaną na sprężynie 1 wbudowanej w konstrukcję maszyny masę stanowi tłok 2 wraz z korbowodem 3 układu korbowo-tłokowego maszyny, przy czym wartość prędkości obrotowej korby 5 układu korbowo-tłokowego dopasowuje się do poziomu, przy którym oscylująca siła wymuszająca wzbudzana momentem obrotowym przekazywanym na korbę 5 układu korbowo-tłokowego maszyny ma częstotliwość zbieżną z częstotliwością drgań własnych oscylatora, co wywołuje występowanie rezonansu mechanicznego. Sposób redukcji pulsacji momentu obrotowego i prędkości kątowej oraz magazynowania energii w maszynach z układami korbowo-tłokowymi w drugim przykładzie realizacji według wynalazku zbieżny jest z przykładem wykonania pierwszym z tą różnicą, iż sprężynę 1 stanowi sprężyna ściskającorozciągająca wespół ze sprężyną pneumatyczną w postaci sprężanego tłokiem 2 gazu. W takim przypadku uwzględnianą w obliczeniach na potrzeby wywołania zjawiska rezonansu sztywność stanowi sztywność zastępcza, która jest równa sumie sztywności obu rodzajów sprężyn. Zastrzeżenia patentowe 1. Układ do redukcji pulsacji momentu obrotowego i prędkości kątowej oraz magazynowania energii w maszynach z układami korbowo-tłokowymi, znamienny tym, że ma postać oscylatora, którego zamocowaną na sprężynie (1) wbudowanej w konstrukcję maszyny masę stanowi tłok (2) wraz z korbowodem (3) układu korbowo-tłokowego maszyny, przy czym oddziaływująca na oscylator siła wymuszająca wzbudzana momentem obrotowym przekazywanym na korbę (5) układu korbowo-tłokowego maszyny ma częstotliwość równą częstotliwości rezonansowej oscylatora. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że sprężynę (1) stanowi sprężyna ściskająco-rozciągająca. 3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że sprężynę (1) stanowi sprężyna ściskająco-rozciągająca wespół ze sprężyną pneumatyczną w postaci sprężanego tłokiem (2) gazu.

5 PL B Sposób redukcji pulsacji momentu obrotowego i prędkości kątowej oraz magazynowania energii w maszynach z układami korbowo-tłokowymi, znamienny tym, że redukcję pulsacji momentu obrotowego i pulsacji prędkości kątowej oraz magazynowanie energii dokonuje oscylator, którego mocowaną na sprężynie (1) wbudowanej w konstrukcję maszyny masę stanowi tłok (2) wraz korbowodem (3) układu korbowo-tłokowego maszyny, przy czym prędkość obrotową korby (5) układu korbowo-tłokowego ustala się na poziomie, przy którym oscylująca siła wymuszająca wzbudzana momentem obrotowym przekazywanym na korbę (5) układu korbowo-tłokowego maszyny ma częstotliwość zbieżną z częstotliwością drgań własnych oscylatora. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że używa się sprężyny (1) stanowiącej sprężynę ściskająco-rozciągającą. 6. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że używa się sprężyny (1) ściskająco-rozciągającej wespół ze sprężyną pneumatyczną przybierającą postać sprężanego tłokiem (2) gazu. Rysunek

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)