Материал для маховика
Елена Голец 15192
Материал для маховика -это для примера. С таким же успехом можно было задать вопрос: из какого материала делать ракеты и теннисные ракетки, лодки и шесты для прыжков, топливные баки и корпуса автомобилей? И ответить: рациональнее всего из композитов.
Что такое маховик
Что такое маховик и для чего он нужен? В политехническом словаре за 1977 год сказано, что маховик - это колесо с массивным ободом, устанавливаемое на валу машины с неравномерной нагрузкой для выравнивания ее хода.
Если иметь в виду только эту цель, то для изготовления маховиков целесообразно выбирать как можно более тяжелый материал, чтобы они справлялись со своей задачей при сравнительно небольших размерах.
С тех пор роль маховиков в технике существенно расширилась. Во всяком случае, приведенное определение явно неполное. Сегодня повышенный интерес к маховикам связан не только и не столько с их традиционным использованием для выравнивания нагрузки на валах поршневых двигателей, компрессоров, насосов и других машин, сколько с проблемой рекуперации механической энергии, то есть использования энергии, погашаемой при торможении машин.
Суть проблемы состоит в следующем. Движущиеся поезда, автомобили, трамваи, троллейбусы, автобусы периодически (и довольно часто) нужно останавливать. Для этого, как известно, служат тормоза. Но при каждом торможении кинетическая энергия транспортного средства переходит в тепло, нагревая тормозные колодки, диски и безвозвратно рассеиваясь в окружающей среде.
При современном энергетическом кризисе такое расточительство недопустимо. Как показывают подсчеты, примерно половина энергии, развиваемой двигателями, теряется при торможении.
Маховик - аккумулятор механической энергии
Вот маховики-то и могут помочь резко снижать эти потери. Маховик - аккумулятор механической энергии, то есть устройство, позволяющее накапливать механическую энергию, хранить ее и при необходимости опять выделять.
Если массивный маховик заставить вращаться с большой скоростью, он может за счет своей инерции развить мощность, достаточную для того, чтобы привести в движение автобус или поезд. Это его свойство и навело на мысль: вместо того, чтобы тратить кинетическую энергию машины на нагрев тормозов, ее нужно расходовать на раскручивание маховика, установленного на машине.
При торможении маховик накапливает энергию, а когда возникнет необходимость снова тронуться с места, эта энергия будет передаваться с помощью специальных механизмов на ведущие колеса. Иными словами, разгон будет осуществлять энергия, накопленная при торможении. Это позволит на 30- 50 % сэкономить горючее, значительно уменьшить количество токсичных выхлопных газов, повысить проходимость.
В наше время все это настолько важно, что имеет прямой смысл заняться разработкой транспортных средств, снабженных маховиками, которые играют роль дополнительных источников энергии. И во всем мире такими разработками усиленно занимаются. Основное требование, предъявляемое к маховику, вытекает из его назначения: он должен накапливать при вращении как можно больше энергии.
Если маховик представить в виде тонкого кольца, величина этой энергии Е оценивается формулой:
Е=0,5 mV2, (1)
где m- масса кольца, V - линейная скорость его вращения. Из этой формулы следует, что для увеличения энергоемкости маховик следует делать как можно тяжелее и вращать с максимально возможной скоростью.
Какой применить материал для маховика
Возникает вопрос, какой применить материал для маховика? Нужно взять материал с максимально высокой плотностью γ, чему соответствует вольфрам, плотность которого 19 300 кг/м3. Большую плотность имеют только осмий (γ=22 500 кг/м3), иридий (γ=22 400 кг/м3) и платина (γ=21 450 кг/м3), но это очень дорогие металлы. Рассмотрим вариант применения вольфрама.
До какой скорости можно раскручивать маховик? Ясно, что не до бесконечно большой. Предельная скорость вращения ограничена прочностью материала. Известно, что при достижении определенной скорости вращения маховик может разорваться. Поскольку эти скорости составляют десятки и сотни метров в секунду, от такого разрушения ничего хорошего ждать не приходится.
В лучшем случае дело кончится поломкой вала и ходовой части машины. Но при разрыве маховика разлетающиеся с огромной скоростью обломки могут разрушить близлежащие постройки и, что самое страшное, привести к человеческим жертвам. Так что допускать разрушения ни в коем случае нельзя.
Какие силы разрывают маховик
Знаете ли вы, какие силы разрывают маховик? Часто можно услышать ответ: силы инерции или центробежные силы. Ничего подобного. Таких сил просто-напросто не существует. Вернее, они существуют на бумаге или в нашем воображении - так легче и удобнее проводить расчеты, но в маховике их нет.
А есть силы связи между отдельными частями маховика (силы упругости), которые в результате стремления частей двигаться по инерции (то есть равномерно и прямолинейно) при вращательном движении приводят к деформации маховика. Возникающие при деформации силы обеспечивают всем частям вращающегося тела ускорения, необходимые для движения по окружности.
Если для обеспечения вращения нужны силы, превышающие прочность связи отдельных частей тела, оно разрушается. Таким образом, непосредственной причиной разрушения маховика является не его вращение и не действие воображаемых центробежных сил, а его деформация. Для тонкостенного кольца, которым мы моделируем маховик, величину напряжений σ, возникающих в нем, можно оценить соотношением:
σ=γv2, (2)
где γ - плотность материала, v - линейная скорость вращения маховика. Из этого уравнения можно рассчитать предельную допустимую скорость vпред, которая приводит к разрушению. Оно произойдет, когда величина напряжения σ достигнет предела прочности σв материала, из которого маховик изготовлен. При этом скорость v будет равна предельной скорости vпред которая рассчитывается из выражения
vпред = √σв / γ= √σуд (3)
Отношение прочности σв к плотности γ называется удельной прочностью σуд материала. Следовательно, предельно допустимая скорость вращения маховика равна корню из его удельной прочности. Формула (1) определяет величину всей энергии, запасаемой маховиком. А удельная энергия, запасаемая единицей массы маховика (например, одним килограммом), составляет:
е=Е/m=0,5v2. (4)
Предельную величину удельной энергии епред, которую в состоянии накопить каждый килограмм массы маховика, можно рассчитать из уравнения (4), где вместо v следует поставить значение vпред из формулы (3), то есть:
епред=0,5σв/γ=0,5σуд (5)
Таким образом, максимальная удельная энергия, которую можно «накачать» в маховик, однозначно определяется удельной прочностью материала, из которого он изготовлен.
При одинаковой прочности двух материалов большую удельную прочность имеет более легкий из них. Значит, чтобы сделать маховик максимально энергоемким, его нужно делать не из тяжелого, а из легкого, но прочного материала.
Итак, супермаховики, то есть маховики, способные запасать очень большое количество энергии, нужно делать из сверхпрочных и легких материалов. Из каких именно? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте сопоставим значения удельной прочности некоторых традиционных машиностроительных материалов (сталей, алюминиевых, титановых, вольфрамовых сплавов) и некоторых композитов.
Эти значения приведены в таблице.
| Материал | Предел прочности при растяжении, МПа | Плотность, кг/м3 | Удельная прочность, МПа/(кг/м2) |
| Легированная сталь | 1500 | 7800 | 0,190 |
| Алюминиевые сплавы | 600 | 2700 | 0,220 |
| Титановые сплавы | 1500 | 4500 | 0,300 |
| Вольфрамовые сплавы | 1500 | 19300 | 0,078 |
| Композиты: | |||
| Бороалюминий | 1400 | 2700 | 0,520 |
| Углеалюминий | 1000 | 2300 | 0,430 |
| Углепластики | 1400 | 1550 | 0,900 |
| Органопластики | 1500 | 1380 | 1,090 |
Приведенные данные говорят: лучше всего для изготовления супермаховиков подходят композиты, в частности органопластики. Они обладают наибольшей удельной прочностью из всех известных конструкционных материалов. А вольфрам, который мы хотели использовать, оказался самым неподходящим материалом, поскольку у него самая низкая удельная прочность.
Каждый килограмм маховика из огранопластика способен накопить в 14 раз больше энергии, чем из вольфрама. Это связано с тем, что большая прочность и малая плотность органопластика позволяют раскручивать изготовленные из него маховики до огромных скоростей, тогда как вольфрамовые маховики сами себя разрывают при сравнительно низких скоростях вращения.
Но не во всех случаях удается реализовать возможности, заложенные в органопластиковых маховиках. Не будем забывать, что, хотя удельная энергия не зависит от массы маховика, абсолютная величина накапливаемой энергии пропорциональна его массе, поэтому маховик должен быть достаточно тяжелым, а при небольших размерах нужную массу из органопластика набрать трудно.
Но если особых ограничений на размеры маховика нет и можно обеспечить максимально допустимые (из соображений прочности) скорости вращения, органопластики находятся вне конкуренции.
Из таблицы видно, что по удельной энергоемкости к органопластикам приближаются углепластики. Хотя они имеют несколько меньшую удельную прочность, их модуль Юнга, (подробнее: Армированные композиты) намного выше, а это означает, что маховики из углепластиков испытывают меньше деформации. Обстоятельство немаловажное.
Дело в том, что маховики из органопластиков склонны к расслоению, и одна из главных причин этого - их низкая жесткость. Супермаховики не только помогают экономить энергию, теряемую при торможении, они могут сами выполнять роль двигателя машины.
Подсчитано, что супермаховик из органопластика массой 127 кг и энергоемкостью 30 квт • ч, раскрученный в течение 5 минут мощным внешним двигателем, может обеспечить движение легкового автомобиля со скоростью 96 км/ч на расстояние 320 км.
Электромобилю с аналогичными техническими характеристиками нужна батарея аккумуляторов массой 1 т. Как видим, 1 кг маховика может запасать намного больше энергии, чем современный электрический аккумулятор такой же массы.
Органопластики
Органопластики - это композиты, состоящие из полимерной матрицы и органических волокон. Если раньше органические волокна (капроновые, нейлоновые и др.) не могли конкурировать по прочности с лучшими образцами стеклянных, металлических и керамических волокон, то сегодня картина резко изменилась.
Сверхпрочные и очень легкие органические волокна - наиболее перспективные армирующие элементы для полимерных матриц. Большую популярность приобрели волокна, которые называются у нас СВМ, а за рубежом - Кевлар. Они имеют прочность при растяжении 3000-4000 МПа, легко подвергаются переработке, с ними удобно работать, и их выпуск постоянно растет.
Однако в тяжелонагруженных конструкциях применение органопластиков вследствие их низкого модуля Юнга приводит к большим деформациям, что сказывается на работоспособности конструкций. Чтобы этого не происходило, к органическим волокнам добавляют более жесткие углеродные и получают так называемые гибридные композиты, содержащие два и более видов волокон.
Если у волокон марки Кевлар-49 модуль упругости 140 000 МПа, то у углеродных волокон - 200 000-700 000 МПа при прочности 1000-3500 МПа.
В качестве арматуры можно использовать не только отдельные волокна и нити, но и ткани, сетки, пряжу из органических и углеродных волокон.
Низкая плотность органо- и углепластиков (в пять раз ниже, чем у стали и почти вдвое, чем у алюминия) наряду с высокой прочностью делает их очень привлекательными для конструкторов, занимающихся разработкой не только маховиков, но и космических кораблей, самолетов, подводных лодок, спортивного инвентаря и многих других изделий.
Полимерные композиты уже широко применяются в технике. А внедрение в промышленность композитов на металлической основе отстает от полимерных. Причина этого ясна. Методы получения новых композитов с полимерными матрицами (угле-, органо-, боропластиков) принципиально не отличаются от методов получения давно известных стеклопластиков, которые разработаны еще полвека назад.
Замена стеклянных волокон более совершенными проходит сравнительно безболезненно, на том же оборудовании, теми же специалистами. А опыта промышленного производства металлических композитов пока очень мало. Это совсем новые материалы, они требуют нетрадиционных для металлургии и металлообработки технологий, создания специального оборудования, они просто непривычны для металлургов. А непривычное всегда кажется ненадежным.
Еще один вопрос, который хотелось бы обсудить: в каких случаях следует применять металлические, а в каких - полимерные композиты? Здесь все определяют условия работы материала. В супермаховиках, например, целесообразнее использовать полимерные композиты, поскольку у них удельная прочность выше, а нагрев при работе невелик.
И вообще, при температурах, близких к комнатной, полимерные композиты обычно предпочтительнее по механическим свойствам. Но у полимеров есть серьезный недостаток - они не выдерживают высоких температур. Самые термостойкие из них разрушаются при температурах выше 600-700 К. Поэтому для конструкций, работающих в условиях интенсивного нагрева, нужны металлические композиты.
Выбор матричного материала могут диктовать и такие показатели, как электросопротивление, теплопроводность, стойкость к радиации, способность накапливать статическое электричество и др. В одних случаях по этим показателям подходят полимеры, в других - металлы. Поэтому полимерные и металлические композиты не только конкурируют, но и дополняют друг друга.
И чем больше различных композитов создадут ученые, тем шире станут возможности техники, тем совершеннее будут изготовленные из них изделия.
