新型自动式重力动力发电系统

新型自动式重力动力发电系统

新型重力动力发电系统是指单一力矩或力矩不平衡的重力动力发 电系统。

新型自动式重力动力发电系统是指单一力矩或力矩不平衡的自动 式重力动力发电系统。                             一

重力动力发电系统提出的是正、负力矩平衡条件下的发电技术方 法。但是，单一力矩或力矩不平衡的条件依然能够实用于这个发电技 术方法，依然遵守“FGS”机械系统的重力G两重性运动原理，以 及〔(siaI_G)h＞K_MI_M〕理论，不同的特点如下：

说明书附图1单一力矩的自动式重力动力发电系统。

图中，系统工作机上只有一个力矩，规定启动运动时，力矩在座 标系Y轴上。根据牛顿第一定律，令给系统一个外力F_外，使系统沿 顺时针方向运动，重力G沿逆时针方向运动，那么力矩在座标系上进 行＞360°圆周运动时，必须进行下落运动和上升运动；下落运动时其 加速度是由两个加速度合成，即一个是重力加速(用符号g表示)， 一个是F_外作用的加速度(用a₁符号表示)；上升运动时，其加速度 也是由两个加速度合成，即一个重力加速度(由于该重力加速度与运 动方向相反，用-g符号表示)；一个是F_外作用的加速度(用a₂符 号表示)；两个重力加速度大小相等方向相反。

根据牛顿第二定律，系统作用合力F_合为：

       F_外＝k.m.a    f_重＝k.m.g

F_合1＝F_外+f_重＝(k.m.a)+(k.m.g)    (下落运动)

F_合2＝F_外-f_重＝(k.m.a)+(k.m.g)    (上升运动)

从以上公式可以看出，只有一个力矩的系统在外力F_外恒定时， 在座标系内绕主轴所做的运动是由两个变速运动所组成，即下落运动 时力矩绕主轴做匀加速运动；上升运动时力矩绕主轴做匀减速运动。

根据机械能守恒定律，计入摩擦力、空气阻力、热耗等因素，只 有一个力矩的系统在没有F_外作用，即便在Y轴上，单独靠重力势能 通过落体运动产生的绕主轴旋转运动的功能转换，是不能够完成＞360° 的圆周运动的。如果F_外＜摩擦力、空气阻力、热耗等因素对重力运 动产生的功能消耗，那么系统也不能够完成＞360°的圆周运动。

由于F_合是一个力矩力，用M_合表示，K＝K_M

               u主轴静摩擦系数

K_M(

               u主轴动摩擦系数

力矩方程为

M_合1＝K_M〔(m.r.a)+(m.r.g)〕

M_合2＝K_M〔(m.r.a)-(m.r.g)〕

功的方程为

A₁＝K_M〔(m.r.a₁)+(m.r.g)〕S₁

A₂＝K_M〔(m.r.a₁)-(m.r.g)〕S₂

功率方程为

N₁＝K_M〔(m.r.a₁)+(m.r.g)〕V₁

N₂＝K_M〔m.r.a₂)-(m.r.g)〕V₂

动能方程为 <math> <mrow> <msub> <mi>E</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>M</mi> </msub> <mo>.</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>V</mi> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <msub> <mi>E</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>M</mi> </msub> <mo>.</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>V</mi> <mn>2</mn> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </math>

动能增量方程为 <math> <mrow> <msub> <mi>E</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>E</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>M</mi> </msub> <mo>.</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>V</mi> <mn>2</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>(</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>M</mi> </msub> <mo>.</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>V</mi> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </math>

由于力矩上升运动时做匀减速运动，故V₂＜V₁其动能增量为 负值，因此，如果系统进行匀速圆周运动，就必须在上升运动时增 加动能量，使V₂＝V₁。

式中，m表示力矩的质量；r表示力矩的半经；A₁表示下落 运动合力做功；A₂表示上升运动合力做功；S₁表示力矩下落运动 弧长；S₂表示力矩上升运动弧长；N₁表示下落运动合力功率；N₂ 表示上升运动合力功率；V₁表示下落运动速度；V₂表示上升运动 速度；E₁为下落运动动能量；E₂为上升运动动能量。

图1  1.安全栅        2.主轴座     3.机器基础   4.电动机  5.小带轮        6.皮带       7.大带轮     8.主轴轴承座  9.半圆形加固圈 10.主轴      11.E型底座   12.三角形加固肋 13.钢管支撑     14.重锤      15.力臂      16.底座 17.滑动轴承座   18.重力G转轴 19.传动皮带  20.重力G大带轮 21.发电机小带轮 22.发电机    23.E′型底座 24.输电装置

图2力矩不平衡的自动式重力动力发电系统。

图中，重力G、轴承座及支撑为大力矩，且在座标系Y轴上； 发电机为小力矩；二者采用皮带传动，大、小带轮传动比关系为增 速装置。

现设大、小力矩各有几项。令给系统一个外力F_外，使系统 沿顺时针方向运动，重力G沿逆时针方向运动，系统＞360°圆周 运动中，大力矩下落时进行匀加速运动；上升时进行匀减速运动。 根据牛顿第二定律，系统运动合力F_合为：   F_合1＝F_外+f_重大-f_重小＝K〔(m.a₁)+(m_大.g)n_大-(m_小.g)n_小〕   (系统匀加速运动时的作用合力)   F_合2＝F_外+f_重小-f_重大＝K〔(m.a₂)+(m_小.g)n_小-(m_大.g)n_大)〕   (系统匀减速运动的作用合力) 由于系统内F_合是一个力矩力，用M_合表示，K＝K_M

      u主轴静摩擦系数

K_M＝(

      u主轴动摩擦系数 M_合1＝K_M〔(m_总.r_mo.a₁)+(m_大.r_大.g)_大-(m_小.r_小.g)n_小〕 M_合2＝K_M〔(m_总.r_Mo.a₂)+(m_小.r_小.g)n_小-(m_大.V_大.g)n_大〕 功方程为 A₁＝K_M〔(m_总.r_Mo.a₁)+(m_大.r_大.g)n_大-(m_小.r_小.g)n_小〕S₁ A₂＝K_M〔(m_总.r_Mo.a₂)+(m_小.r_小.g)n_小-(m_大.r_大.g)n_大〕S₂ 功率方程为 N₁＝K_M〔(m_总.r_Mo.a₁)+(m_大.r_大.g)n_大-(m_小.r_小.g)n_小〕V₁ N₂＝K_M〔(m_总.r_Mo.a₂)+(m_小.r_小.g)n_小-(m_大.r_大.g)n_大〕V₂ 动能方程为 动能增量方程为

由于大力矩上升过程进行匀减速运动，故V₂＜V₁，其动能增 量为负值，因此，如果系统进行匀速圆周运动，就必须增加动能量， 使V₂＝V₁

式中，m_总表示合力矩总质量；r_Mo表示合力矩的半径，m_大 表示大力矩质量；r_大表示大力矩的半径；m_小表示小力矩质量； r_小表示小力矩的半径；A₁表示合力矩匀加速时做功，A₂表示合力 矩匀减速时做功；S₁表示匀加速时运动弧长；S₂表示匀减速时运动 弧长；N₁表示匀加速时功率； N₂表示匀减速时功率；V₁表示匀加 速时速度；V₂表示匀减速时速度；n_大表示大力矩数量；n_小表示小 力矩数量。E₁表示匀加速时动能量；E₂表示匀减速时动能量。

在单一力矩或力矩不平衡的系统中，由于重力G依然遵循两重性 运动原则，即ω＝ω系统与重力G的角速度关系；β＝β系统与重 力G的角加速关系；θ＝θ系统与重力G的角位移关系；两个运动方 向相反。

A_G加＝〔(sina.m_G.r_G)a_加〕n.S_加

A_G减＝〔(sina.m_G.r_G)a_减〕n.S_减

∑A_G总＝A_G加+A_G减 匀速运动时为：A_G＝〔(sina.m_G.r_G)n.s 功率关系为

N_G加＝〔(sina.m_G.r_G)n.V_加

N_G减＝〔(sina.m_G.r_G)a_减〕n.V_减

∑N_G＝N_G加+N_G减 匀速运动时为：N_G＝〔(sina.m_G.r_G)a〕n.V 动能方程为

∑E_G＝E_G加+E_G减 匀速运动时为 <math> <mrow> <msub> <mi>E</mi> <mi>G</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>sin</mi> <mi>a</mi> <mo>.</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>G</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mi>V</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mi>n</mi> </mrow> </math>

式中，A_G加表示重力G匀加速度时做地功；A_G减表示重力_G 匀减速运动的做的功；m_G表示重力G质量；r_G表示重锤重心至转 轴距离；sina表示重力G转轴运动的平均角度的正弦值；a_加表示重 力G匀加速运动的加速度；a_减表示重力G匀减速运动的加速度；n 表示系统内重力G的个数；S_加表示重力G匀加速运动时的运动弧长； S_减表示重力G匀减速运动的运动弧长；N_G加表示重力G匀加速运动 时的功率；N_G减表示重力G匀减速运动时的功率；V_加表示重力G匀 加速运动的速度；V_减表示重力G匀减速运动时的速度；E_G加表示重 力G匀加速运动时的动能量；E_G减表示重力G匀减速运动时的动能量。

系统沿顺时针方向运动，重力G沿逆时针方向运动时，也同理。 图2  1.电动机    2.小带轮    3.皮带           4.主轴座

 5.大带轮    6.发电机    7.半圆形加固圈   8.主轴轴承座

 9.重力飞轮 10.E型底座  11.三角形加固肋  12.钢管支撑

13.重锤     14.力臂     15.滑动轴承座    16.重力G转轴

17.输电装置 18.输电电路 19.发电机小带轮  20.E′型底座

21.传动皮带 22.大带轮

单一力矩或力矩不平衡的系统，采用“重力动力发电系统”技术 方法的，称为“单一力矩或力矩不平衡的重力动力发电系统”；采用 “自动式重力动力发电系统”技术方法的，称为“单一力矩或力矩不 平衡的自动式重力发电系统”，并且可以与《重力动力发电系统采用 的九项实用技术方法》、《重力动力发电系统装置》的技术方法综合 应用，生产、制造各种功率机型的系列产品。                               二

由于单一力矩或力矩不平衡的系统，其运动为变速性质，为了改 善运动性质，可以采用在主轴上安装重力飞轮，使其在匀加速时蓄能， 在匀减速时释能，从而减小运动波动。

重力飞轮可以制造成圆轮式和圆盘式。

飞轮与系统工作机的结构方法1：飞轮安装在主轴上(包括轴两端) 同轴运动，如图2中所示。

当系统工作机启动，大力矩下落，飞轮蓄能；大力矩上升，飞轮 释能，运动得到改善。

飞轮与系统工作机的结构方法2：飞轮安装在离合器上，与主轴 同速或差速运动。

图6中3飞轮、4离合器。

当分离系统工作机旁边的离合器而进行起动时，飞轮通过电动机 加速到系统工作机的额定转速。在合上离合器后，可实现系统工作机 进行工作运动，这时所需较大的工作力矩以及动能将取自飞轮，飞轮 减速。飞轮在运动中积蓄系统工作机匀加速运动时的动能，在系统工 作机匀减速运动时，释放动能进行补充，改善运动性能。在运转中， 从系统工作机到飞轮之间的所有零件承受工作力矩，而从飞轮到电动 机之间的零件则承受电动机力矩，飞轮则能使传动的基本部份卸载。

飞轮设计制造的技术要求：

1、必须与系统工作机的转动惯量相匹配。

2、必须与系统工作机的转速相匹配。

3、必须与系统工作机的力矩相匹配。

4、必须与系统工作机的结构尺寸相匹配。

飞轮材料包括铸铁、钢。

采用飞轮技术改善系统工作机运动的技术方法，适用于各种功率 机型的“重力动力发电系统”、“自动式重力动力发电系统”，“单 一力矩或力矩不平衡的重力动力发电系统”、“单一力矩或力矩不平 衡的自动式重力动力发电系统”。

                          三

动力机与系统工作机配置的技术方法。

1、动力机和系统工作机配置在减速器(或其它传动装置)的两 侧。 如图3图中1.动力机  2.联轴器  3.减速器(或其它传动装置)

     4.飞轮    5.支架    6.系统工作机

2、动力机和系统工作机，配置在减速器(或其它传动装置)的 同一侧。 如图4图中1.减速器(或其它传动装置)2.联轴器  3.动力机

     4.飞轮        5.系统工作机

3、动力机配置在减速器旁边而用带传动联接起来。 如图5  图中1.带传动  2.减速器  3.飞轮  4.动力机            5.系统工作机   6.支架

采用此种配置方法时，如果大、小带轮传动比关系能够满足系统 工作视额定运动转速时，可以取消减速器，用带轮作为传动装置，如 图1中5、6、7所示。

4、动力机、减速器(或其它传动装置)、飞轮、离合器配置在 系统工作机的一侧。

如图6  图中1.动力机  2.减速器(或其它装置)  3.飞轮

           4.离合器  5.支架                6.系统工作机

解释：以上四种方法中的＂动力机＂，主要指电动机，蒸汽机、水 轮机等；减速器主要指各种标准型号的减速器，以及非标准减速器， 无级变速器等；其它传动装置主要指带传动装置，链条传动装置、齿 轮传动装置等，飞轮包括圆轮式和圆盘式等，系统工作机包括力矩不 平衡的工作机、力矩平衡的工作机。离合器包括采用各种规格型号的 转键离合器、齿式离合器、圆盘摩擦离合器、圆锥摩擦离合器、活塞 缸摩擦离合器、隔膜式摩擦离合器。气胎式摩擦离合器、活塞缸旋转 式摩擦离合器，活塞缸固定式摩擦离合器、牙嵌式电磁离合器、无滑 环单盘摩擦电磁离合器、带滑环多片摩擦电磁离合器、磁粉离合器、 转差式电磁离合器、滚柱超越离合器、楔块超越离合器、闸块离心离 合器、钢球离心离合器、剪销式安全离合器、牙嵌式安全离合器、钢 球式安全离合器、摩擦安全离合带；离合器选型时必须与动力机、系 统工作机相匹配。

动力机与系统工作机配置的四种方法，适用于各种功率机型的“ 重力动力发电系统”、“自动式重力动力发电系统”、“单一力矩或 力矩不平衡的重力动力发电系统”、“单一力矩或力矩不平衡的自动 式重力动力发电系统”。配置时可以装置飞轮，也可以不装置飞轮； 可以装置离合器，也可以不装置离合器。

                              四

在《自动式重力动力发电系统》说明书及权力要求中，提出了用 带传动、链传动、齿轮传动作为电动机(主)与变速器之间、变速器 与主轴之间、重力G增速贮能器与发电机之间传速动力和运动。

本发明提出利用大，小带轮的传动比关系、大、小链轮的传动比 关系，大、小齿轮的传动比关系，匹配系统运动的转速，作为独立增 速或减速装置，代替增速器或减速器，从而减小系统工作机的轴系机 构的质量和力矩，减小动力机的容量，并且减小系统总体造价的技术 方法。

例图1中5、6、7所示

电动机与系统工作机采用大、小带轮传动比代替减速器。

图1中19、20、21所示

重力G与发电机采用大、小带轮传动比代替增速器。

设电动机转速为1500r/min  发电机转速1500r/min

系统工作机转速150r/min

电动机采用小带轮，系统工作机采用大带轮，其传动比为1500∶150

传动比＝10

因重力G转速与系统工作机一致，即150r/min，重力G采用大 带轮，发电机采用小带轮，其传动为150∶1500

传动比＝10

系统转速匹配，用大、小带轮之间的传动比关系，可以独立成为 系统减速(或增速)的装置。

采用链传动时，大、小链轮之间的传动比关系也同理。

采用齿轮传动时，大、小齿轮之间的传动比关系也同理。

技术要求：

采用大、小带轮(或带轮组)，大、小链轮(或链轮组)，大、 小齿轮(或齿轮组)之间具有的传动比关系作为系统独立的传动装置 时，其传动比必须与系统动力机转速、系统工作机转速、发电机转速 相匹配；同时其力矩、功率也必须与之匹配。

该方法也可以与系统中的增速器(减速器反用)或增速贮能器、 减速器构成综合增速传动装置或综合减速传动装置。

该技术方法，适用于各种功率机型的＂重力动力发电系统＂、“自 动式重力动力发电系统”、“单一力矩或力矩不平衡的重力动力发电 系统”、“单一力矩或力矩不平衡的自动式重力动力发电系统”。

                   五

系统工作机轴系机构重力G轴承座、增速器(减速器反用)或增 速贮能器、发电机机座采用的固定底座，可以采用图7形式，用符号 E表示；图8形式，用符号E′表示。

E型底座、E′型底座具有质量轻、抗弯矩和抗扭矩性能强的特 点，适用于各种类型的重力G、增速器、发电机，特别适用于位置有 较大差的机型，如图1中重力G与发电机位置所示，图中11重力G 底座为E型，23发电机底座为E′型。

E型底座、E′型底座主要采用铸造制造，其材料包括各种牌号 的灰铸铁、球墨铸铁、冷硬铸铁、可锻铸铁、耐磨铸铁、耐热铸铁、 铸造碳钢等、合金铸钢、铸造高锰钢、耐热铸钢、不锈铸钢等。

技术要求：

E型底座、E′型底座的内径半圆，必须能够与主轴外径半圆相 匹配，座板必须与其承载的机件相匹配，其强度、刚度必须大于承载 机件质量产生的弯矩和扭矩力，经得起静止和运动中的各种力，并有 一定余量的安全系统。

E型底座，E′型底座适用于各种功率机型的“重力动力发电系 统”、“自动式重力动力发电系统”、“单一力矩和力矩不平衡的重 力动力发电系统”、“单一力矩和力矩不平衡的自动式重力动力发电 系统”。

                          六

力矩电动机具有力矩力大、调速范围宽、连续堵转的能力，适用 于作为系统的动力机。

技术要求：

力矩电动机的力矩力、功率、调速范围、连续堵转性能、运转方 向都必须与系统工作机相匹配。

各种型号、功率、力矩力的力矩电动机适用于作为各种功率型号 的“重力动力发电系统””、“自动式重力动力发电系统”、“单一力 矩或力矩不平衡的重力动力发电系统”、“单一力矩或力矩不平衡的 自动式重力动力发电系统”的动力机。

                      七

半圆形加固圈。

半圆形加固圈主要用于E型底座，E′型底座和其它类型的底 座，在主轴上采用焊接或螺钉联接块联接进行加固。

半圆形加固圈主要采用铸造制造、锻压制造，其材料包括采用 各种牌号性能的灰铸铁、球墨铸铁、冷硬铸铁、可锻铸铁、耐磨铸 铁、耐热铸铁、铸造碳钢、合金铸钢、铸造高锰钢、耐热铸钢、不 锈铸钢和各型钢板等。

技术要求：

半圆形加固圈的内径尺寸必须能够与主轴外径尺寸相匹配，其 强度、刚度必须大于加固件承载的弯矩和扭矩力。

图1中9半圆形加固圈加固E型底座、E′型底座。

三角形加固肋。

三角形加固肋(包括直角三角形加固肋、等腰三角形加固肋、 等边三角形加固肋等)，是系统加固肋的主要形式，可以采用焊接、 铆接、螺栓联接对系统各种机件进行加固；如对主轴底座加固，重 力G支撑加固。

三角形加固肋可以采用铸造、锻造、钢板切割等方法制造，其 材料包括采用各种牌号灰铸铁、球墨铸铁、冷硬铸铁、可锻铸铁、 铸造碳钢、不锈铸钢、以及热轧钢板、冷轧钢板等。

技术要求：

三角形加固肋的外形尺寸根据加固件外形条件设计，其强度、 刚度必须大于加固件承载质量的弯矩和扭矩力。

图1中12重力G钢管支撑采用三角形加固肋。

半圆形加固圈、三角形加固肋(包括直角三角形加固肋、等腰 三角形加固肋、等边三角形加固肋)均适用于各种功率型号“重力 动力发电系统”、“自动式重力动力发电系统”、“单一力矩或力 矩不平衡的重力动力发电系统”、“单一矩或力矩不平衡的自动式 重力动力发电系统”的机件加固上。