СИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ МОДЕЛЕЙ КОРАБЛЕЙ

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. Как известно, всякая самоходная модель, будь то модель самолета, корабля или автомобиля, есть машина, и, стало быть, существующие для них законы расчета и проектирования можно перенести на модели, учитывая при этом только масштаб. Это во-первых. Во-вторых, любая самоходная модель (как и любая машина) включает в себя три элемента, которые можно считать обязательными. Что же это за элементы?

1. Уже само слово «самоходная» подразумевает наличие у модели двигателя (мотора). Тип двигателя выбирает конструктор, исходя из требований и ограничений, наложенных на конструкцию. Мы ограничимся лишь кратким перечислением известных типов двигателей для моделей. Это резиновый, пружинный, инерционный, электрический, компрессионный (двигатель внутреннего сгорания), паровая машина.

2. Но сам по себе двигатель, каким бы совершенным он ни был, не сдвинет модель с места, пока мы не свяжем вал двигателя с той средой или поверхностью, относительно которой модель двигается. Таким связующим звеном для локомотива и автомобиля является колесо, для трактора — гусеница, для самолета и корабля — винт. Все, что связывает модель со средой, в которой она движется, называется движителем.

3. Наличия на машине двигателя и движителя, казалось бы, достаточно для того, чтобы привести ее в движение. В некоторых случаях так оно и есть: вспомним самолет или модель катера с воздушным винтом. Движитель в этих случаях закреплен непосредственно на валу двигателя.

К сожалению, в большинстве случаев передача движения от двигателя к движителю требует установки на машинах целого ряда добавочных механизмов. Например, автомобиль и трактор до сих пор не могут обойтись без громоздких и сложных коробок передач, редукторов заднего моста. На многих кораблях и винтовых самолетах редукторы так же необходимы, как и двигатели.

Все эти механизмы, соединяющие двигатель с движителем, мы будем называть передачами.

Итак, теперь мы знаем, что почти всякой машине сопутствует троица: двигатель — передача — движитель. Систему двигатель — передача часто называют силовой установкой.

Напрашивается вопрос: «А почему, собственно, иногда можно, а в большинстве случаев нельзя обойтись без передач?» Ответ на этот вопрос будем искать на страницах учебника физики.

Для приведения в движение машины (под машиной мы будем подразумевать любую модель) на участке пути АВ двигателю необходимо совершить работу, равную АкГм. Но работа, как мы знаем, есть произведение силы на пройденный путь, причем скорость в конце пути должна быть равна нулю. Значит, работа двигателя при постоянной силе тяги будет зависеть от величины пройденного пути. Но работу двигателя неудобно измерять числом пройденных километров или метров, так как этот двигатель может быть установлен на любой машине, не обязательно движущейся, а необходимость знать, какую работу может выполнить двигатель, всегда существует. И тогда ввели новое понятие — мощность. Математически мощность можно представить в виде:

N=A/t, (I)

где А — работа [кГм], t — время [сек], то есть мощность есть отношение работы ко времени ее совершения. Представим работу в виде A = F·S, тогда формула I примет вид:

N=F·S/t, (II)

Но отношение пути ко времени, мм знаем, есть средняя скорость, то есть мощность можно определить как произведение силы на скорость:

N=F·V (III), где V — скорость (м/сек).

В случае вращательного движения картина совершенно аналогичная с той лишь разницей, что роль силы выполняет крутящий (вращающий) момент, а скорость определяется частным от деления величины угла поворота вала на время.

Рассмотрим подробнее эти понятия.

Если к точке А на ободе диска, свободно вращающегося вокруг своей оси ОО1, приложить силу Р, направленную строго перпендикулярно к радиусу АО, то диск станет вращаться. Сила Р называется окружным усилием, а произведение силы Р на радиус АО, называемый плечом силы Р, называется крутящим (вращающим) моментом Мкр.

Поставим обратную задачу.

К оси ОО1 приложен крутящий момент Мкр. Требуется определить окружное усилие. Очевидно, такая постановка вопроса нелепа — при заданном вращающем моменте ставить вопрос об отыскании окружного усилия, не оговаривая, на каком плече (то есть на каком радиусе) нас интересует это окружное усилие, нельзя. Если говорят, что данный двигатель развивает окружное усилие 20 кГ, то при этом оговаривают величину плеча, на котором достигается это усилие. Однако в технических характеристиках двигателей принято указывать не развиваемое окружное усилие, а величину максимального крутящего момента и скорость вращения выходного вала двигателя, при которой достигается этот момент.

Вращающий момент — это основной параметр любого двигателя.

Величина работы для случая вращательного движения определяется произведением крутящего момента на угол поворота вала, выраженный в радианах: А = Мкрφ. Обратите внимание: размерность левой части равенства — кГм, размерность вращающего момента — также кГм, то есть второй сомножитель в правой части — величина безразмерная. Действительно, радиан есть не что иное, как:

[Рад] = [длина дуги] / [радиус] = [мм] / [мм] = 1 (IV)

Мощность при вращательном движении их, подобно случаю поступательного движения, определяется отношением работы ко времени:

N = A / t = Мкрφ / t (V)

или, если заменить отношение

φ / t = w,

получим:

N = Мкр·w

Мощность двигателя — величина постоянная, поэтому М = N / w , то есть вращающий момент двигателя обратно пропорционален угловой скорости выходного вала. Это означает, что использование мощности двигателя при различных угловых скоростях позволяет изменять создаваемый им вращающий момент. Используя мощность даже маломощных двигателей при очень малых скоростях вращения движителя (например, колеса), можно получать огромные крутящие моменты. Теоретически для того, чтобы привести в движение железнодорожный состав, достаточно микроэлектродвигателя, при этом скорость движения состава будет, разумеется, ничтожной.

В практических расчетах зависимости между мощностью, скоростью вращения выходного вала и крутящим моментом определяются по следующим формулам:

для электродвигателей — 

Мкр = 0,974 N/n

где Мкр — крутящий момент [кГсм], N — мощность [вт], n — скорость вращения вала [об/мин];

для остальных двигателей:

Мкр=71 620 000 N/n

где N — мощность [л. с.], М — крутящий момент [Гсм], n — скорость вращения вала [об/мин].

Может возникнуть вопрос: «А почему бы нам не создавать такие двигатели, чтобы при заданных мощностях можно было бы обойтись без передач?»

К сожалению, мы не научились еще строить мощных тихоходных двигателей. Высокая мощность пока дается нам ценой высокой скорости вращения выходного вала двигателя и, следовательно, малым вращающим моментом.

Действительно, давайте посмотрим, как относятся скорости вращения выходных валов двигателей к скоростям вращения рабочих органов машин.

Скорости вращения валов двигателей

1. Газовая турбина самолета «ИЛ-18» — 11 тыс. об/мин

2. Коленчатый вал автомобиля «Волга М-21». Максимальный крутящий момент при 2500 об/мин

2. Паровая турбина теплохода — 3 тыс. — 5 тыс. об/мин

4. Тяговые электродвигатели тепловозов и электровозов — 3 тыс. об/мин

5. Коленчатые валы мотоциклетных двигателей — 4 тыс. об/мин

Тип движителя и скорость его вращения

Воздушный винт — 1100 об/мин

Колесо — 680 об/мин при скорости движения 100 км/ч

Винт — 300—500 об/мин

Колесо — 600 об/мин при скорости движения 120 км/ч

Колесо — 700 об/мин при скорости движения 120 км/ч

Из всех известных на сегодня двигателей лишь паровая машина да некоторые весьма крз»пные судовые дизели способны развивать значительные мощности при относительно малых скоростях вращения коленчатого вала, что позволяет устанавливать их на кораблях без понижающих скорость передач.

Итак, подведем итоги и сделаем выводы:

1. Двигатель модели необходимо подбирать с таким расчетом, чтобы скорость вращения его выходного вала была возможно ближе к скорости вращения движителя

2. Мощность, необходимая для перемещения тела, зависит от скорости его движения.

3. С помощью передач можно фактически в любых пределах изменять скорости и вращающие моменты валов, при этом мощность силовой установки повысить нельзя никакими способами.

Р. ПЕТРОСЯН