Technical electrogenerating tools for road facilities: systematics and design specifics

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

C целью организации безопасного дорожного движения посредством технических средств инженерного обустройства дорог уже не одно десятилетие в условиях городской среды практикуется установка искусственных неровностей, которые служат для принуждения водителей автотранспортных средств к снижению скорости движения и представляют собой местное искусственное возвышение на проезжей части автомобильной дороги [1–4].

Дорожные искусственные неровности монтируют на участках дорог с обеспеченным нормативным расстоянием видимости поверхности дороги с максимальным приближением к имеющимся мачтам искусственного освещения, а в необходимых случаях – и с установкой новых опор наружного освещения.

Необходимость выполнения ГОСТ по освещенности дорожных искусственных неровностей и поиск альтернативных источников энергии привел к созданию технических электрогенерирующих средств инженерного обустройства дорог, преобразующих энергию движущегося автомобиля в электрическую энергию.

Принцип действия технических электрогенерирующих средств основан на том, что в момент наезда транспортного средства на искусственную дорожную неровность последняя получает импульс энергии, который можно преобразовать в электрическую энергию и использовать для электроснабжения объектов дорожной инфраструктуры (освещение пешеходных переходов, подсветка дорожных знаков, электроснабжение светофоров).

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Технические средства инженерного обустройства дорог (ТСИОД) в виде местного искусственного возвышения на проезжей части автомобильной дороги представляются совокупностью трех групп конструкций технических средств и устройств: дорожные искусственные неровности, дорожные электрогенерирующие неровности, дорожные энергетические установки (рис. 1).

 

Рис. 1. Классификация ТСИОД в виде местного искусственного возвышения на проезжей части автомобильной дороги.

Fig. 1. Classification of technical means of road engineering in the form of a local artificial elevation (bump) on the roadway.

 

Совершенствование конструкций технических электрогенерирующих средств к настоящему времени реализуется в двух направлениях:

• дорожные электрогенерирующие неровности служат для принуждения водителей автотранспортного средства к снижению скорости движения и преобразования энергии движения автомобиля в электрическую энергию;
• дорожные энергетические установки служат для преобразования энергии движущегося автотранспортного средства в электрическую энергию.

Пример конструкции дорожной электрогенерирующей неровности представлен на рис. 2 [5].

 

Рис. 2. Дорожная электрогенерирующая неровность: 1 – корпус; 2 – платформы; 3 – поперечные оси; 4 – шарнир.

Fig. 2. Road electrically generating bump: 1 – frame; 2 – platforms; 3 – transverse axes; 4 – hinge.

 

Дорожная электрогенерирующая неровность не опасна для транспортного средства только при невысоких скоростях движения автотранспорта. Объясняется это тем, что соотношение высоты гребня дорожной электрогенерирующей неровности к ее ширине составляет порядка 0,1–0,2, т. е. транспортное средство подпрыгивает на дорожной электрогенерирующей неровности и при высоких скоростях движения возможно нанесение вреда подвеске автомобиля. В местах установки дорожных электрогенерирующих неровностей наблюдается резкое повышение уровня шума, загазованности, снижение пропускной способности улиц. Кроме того, дорожная электрогенерирующая неровность при наезде колес автотранспорта проваливается, образуя на стыке платформ дополнительные неровности.

Пример дорожной энергетической установки представлен на рис. 3 [6].

 

Рис. 3. Дорожная энергетическая установка: 1 – проезжая часть, выполненная из гибкого материала; 2 – оси; 3 – подпор; 4 – подвал; 5 – ролик; 6 – ребра жесткости; 7 – кронштейн; 8 – шток; 9 – упругий элемент; 10 – реверсивный преобразователь; 11 – электрический генератор; 12 – аккумуляторная батарея; 13 – упоры-ограничители; 14 – демпферы; 15 – дорожное полотно; 16 – натягивающее устройство; 17 – подпятник.

Fig. 3. Road power plant: 1 – roadway made of flexible material; 2 – axes; 3 – support; 4 – basement; 5 – roller; 6 – stiffeners; 7 – bracket; 8 – stock; 9 – elastic element; 10 – reversible converter; 11 – electric generator; 12 – battery; 13 – stops-limiters; 14 – dampers; 15 – roadbed; 16 – tensioning device; 17 – thrust bearing.

 

Часть дорожной энергетической установки, которая взаимодействует с транспортным средством, выполненная из гибкого материала, обеспечивает плавный наезд и съезд колес автотранспорта с энергетической установки.

Однако при проезде автотранспорта по предварительно выгнутому металлическому листу крутящий момент от колеса, перемещающийся через предварительно выгнутый металлический лист, сначала сжимает его переднюю половину, он крутится, а затем раскручивается – создается рикошет энергии между передней и задней частью. Длительное воздействие на металл повторно-переменных напряжений снижает порог усталости материала, вызывает образование трещин и разрушение. Как следствие – низкий срок службы представленной конструкции дорожной энергетической установки.

Еще один пример дорожной энергетической установки представлен на рис. 4 a, b [7].

 

Рис. 4. Дорожная энергетическая установка: a – конструктивная схема; b – аксонометрия гребенки; 1 – головка в форме гребенки; 2 – подпружиненный винт; 3 – гайка; 4 – обгонная муфта; 5 – маховик; 6 – пружина; 7 – основание; 8 – электрический генератор; 9 – прорези для гребенки.

Fig. 4. Road power plant: a – construction diagram; b – axonometric view of comb; 1 – comb-shaped head; 2 – spring-loaded screw; 3 – nut; 4 – overrunning clutch; 5 – flywheel; 6 – spring; 7 – base; 8 – electric generator; 9 – slots for comb.

 

Нажимная платформа, состоящая из неподвижного настила и подвижной головки винта в виде гребенки, установленной в прорезях неподвижного настила, позволяет обеспечивать плавность наезда и съезда автомобиля с дорожной энергетической установки при низком уровне шума и загазованности.

Несмотря на большое многообразие конструкций технических электрогенерирующих средств, предлагаемых российскими и зарубежными учеными, в современной научной литературе отсутствует систематическое представление о данном классе устройств.

Целью данной работы является систематизация технических электрогенерирующих средств и разработка их классификации.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Основываясь на данных отечественной и зарубежной научной литературы, технические электрогенерирующие средства можно классифицировать по типу устройства, преобразующего энергию движения автомобиля в электрическую энергию.

1. Пьезоэлектрические устройства [8]. В основе работы таких устройств лежит преобразование силы давления колес автотранспортного средства в электрическую энергию посредством пьезоэлектрических элементов (рис. 5).

 

Рис. 5. Пьезоэлектрическое устройство преобразования энергии движущегося автомобиля в электрическую энергию: 1 – колесо; 2 – корпус устройства; 3 – ударный мост; 4 – ударно-возвратный механизм; 5 – верхняя упорная планка, 6 – нижняя упорная планка; 7 – пьезоэлемент.

Fig. 5. Piezoelectric device for converting energy of a moving car into electric energy: 1 – wheel; 2 – device body; 3 – shock bridge; 4 – shock-return mechanism; 5 – upper thrust bar, 6 – lower thrust bar; 7 – piezo element.

 

2. Гидравлические устройства [9, 10]. Принцип действия таких устройств основан на том, что часть дорожного полотна выполняется в виде эластичного слоя, внутри которого проложены гибкие трубы. В момент проезда автотранспорта по участку эластичного полотна рабочая жидкость начинает перемещаться в трубах под давлением, после чего накапливается в гидравлических аккумуляторах. После достижения необходимого давления в гидравлическом аккумуляторе энергия сжатой жидкости преобразуется в электрическую посредством электромагнитного преобразователя (рис. 6).

 

Рис. 6. Гидравлическое устройство преобразования энергии движущегося автомобиля в электрическую энергию: 1 – эластичная труба; 2 – эластичный слой дорожного покрытия; 3 – запасная емкость; 4 – емкости аккумуляторов давления рабочей жидкости; 5 – запорно-регулирующие органы; 6 – блок управления; 7 – преобразователи потенциальной энергии рабочей жидкости; 8 – трубопроводы.

Fig. 6. Hydraulic device for converting the energy of a moving car into electrical energy: 1 – elastic pipe; 2 – elastic layer of the road surface; 3 – spare tank; 4 – reservoirs of working fluid pressure accumulators; 5 – shut-off valves; 6 – control unit; 7 – converters of potential energy of working fluid; 8 – pipelines.

 

3. Электромеханические устройства [11]. Преобразование энергии движения автотранспортного средства в таких устройствах осуществляется за счет того, что в момент наезда автомобиля на искусственную неровность последняя утапливается и приводит в действие механический преобразователь энергии, который связан с электрическим генератором (рис. 7).

 

Рис. 7. Электромеханическое устройство преобразования энергии движущегося автомобиля в электрическую энергию.

Fig. 7. Electromechanical device for converting the energy of a moving car into electrical energy.

 

В свою очередь технические электрогенерирующие средства с электромеханическим преобразователем энергии движения автомобиля различают по следующим признакам:

• по количеству двигателей: однодвигательные [12] – механическая энергия преобразуется в электрическую одним генератором (рис. 8, a); многодвигательные [13] – механическая энергия преобразуется в электрическую двумя и более генераторами (рис. 8, b);

 

Рис. 8. Конструкция электропривода технических электрогенерирующих средств: a) однодвигательный; b) многодвигательный.

Fig. 8. The design of the electric drive of technical power generating facilities: a) single engine; b) multi-engine.

 

• по типу механического передаточного устройства: зубчатые пары [14] – преобразование механической энергии в электрическую осуществляется с помощью зубчатого зацепления (рис. 9, a); плоские рычажные механизмы [15] – преобразование механической энергии в электрическую осуществляется с помощью плоского рычажного механизма (кривошипно-шатунный механизм, кинематическая пара «коромысло – шатун») (рис. 9, b);

 

Рис. 9. Механическое передаточное устройство технического электрогенерирующего средства: a) в виде зубчатой передачи; b) в виде кинематической пары «коромысло – шатун»; 1 – нажимная платформа; 2 – подпружиненный шток; 3 – пружина; 4 – коромысло; 5 – шатун; 6 – приводной вал; 7 – обгонная муфта; 8 – маховик; 9 – электрический генератор.

Fig. 9. Mechanical transmission device of technical electric generating equipment: a) in the form of gear transmission; b) in the form of kinematic pair “rocker-connecting rod”; 1 – pressure platform; 2 – spring-loaded rod; 3 – spring; 4 – rocker; 5 – connecting rod; 6 – drive shaft; 7 – overrunning clutch; 8 – flywheel; 9 – electric generator.

 

• по типу конструкции нажимной платформы: сборная [16] – выполненная из нескольких элементов (рис. 10, a); цельная [17] – выполненная в виде целого изделия;
• по типу используемого генератора: генератор постоянного тока [18; 19]; генератор переменного тока [20].

 

Рис. 10. Нажимная платформа технического электрогенерирующего средства: a) − сборная; b) – цельная; 1 – вал потребителя энергии; 2 – подвижные платформы; 3 – шарнирное соединение; 4 – опорные стороны платформы; 5 – проезжая часть; 6 – кронштейн; 7 – передаточный блок; 8 – груз; 9 – трос; 10 – толкатель; 11 – шатун; 12 – зубчатый сектор; 13 – храповой механизм с ведущей шестерней; 14 – ведомая шестерня; 15- ведущая шестерня вала потребителя; 16 – ведомая шестерня вала потребителя; 17 – железобетонные опоры.

Fig. 10. Pressure platform of the technical power generating facility: а) – prefabricated; b) – one-piece; 1 – energy consumer shaft; 2 – mobile platforms; 3 – hinge connection; 4 – platform support sides; 5 – roadway; 6 – bracket; 7 – transmission unit; 8 – load; 9 – cable; 10 – pusher; 11 – connecting rod; 12 – gear sector; 13 – ratchet mechanism with a drive gear; 14 – driven gear; 15 – drive gear of the consumer shaft; 16 – driven gear of the consumer shaft; 17 – reinforced concrete supports.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Все описанные выше технические электрогенерирующие средства сгруппированы в «Классификацию технических электрогенерирующих средств» (рис. 11).

 

Рис. 11. Классификация технических электрогенерирующих средств.

Fig. 11. Classification of technical power generating facilities.

 

ВЫВОДЫ

Проведенный анализ показывает, что основным классификационным признаком технических электрогенерирующих устройств является тип преобразователя энергии движущегося автомобиля в электрическую:

• пьезоэлектрический;
• гидравлический;
• электромеханический.

В свою очередь технические электрогенерирующие устройства с электромеханическим преобразователем энергии классифицируются по ряду признаков:

• количеству двигателей;
• по типу механизма передаточного устройства;
• по конструкции нажимной платформы;
• по виду используемого генератора.

Разработанная классификация позволяет систематизировать достижения отечественных и зарубежных ученых в разработке такого класса устройств, как технические электрогенерирующие средства.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. А.В. Прудий ― поиск публикаций по теме статьи, написание рукописи, редактирование текста рукописи, создание изображений; Ю.М. Ляшенко ― поиск публикаций по теме статьи, экспертная оценка, утверждение финальной версии. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. A.V. Prudiy ― search for publications, writing the text of the manuscript, editing the text of the manuscript, creating images; Y.M. Lyashenko ― search for publications, expert opinion, approval of the final version. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Yuriy M. Lyashenko

Automobile and Road Construction Institut

Email: lumdtn@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6553-0163
SPIN-code: 7361-3127

Dr. Sci. (Engin.), Professor of the Department of Transport Security and Road Infrastructure Management

Russian Federation, 1 pl. Lenina, Shakhty, Rostov Region, 346500

Alexey V. Prudiy

Automobile and Road Construction Institut

Author for correspondence.
Email: prudiy@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0236-8821
SPIN-code: 5223-3876

Senior Lecturer Department of Transport Security and Road Infrastructure Management

Russian Federation, 1 pl. Lenina, Shakhty, Rostov Region, 346500

References

Supplementary files