АВТОМАТИЧЕСКАЯ МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2011 года по МПК G05D16/00 F15B7/00 

Предлагаемое изобретение относится к области совершенствования поршневых компрессорных установок тягового подвижного состава, на котором компрессоры приводятся от теплового двигателя.

Известна автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства [1], в которой функции исполнительного механизма выполняет электрический привод компрессора. Эта система регулирования давления имеет два существенных недостатка. Электрический привод компрессора обладает значительной массой и значительной стоимостью.

Известна автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства [2], содержащая пневматическую систему, соединенную с компрессором, приводимым от вала теплового двигателя посредством механического редуктора и гидродинамической муфты переменного наполнения, вход которой соединен с регулирующим золотником подачи масла в гидродинамическую муфту, отличающаяся тем, что в ней применен управляющий орган непрерывного действия, регулирующий золотник которого связан с мембранным пружинным одностороннего действия приводом, имеющим регулировочную гайку и соединенным трубопроводом с пневматической системой тягового транспортного средства.

В этой автоматической системе регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства функции исполнительного механизма выполняет гидродинамический привод компрессора, содержащий гидродинамическую муфту переменного наполнения. Эти известные системы регулирования давления имеют два существенных недостатка. Гидродинамический привод компрессора обладает малой монтажной «гибкостью» из-за наличия валопровода, связывающего вал компрессора с валом теплового двигателя, что затрудняет компоновку оборудования тягового транспортного средства. Гидродинамический привод компрессора обладает большой инерционностью, обусловленной инерционностью процессов наполнения и опорожнения гидродинамической муфты переменного наполнения, что отрицательно сказывается на устойчивости и качестве работы автоматической системы регулирования давления.

Задача изобретения - повышение качества работы и технико-экономических показателей автоматической системы регулирования давления сжатого воздуха в пневматической системе тягового транспортного средства показателей с автоматическим регулятором непрерывного действия.

Указанная задача достигается тем, что автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства, содержащая пневматическую систему, соединенную с компрессором, микропроцессорный управляющий орган непрерывного действия, к входам которого подключены посредством аналого-цифровых преобразователей датчик давления, соединенный трубопроводом с пневматической системой тягового транспортного средства, и датчик скорости вращения вала компрессора, соединенный с валом компрессора, а выход микропроцессорного управляющего органа связан через цифроаналоговый преобразователь с усилителем, подключенным к обмотке тягового электромагнита, непосредственно соединенного с измерительной пружиной и регулирующим золотником, отличается тем, что вал компрессора приводится во вращение от вала гидрообъемного двигателя, связанного трубопроводами с гидрообъемным насосом, регулирующим золотником, масляным баком и фильтром масла, причем гидрообъемный насос, вал которого приводится от вала теплового двигателя, связан трубопроводом с охладителем масла, связанным в свою очередь с регулирующим золотником, с фильтром масла и масляным баком; этим поддерживается постоянным давление сжатого воздуха в пневматической системе тягового транспортного средства. При этом вал компрессора соединен с валом гидрообъемного двигателя посредством зубчатых редукторов.

На дизельном тяговом подвижном составе применяются следующие приводы компрессоров: механический не отключаемый от главного теплового двигателя, электрический привод, управляемый релейно; гидродинамический с нерегулируемой муфтой, гидродинамический с регулируемой муфтой, гидрообъемный (гидростатический) привод, управляемый релейно, привод от вспомогательного теплового двигателя (неотключаемый) [3].

Эксплуатация компрессорных установок на локомотивах значительно отличается от эксплуатации их в стационарных условиях. Из-за специфики поездной работы, конструкционных особенностей локомотивов и типов привода компрессоров это отличие характеризуется переменными скоростью вращения вала, давлением нагнетания, температурными условиями, частыми пусками и остановками или сменами рабочего и холостого хода [4].

На фиг.1 изображена функциональная схема автоматической системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства, фиг.2 - статическая характеристика автоматического релейного регулятора давления, фиг.3 - статические характеристики автоматического регулятора давления непрерывного действия: 1 - при выключении привода компрессора при ω_к=0; 2 - при выключении привода компрессора при ω_к=(0,13-0,17)ω_{к макс}, фиг.4 - принципиальная схема автоматической системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства.

Известно, что из всех применяемых способов изменения подачи Q₂ и давления р_к компрессоров способ изменения их путем изменения скорости вращения вала компрессора ω_к является наиболее эффективным. Однако для поддержания давления воздуха р_к в пневматической системе тягового транспортного средства широко применяются релейные автоматические системы регулирования давления (АСРД), в которых функции исполнительно-регулирующих устройств (ИРУ), т.е. исполнительных механизмов (ИМ) в совокупности с регулирующими органами (РО), выполняют привод компрессора и собственно компрессор (см. фиг.1). Сама пневматическая система тягового транспортного средства является объектом регулирования давления (ОРД). Автоматический регулятор давления (АРД) содержит, кроме исполнительно-регулирующего устройства, еще управляющий орган (УО), состоящий из измерительного устройства (ИУ), задающего (ЗУ), сравнивающего (СУ) и усилительно-преобразующего (УУ) устройств [5].

На объект регулирования давления действуют внешние возмущающие воздействия: расход воздуха из пневматической системы Q₁(λ₁), температура T_a(λ₂) и давление р_а(λ₃) атмосферного (всасываемого) воздуха. Для поддержания регулируемой величины - давления р_к(φ) в заданном диапазоне автоматический регулятор давления изменяет регулирующее воздействие - подачу воздуха Q₂(µ) в пневматической системе. Автоматический релейный регулятор давления имеет статическую характеристику в виде петли (см. фиг.2), и при работе автоматической системы регулирования давления величина р_к изменяется в пределах от р_к1 до р_к2. Повышение давления величина р_к от р_к1 до р_к2 осуществляется при работе компрессора с максимальной скоростью вращения вала ω_{к макс} и максимальной подачей Q_{2 макс}. При этом наблюдается максимальная скорость износа деталей цилиндро-поршневой группы компрессора и увеличенный расход смазки. Так, уменьшение ω_к с 1450 до 710 об/мин приводит к снижению скорости износа компрессионных и маслосъемных колец (из улучшенного специального фосфористого чугуна) первой и второй ступеней в 1,3-3 раза, а цилиндров в 2,5-3 раза [6]. Результаты испытаний показывают, что скорость износа деталей компрессора возрастает как с увеличением ω_к, так и с увеличением р_к, причем более сильное влияние на увеличение скорости износа оказывает давление р_к. При увеличении в 1,4 раза (с 0,7 до 1,0 МПа) скорость износа шатунных шеек возрастает в 3,2 раза, тогда как при увеличении ω_к в 1,4 раза (с 1170 до 1640 об/мин) - только в 1,2 раза. Наиболее интенсивно скорость износа начинает увеличиваться при р_к более 0,6-0,7 МПа [7].

Изменение режимов работы компрессора оказывает существенное влияние не только на скорость износа деталей цилиндро-поршневой группы, но и на расход смазки. С повышением ω_к и давления нагнетания р_к расход смазки увеличивается. Например, при испытаниях компрессора на номинальном скоростном режиме с серийными поршневыми кольцами увеличение р_к от 0 до 0,6, 0,8 и 1,0 МПа привело к увеличению расхода смазки соответственно в 1,8, 2,7 и 3,0 раза. При уменьшении ω_к с 1450 до 710 об/мин расход смазки снижался примерно в 6 раз [Банников В.А., Маньшин А.П. Влияние режимов работы компрессоров на износ деталей цилиндро-поршневой группы и расход смазки. - Коломна, Труды ВНИТИ, 1983, Вып.58]. Для уменьшения износа деталей цилиндро-поршневой группы компрессора и уменьшения расхода смазки необходимо применять непрерывное регулирование р_к наиболее эффективным способом - плавным изменением ω_к; при котором уменьшается время работы компрессора при ω_{к макс} и р_{к макс}. Автоматические системы регулирования давления непрерывного действия содержат автоматические регуляторы давления, статические характеристики которых имеют вид, показанный на фиг.3. Анализ свойств автоматических регуляторов давления релейного и непрерывного действия показывает, что при непрерывном регулировании давления компрессор работает больше времени при пониженной ω_к и пониженном р_к, что способствует уменьшению скорости износа деталей цилиндро-поршневой группы и уменьшению расхода смазки (стоимость которой на порядок выше стоимости дизельного топлива).

Автоматическая микропроцессорная система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства с автоматическим регулятором давления непрерывного действия (см. фиг.4) содержит компрессор 1, приводимый от вала гидрообъемного двигателя 2, питаемого от гидрообъемного насоса 3, вал которого соединен с валом теплового двигателя 4; расходом масла через двигатель 2, а значит и частотой вращения его вала и вала компрессора 1 ω_к управляет регулирующий золотник 5.

В случае необходимости иметь частоту вращения вала насоса 3, отличную от частот вращения вала теплового двигателя 4, или иметь частоту вращения вала компрессора 1, отличную от частоты вращения вала двигателя 2, применяются зубчатые редукторы.

Расход воздуха из пневматической системы 6 тягового транспортного средства Q₁ зависит от режимов работы пневматических устройств тягового транспортного средства. Для повышения качества работы автоматической системы регулирования давления можно применить более сложный закон работы автоматического регулятора давления, чем пропорциональный, например пропорционально-интегрально-дифференциальный - ПИД или комбинированного регулирования. Это можно реализовать в автоматической системе регулирования давления с микропроцессорным автоматическим регулятором давления. В этом регуляторе датчик давления 7 имеет выходной аналоговый сигнал, подаваемый на вход первого аналого-цифрового преобразователя (АЦП1) 8 и далее в бортовой микропроцессорный контроллер (МПК) 9, выходной цифровой сигнал которого выводится на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 10. Выходной аналоговый сигнал ЦАП 10 усиливается в усилителе 11 и подается на обмотку 12 тягового электромагнита 13, электромагнитная сила которого F_Э измеряется измерительной пружиной 14. От соотношения сил тягового электромагнита 13 F_Э и пружины 14 F_П зависит положение регулирующего золотника 5. Сила тягового электромагнита 13 F_Э передается измерительной пружине 14 через нажимную шайбу 15. Силу затяжки измерительной пружины 14 F_П можно изменять с помощью регулировочной гайки 16. Положение золотника 5 зависит от давления р_к, но определяется алгоритмом работы автоматического микропроцессорного регулятора давления, учитывающим условия и режимы работы пневматической системы и компрессорной установки тягового транспортного средства. Для учета величины ω_к в автоматическом микропроцессорном регуляторе давления применен датчик частоты вращения вала компрессора 17, соединенный с вторым входом бортового микропроцессорного контроллера 9 через второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП2) 18. Управляющая программа бортового микропроцессорного контроллера 9 содержит требуемый алгоритм работы автоматического микропроцессорного регулятора давления. Например, программа может содержать такое задание: при скорости уменьшения р_к больше заданного значения автоматический микропроцессорный регулятор давления должен быстро увеличить ω_к и подачу компрессора Q₂ до максимальных значений. Эта функция не может быть реализована в известных автоматических системах регулирования давления в пневматических системах тяговых транспортных средств. Гидрообъемный привод компрессора содержит также охладитель масла 19, фильтр масла 20 и масляный бак 21.

Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства работает следующим образом. При р_к ниже р_к1 (фиг.3 и 4) измерительная пружина 14 удерживает регулирующий золотник 5 в крайнем верхнем положении. Отверстие для подачи масла G₁ на перепуск мимо двигателя 2 полностью закрыто регулирующим золотником 5. Все масло от насоса 3 подается в двигатель 2, его вал и вал компрессора 1 вращаются с максимальной частотой вращения ω_к. Компрессор 1 имеет подачу Q_2макс, и давление р_к повышается. После достижения р_к значения р_к1 сила тягового электромагнита 13 F_Э становится больше силы измерительной пружины 14. При этом сердечник 13 электромагнита и шайба 15 перемещаются вниз и регулирующий золотник 5 начинает открывать отверстие для перепуска масла G₃ двигателя 2. Это приводит к уменьшению расхода масла через двигатель 2, к уменьшению частоты вращения ω_к и подачи Q₂ компрессора 1. Когда подача Q₂ компрессора 1 станет равной расходу Q₁, наступит установившийся режим работы автоматической системы регулирования давления и р_к будет постоянным. Если р_к становится равным р_к2, регулирующий золотник 5 обеспечивает полную подачу масла G₃ на перепуск мимо двигателя 2, компрессор 1 останавливается и подача его Q₂ становится равной нулю. Поскольку компрессор 1 дает заметную подачу при частоте вращения ω_к>(0,13-0,17) ω_{к макс}, то автоматическую систему регулирования давления можно настраивать так, чтобы регулирующий золотник 5 открывал подачу масла G₃ на перепуск мимо двигателя 2 при достижении этой минимальной частоты вращения (фиг.3). Таким образом, при разных расходах воздуха из пневматической системы тягового транспортного средства автоматическая система регулирования давления всегда будет поддерживать подачу Q₂ компрессора 1, равную расходу Q₁ из пневматической системы при изменении давления в диапазоне от р_к1 до р_к2.

Технический результат достигается за счет того, что автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства содержит пневматическую систему, соединенную с компрессором, микропроцессорный управляющий орган непрерывного действия, к входам которого подключены посредством аналого-цифровых преобразователей датчик давления, соединенный трубопроводом с пневматической системой тягового транспортного средства, и датчик скорости вращения вала компрессора, соединенный с валом компрессора, а выход микропроцессорного управляющего органа связан через цифроаналоговый преобразователь с усилителем, подключенным к обмотке тягового электромагнита, непосредственно соединенного с измерительной пружиной и регулирующим золотником. Вал компрессора приводится от вала гидрообъемного двигателя, связанного трубопроводами с гидрообъемным насосом, регулирующим золотником, масляным баком и фильтром масла. Гидрообъемный насос, вал которого приводится от вала теплового двигателя, связан трубопроводом с охладителем масла, связанным в свою очередь с регулирующим золотником, с фильтром масла и масляным баком. Этим поддерживается постоянным давление сжатого воздуха в пневматической системе тягового транспортного средства.

Список использованных источников

1. Патент РФ 2254249. Система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства. / Н.М.Луков, О.Н.Ромашкова, А.С.Космодамианский, И.А.Алейников. - Опубл. 20.06.05, БИ №17.

2. Патент РФ 2239220. Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства. /Н.М.Луков, О.Н.Ромашкова, А.С.Космодамианский, И.А.Алейников. - Опубл. 27.10.04, БИ №30.

3. Тепловозы. Конструкция, теория и расчет. /Под ред. Н.И.Панова. - М.: Машиностроение, 1976. - 544 с.

4. Шарунин А.А. Эксплуатационные испытания локомотивных компрессоров ПК-35 и ПК-3,5. Труды ЦНИИ МПС, 1970, Вып. 413.

5. Луков Н.М., Космодамианский А.С. Автоматические системы управления локомотивов: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007. - 429 с.

6. Банников В.А., Маньшин А.П. Влияние режимов работы компрессоров на износ деталей цилиндро-поршневой группы и расход смазки. - Коломна, Труды ВНИТИ, 1983, Вып.58.

7. Цыкунов Ю.И. Результаты испытаний на износ компрессоров ПК-35 и ПК-3,5. - М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, Транспортное машиностроение, 1968, Вып.135.

Изобретение относится к системе автоматического регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства. Система содержит компрессор, микропроцессорный управляющий орган непрерывного действия, датчик давления, датчик скорости вращения вала компрессора, цифроаналоговый преобразователь с усилителем, тяговый электромагнит, измерительную пружину, регулирующий золотник. Вал компрессора приводится во вращение от вала гидрообъемного двигателя. Гидрообъемный двигатель связан трубопроводами с гидрообъемным насосом, регулирующим золотником, масляным баком и фильтром масла. Гидрообъемный насос связан трубопроводом с охладителем масла. Охладитель масла связан с регулирующим золотником, с фильтром масла и масляным баком. Технический результат заключается в улучшении качества работы системы регулирования давления. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства, содержащая пневматическую систему, соединенную с компрессором, микропроцессорный управляющий орган непрерывного действия, к входам которого подключены посредством аналого-цифровых преобразователей датчик давления, соединенный трубопроводом с пневматической системой тягового транспортного средства, и датчик скорости вращения вала компрессора, соединенный с валом компрессора, а выход микропроцессорного управляющего органа связан через цифроаналоговый преобразователь с усилителем, подключенным к обмотке тягового электромагнита, непосредственно соединенного с измерительной пружиной и регулирующим золотником, отличающаяся тем, что вал компрессора приводится во вращение от вала гидрообъемного двигателя, связанного трубопроводами с гидрообъемным насосом, регулирующим золотником, масляным баком и фильтром масла, причем гидрообъемный насос, вал которого приводится от вала теплового двигателя, связан трубопроводом с охладителем масла, связанным, в свою очередь, с регулирующим золотником, с фильтром масла и масляным баком, этим поддерживается постоянным давление сжатого воздуха в пневматической системе тягового транспортного средства.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что вал гидрообъемного насоса с валом теплового двигателя, а вал компрессора с валом гидрообъемного двигателя соединяются посредством зубчатых редукторов.