АВТОМАТИЧЕСКАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2013 года по МПК G05D16/20 F15B7/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Предполагаемое изобретение относится к области совершенствования поршневых компрессорных установок тягового подвижного состава, например дизельного тягового подвижного состава, на котором компрессоры приводятся от теплового двигателя. На дизельном тяговом подвижном составе применяются следующие приводы компрессоров: механический неотключаемый от главного теплового двигателя; электрический;

гидродинамический с регулируемой муфтой; гидродинамический с нерегулируемой муфтой; привод от вспомогательного теплового двигателя (нетключаемый) [Тепловозы. Конструкция, теория и расчет. / Под ред. Н.И. Панова. - М.: Машиностроение, 1976. - 544 с.].

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

Известно, что из всех применяемых способов изменения подачи Q₂ и давления р_к компрессоров способ изменения их путем изменения частоты 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. 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 устройств - измерительного (ИУ), задающего (ЗУ), сравнивающего (СУ) и усилительно-преобразующего [Луков Н.М. Космодамианский А.С. Автоматические системы управления локомотивов. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007, с.342-343]. На объект регулирования давления ОРД действуют внешние возмущающие воздействия λ₁, λ₂ и λ₃: расход воздуха из пневматической системы Q₁, температура Т_а и давление р_а атмосферного (всасываемого) воздуха. Изменения этих возмущающих воздействий приводят к изменениям регулируемой величины φ - давления р_к [Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Т.1. Теория и расчет. - М.: КолосС, 2006. - с.114-119]. Для поддержания давления р_к в заданном диапазоне автоматический регулятор давления изменяет подачу воздуха Q₂ в пневматическую систему. Автоматический релейный двухпозиционный регулятор давления имеет статические характеристики в виде петли (см. фиг.1. Статические характеристики автоматического релейного двухпозиционного регулятора давления) при максимальной ω_к1 и минимальной ω_к2 частоте вращения вала компрессора. При работе автоматической системы регулирования давления величина р_к изменяется в пределах от р_к1 до р_к2. Повышение давления 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. [Банников В.А., Манышин А.П. Влияние режимов работы компрессоров на износ деталей цилиндро-поршневой группы и расход смазки. - Коломна, Труды ВНИТИ, 1983, Вып.58]. 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. [Цыкунов Ю.И. Результаты испытаний на износ компрессоров ПК-35 и ПК-3,5. - М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, Транспортное машиностроение, 1968, Вып.13]. С повышением ω_к и давления нагнетания р_к расход смазки увеличивается. [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 плавное регулирование давления р_к наиболее эффективным способом - изменением ω_к, при котором уменьшается время работы компрессора при ω_{к макс} и р_{к макс-}. Анализ свойств автоматических регуляторов давления релейного двухпозиционного 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) [Цыкунов Ю.И., Лесин В.И. Результаты испытаний опытных образцов локомотивных компрессоров ПК-3,5 и ПК-1,75. - М.: НИИИнформТяжМаш, Транспортное машиностроение, 1968, Вып.5-67-14].

Уровень техники

Известна автоматическая система регулирования давления [Патент РФ №2239221], 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, в которой применен регулятор давления масла, содержащий центробежный измеритель скорости вращения вала компрессора, соединенный с валом компрессора, и мембранно-клапанной системой, регулирующей подачу масла от источника давления к золотнику, который в свою очередь регулирует подачу масла к гидродинамической муфте.

Известна автоматическая система регулирования давления [Патент РФ №2258014], 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, в которой применен 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 цифро-аналоговый преобразователь с усилителем, подключенным к обмотке тягового электромагнита, непосредственно соединенного с измерительной пружиной и золотником подачи масла в гидродинамическую муфту.

Известна также автоматическая система регулирования давления [Патент РФ №2258015], 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, в которой применен управляющий орган непрерывного действия, регулирующий золотник которого связан с мембранным пружинным одностороннего действия приводом, соединенным трубопроводом с пневматической системой тягового транспортного средства.

Аналог предполагаемого изобретения, наиболее близкий к нему по совокупности существенных признаков (прототип)

Известна автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства [Патент РФ №2258838], 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. В ней применен микропроцессорный управляющий орган, 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 цифро-аналоговый преобразователь с усилителем, подключенным к преобразователю электрического сигнала в пневматический, вход которого также соединен с пневматической системой тягового транспортного средства, а выход - со входом мембранного пружинного одностороннего действия привода золотника подачи масла в гидродинамическую муфту, причем в автоматической системе регулирования давления может быть реализован как пропорциональный закон работы регулятора, так и более сложный, например ПИД или комбинированного регулирования.

Эта автоматическая система регулирования давления, также, как и все три аналога предполагаемого изобретения [Патенты РФ №№2239221, 2258014, 2258015], обладает существенным недостатком. В ней гидродинамический привод компрессора содержит гидродинамическую муфту переменного наполнения. Коэффициент полезного действия гидродинамического привода компрессора изменяется пропорционально частоте вращения вала компрессора (при постоянной частоте вращения вала приводного теплового двигателя). Коэффициент полезного действия механического привода компрессора имеет значения, близкие к единице (0,94…0,96) и не изменяется при изменении частоты вращения вала компрессора (см. фиг.2. Зависимости коэффициентов полезного действия механического η_мп (линия а) и гидродинамического η_гп (линия б) привода компрессора от относительной частоты вращения его вала) [Луков Н. М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995, с.111-112]. Энергетическая эффективность (произведение коэффициентов полезного действия и относительной частоты вращения выходного вала) гидродинамического привода при равномерном распределении во времени частот вращения выходного вала в 2,11 раза меньше, чем механического (0,45 и 0,95) привода. В результате затраты энергии на сжатие воздуха при механическом приводе (с одной передачей) компрессора намного меньше, чем при гидродинамическом приводе. Если механический привод имеет не одну ступень передачи, а, например, три с соотношением частот вращения вала компрессора: 0,25; 0,5 и 1,0, то энергетическая эффективность механического привода компрессора на этих передачах будет 0,238; 0,238 и 0,475 соответственно, а гидродинамического привода 0,0275; 0,084 и 0,34 соответственно. В результате отношения энергетических эффективностей механического и гидродинамического привода составят 8,65; 2,83 и 1,4 соответственно. Это означает, что затраты энергии на сжатие воздуха при механическом приводе (с тремя передачами) компрессора меньше, чем при гидродинамическом приводе в 8,65; 2,83 и 1,4 раза соответственно.

Механический привод компрессора также имеет меньшую удельную массу на единицу мощности, меньшие габаритные размеры и меньшую стоимость, чем гидродинамический привод.

Однако, автоматический релейный двухпозиционный регулятор давления с механическим приводом (с одной ступенью передачи) компрессора имеет существенные недостатки.

Регулирование давления осуществляется релейно путем включения и выключения компрессора при срабатывании управляющего органа - реле давления. Разность давлений включения р_к2 и выключения р_к1 компрессора представляет собой зону нечувствительности (возврата) регулятора 2ΔZ_нч, которая является статическим параметром настройки регулятора. Включения и выключения компрессора приводят к колебаниям давления со значительными амплитудами и частотами и к увеличенному расходу топлива дизелем, масла компрессором и к уменьшению надежности привода компрессора и самого компрессора.

Сущность изобретения

Предлагаемая автоматическая комбинированная микропроцессорная система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства не имеет недостатков, присущих известной автоматической системе регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства [Патент РФ №№2258838], так как она содержит автоматический релейный многопозгщшмный микропроцессорны и регулятор давления с механическим приводом компрессора. Чем больше позиций имеет релейный регулятор, тем больше релейная система с таким регулятором приближается к системе непрерывного действия по показателям качества работы. В предлагаемом многопозиционном регуляторе применена планетарная коробка перемены передач (ПКП) с тремя ступенями. По сравнению с коробками передач, образованными простыми зубчатыми механизмами, ПКП обладают следующими преимуществами [Филичкин Н.В. Анализ планетарных коробок передач транспортных и тяговых машин. Челябинск, Ю-УрГТУ, 2005, стр.9-12]:

1. Более высокая удельная мощность при малых габаритах и массе. Это обусловлено передачей мощности параллельными потоками одновременно через несколько пассивных звеньев - сателлитов в каждом нагруженном планетарном механизме;

2. Высокие значения КПД;

3. Простота как ручного, так и автоматического управления ПКП;

4. Соосность компоновки, то есть совпадение осей ведущего и ведомого валов;

5. Практически полное отсутствие радиальных нагрузок на основных звеньях ПКП.

В корпусе 1 ПКП с тремя ступенями передачи (см. фиг.3. Принципиальная схема планетарной коробки перемены передач) установлены входной вал 2, выходной вал 3 и сложный четырехзвенный планетарный механизм компактной структуры 4, который содержит: два центральных солнечных зубчатых колеса 5 и 6, три сцепленных между собой сателлита 7, 8, 9, связанных соответственно: первый сателлит 7 - с первым центральным солнечным колесом 5, второй сателлит 8 - с эпициклическим колесом 10, а третий сателлит 9 - со вторым центральным солнечным колесом 6; и водило 11. Входной вал 2 может быть связан с эпициклическим колесом 10 через первый блокировочный фрикцион ПБФ 12 и при этом входной вал 2 имеет возможность соединения при помощи механизма свободного хода 13 с первым центральным солнечным колесом 5. При этом водило 11 может быть остановлено тормозным фрикционом ТФ 14. Далее, центральное солнечное зубчатое колесо 5 и выходной вал 3 могут быть связаны при помощи второго блокировочного фрикциона ВБФ 15. И, кроме того, выходной вал 3 может быть связан с центральным солнечным зубчатым колесом 6 посредством механизма свободного хода 16.

Такая ПКП обеспечивает исключение разрыва потока мощности при переключении передач путем последовательного включения очередных элементов управления (двух фрикционов ПБФ, ВБФ и одного тормозного фрикциона ТФ) без отключения предыдущих. ПКП работает следующим образом: для включения первой ступени передачи включается первый блокировочный фрикцион ПБФ 12 и заклиниваются механизмы свободного хода 13 и 16. Вращение передается с ведущего вала 2 через включенный блокировочный фрикцион ПБФ 12 на эпициклическое колесо 10, через механизм свободного хода 13 - на солнечное колесо 5. При этом, поскольку два звена планетарного механизма 4 приобрели одинаковую угловую скорость, такую же скорость будут иметь остальные два звена планетарного механизма: центральное солнечное зубчатое колесо 6 и водило 11. Центральное солнечное колесо 6 через заклиненный механизм свободного хода 16 приведет во вращение выходной вал 3.

Для включения второй передачи ПКП включается тормозной фрикцион ТФ 14, при этом первый блокировочный фрикцион ПБФ 12 не выключается, но отключается механизм свободного хода 13 из-за того, что при остановленном водиле 11 солнечное колесо 5 приобретет большую, чем у эпициклического колеса 10 угловую скорость. Вращение передается с входного вала 2 ПКП через оставленный включенным блокировочный фрикцион ПБФ 12 на эпициклическое колесо 10, далее на третий сателлит 9 и второе центральное солнечное колесо 6, с него на оставшийся заклиненным механизм свободного хода 16 и на выходной вал 3.

Для включения третьей ступени передачи ПКП включается второй блокировочный фрикцион ВБФ 15, при этом первый блокировочный фрикцион ПБФ 12 и тормозной фрикцион ТФ 14 остаются включенными, а механизм свободного хода 16 расклинивается, так как из-за включения второго блокировочного фрикциона ВБФ 15 выходной вал 3 приобретает угловую скорость, большую, чем у солнечного колеса 6. Вращение передается с ведущего вала 2 ПКП через включенный первый блокировочный фрикцион ПБФ 12 на эпициклическое колесо 10, далее на второй сателлит 8, первый сателлит 7 и с него - на первое центральное солнечное колесо 5, второй блокировочный фрикцион ВБФ 15 и на выходной вал 3.

Таким образом, при работе ПКП при переходе со ступени передачи на смежную ступень как в восходящем, так и в нисходящем порядке, не происходит разрыва потока мощности, поскольку не отключаются включенные предыдущие управляющие элементы, а подключается следующий при переключении на высшую, либо выключается последний при переходе на низшую ступень передачи, что сопровождается автоматическим заклиниванием или расклиниванием механизмов свободного хода 13 и 16.

Для управления фрикционами ПКП применяются пневматические или гидравлические устройства (органы управления), содержащие электропневматический или электрогидравлический вентиль (клапан) и пневматический или гидравлический поршневой или мембранный пружинный одностороннего действия механизм [Харитонов С.А. Автоматические коробки передач. - М.: ООО «Изд-во «Астрель», 2003. - 335 с].

В предлагаемой автоматической комбинированной микропроцессорной системе регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства механический привод компрессора имеет более высокую надежность, так как компрессор включается в работу только на первой передаче, обеспечивающей пониженную частоту вращения компрессора ω_к, например, 0,25 номинального значения. Затем следующее увеличение частоты вращения компрессора ω_к при переходе с первой на вторую ступень передачи также небольшое и осуществляется без предварительного выключения компрессора. Увеличение частоты вращения ω_к при переходе со второй на третью ступень передачи также небольшое и осуществляется без предварительного выключения компрессора. Эти условия обуславливают пониженные динамические нагрузки в элементах привода компрессора и значительное повышение его надежности. Применение пониженных передач и частот вращения компрессора обеспечивает значительное уменьшение затрат энергии на привод компрессора, повышение надежности привода и компрессора и уменьшение амплитуды и частоты колебаний давления р_к что приводит к уменьшению расхода топлива тяговым транспортным средством и к повышению надежности компрессорной установки.

Автоматическая комбинированная микропроцессорная система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства (фиг.4. Принципиальная блок-схема автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства) содержит датчик 17 давления воздуха ДДВ1 в пневматической системе 18, датчик 19 расхода воздуха ДРВ из пневматической системы, датчик 20 температуры атмосферного (всасываемого) воздуха ДТВ и датчик 21 давления атмосферного (всасываемого) воздуха ДДВ2, микропроцессорный контроллер (МПК) 22, планетарную коробку перемены передач ПКП 1, три органа управления фрикционами (ОУФ): 23 - первым блокировочным фрикционом, 24 - тормозным фрикционом и 25 - вторым блокировочным фрикционом, тепловой двигатель 26, вал которого соединен с входным валом планетарной коробки перемены передач, компрессор 27.

Автоматическая комбинированная микропроцессорная система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства, содержит следующие функциональные элементы (фиг.5. Функциональная схема автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного): объект регулирования давления ОР 18 (пневматическую систему тягового транспортного средства), первое измерительное устройство (ИУ1) 17 (датчик давления р_к воздуха в пневматической системе) с выходным сигналом х_д1, второе измерительное устройство (ИУ2) 19 (датчик расхода Q₁ воздуха из пневматической системы) с выходным сигналом Х_д2, третье измерительное устройство (ИУЗ) 20 (датчик температуры Т_а атмосферного (всасываемого) воздуха) с выходным сигналом х_д3, четвертое измерительное устройство (ИУ4) 21 (датчик давления атмосферного (всасываемого) воздуха р_а) с выходным сигналом х_д4, регулирующий орган (РО) 27 (компрессор К), исполнительный механизм (ИМ) 28 с выходным сигналом h_им (механический привод компрессора ПК), четыре задающих устройства 29, 30, 31 и 32 - (ЗУ1), (ЗУ2), (ЗУЗ) и (ЗУ4) с сигналами задания η₁, η₂, η₃, и с выходными сигналами х_зу1, х_зу2 и х_зу3, четыре сравнивающих устройства 33, 34, 35 и 36 - (СУ1), (СУ2), (СУЗ) и (СУ4) с выходными сигналами Δх_су1 Δх_су2, Δхс_у3 и Δх_су4, два устройства коррекции 37 и 38 - (УК1) и (УК2) статических характеристик измерительных устройств ИУ2 и ИУЗ с выходными сигналами х_ук1 и х_ук2, устройство суммирования 39 (УС) с выходным сигналом х_ус выходных сигналов сравнивающих устройств СУ1, СУ2, СУ3 и СУ4 и управляющее устройство 40 (УУ) с выходным сигналом х_уу.

Устройства коррекции УК1 и УК2 статических характеристик измерительных устройств ИУ2 и ИУЗ предназначены для установления степени влияния сигналов возмущающих воздействий λ₁ и λ₂ на регулирующее воздействие µ. Степени влияния определяются значениями коэффициентов передачи устройств коррекции УК1 и УК2: k_ук1 и k_ук2 (статические параметры настройки регулятора). Например, давление воздуха в пневматической системе р_к изменяется пропорционально давлению атмосферного (всасываемого) воздуха р_а, а коэффициент пропорциональности (коэффициент передачи пневматической системы по давлению атмосферного (всасываемого) воздуха р_а) равен единице. Поэтому для уменьшения влияния давления атмосферного (всасываемого) воздуха р_а, на регулирующее воздействие µ, а значит и на давление воздуха в пневматической системе р_к, необходимо делать меньше единицы значение коэффициента передачи устройства коррекции УК2.

Выходной сигнал устройства суммирования УС определяется из выражения

Автоматический микропроцессорный шестипозиционный регулятор давления с механическим приводом компрессора является комбинированным, так как в нем для управления исполнительно-регулирующим устройством кроме сигнала регулируемого величины φ - давления р_к используются еще сигналы внешних возмущающих воздействий λ₁, λ₂, λ₃ расхода воздуха из пневматической системы Q₁, температуры атмосферного (всасываемого) воздуха Т_а, давления атмосферного (всасываемого) воздуха р_а. В результате регулирующее воздействие µ на объект регулирования определяется выражением (алгоритмом работы комбинированного регулятора температуры) [Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М.: Транспорт, 1989, стр.19. Луков Н.М., А.С. Космодамианский. Автоматические системы управления локомотивов. - М.: ГОУ УМЦ по образованию на ж.-д. транспорте, стр.22]

где k_p, k_pλ1, k_pλ2, k_pλ3 - коэффициенты передачи регулятора по каналам действия регулируемой величины и возмущающих воздействий.

Автоматическая комбинированная микропроцессорная система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства содержит четыре регулятора. Регулятор давления р_к по отклонению его от заданного значения вместе с объектом регулирования образует замкнутый контур регулирования и содержит функциональные элементы: ИУ1, СУ1, ЗУ1, УС, УУ, ИМ И РО. Регулятор давления р_к по расходу воздуха из пневматической системы Q₁ вместе с объектом регулирования образует первый разомкнутый контур регулирования и содержит функциональные элементы: ИУ2, УК1, СУ2, ЗУ2, УС, УУ, ИМ И РО. Регулятор давления р_к по температуре всасываемого воздуха Т_а вместе с объектом регулирования образует второй разомкнутый контур регулирования и содержит функциональные элементы: ИУ3, УК2, СУ3, ЗУ3, УС, УУ, ИМ И РО. Регулятор давления р_к по давлению всасываемого воздуха р_а вместе с объектом регулирования образует третий разомкнутый контур регулирования и содержит функциональные элементы: ИУ4, СУ4, ЗУ4, УС, УУ, ИМ И РО.

Автоматическая комбинированная микропроцессорная система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства (см. фиг.6. Блок-схема автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства) содержит: датчик 17 давления р_к воздуха в пневматической системе - ДДВ1, датчик 19 расхода воздуха Q₁ из пневматической системы - ДРВ, датчик 20 температуры Т_а всасываемого воздуха - ДТВ, датчик 21 давления р_а всасываемого воздуха - ДДВ2, устройства коррекции 37 и 38 - УК1 и УК2, задающие устройства 29, 30, 31 и 32 - ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3 и ЗУ4, сравнивающие устройства 33, 34, 35 и 36 - СУ1, СУ2, СУ3 и СУ4, устройства суммирования 39 - УС и управления 40 - УУ, привод компрессора 28 - ПК, компрессор 27 - К и пневматическую систему 18 - ПС. Функции устройств УК1, УК2, ЗУ1, ЗУ2, ЗУЗ и ЗУ4, СУ1, СУ2, СУ3 и СУ4, УС и УУ выполняет микропроцессорный контроллер МПК.

Автоматическая комбинированная микропроцессорная система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства работает следующим образом. При отключенных датчиках ДДВ1, ДРВ, ДТВ и ДДВ2 при трехступенчатом зубчатом редукторе в приводе компрессора микропроцессорный контроллер обеспечивает включение компрессора (при повышении давления р_к до значений: р_к2, р_к4 и р_к6) или выключение его (при понижении давления р_к до значений: р_к1, р_к3 и р_к5) при соответствующей передаче редуктора. В результате автоматический микропроцессорный многопозиционный релейный регулятор давления с механическим приводом компрессора будет иметь статические характеристики, представленные на фиг.7 (фиг.7. Статические характеристики автоматического микропроцессорного регулятора давления в пневматической системе тягового транспортного средства). При таком регуляторе давления поле статических характеристик автоматической микропроцессорной системы регулирования давления будет иметь вид, представленный на фиг.8 (фиг.8. Поле статических характеристик автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства). На фиг.8 видно, что при уменьшении расхода воздуха из пневматической системы Q₁ амплитуда и размах колебаний давления р_к увеличиваются. При этом также увеличивается период колебаний давления р_к и остаточная неравномерность Δр_к. Это обусловлено тем, что при уменьшении расхода воздуха из пневматической системы Q₁ и температуры всасываемого воздуха Т_а увеличиваются постоянная времени и коэффициент передачи пневматической системы как объекта регулирования давления [Попов Е.П. Автоматическое регулирование и управление. - М.: Наука, 1966, стр.309-311. В.С. Прусенко. Пневматические системы автоматического регулирования технологических процессов. - М.: Машиностроение, 1987, стр.164, 165, 180-181]. Уменьшение среднего давления р_к при уменьшении расхода воздуха из пневматической системы Q₁ приводит к уменьшению точности регулирования давления р_к, то есть к снижению качества работы системы регулирования. Увеличение амплитуды и периода колебаний давления р_к отрицательно сказывается на технико-экономических показателях компрессора и пневматической системы.

При включенных датчиках ДДВ1, ДРВ, ДТВ и ДДВ2 и при применении в приводе компрессора планетарной коробки передач микропроцессорный контроллер в соответствии с заложенной программой обеспечивает включение и выключение соответствующей ступени передачи в зависимости не только от сигнала давления р_к, но и от сигналов по расходу воздуха из пневматической системы Q₁, температуре всасываемого воздуха Та, давлению p_a всасываемого воздуха. Автоматический комбинированный релейный многопозиционный микропроцессорный регулятор давления будет иметь статические характеристики (см. фиг.9. Статические характеристики автоматического комбинированного микропроцессорного регулятора давления в пневматической системе тягового транспортного средства), отличные от характеристик, приведенных на фиг.7. При этом алгоритм (закон) работы устройства управления УУ приводом компрессора ПК имеет вид:

ω_в=ω_в3 при х_уу6<х_уу<х_уу5 - включены ПБФ и первая ступень передачи;

ω_в=ω_в2 при х_уу4<х_уу<х_уу3 - включены ТФ и вторая ступень передачи;

ω_в=ω_в1 при х_уу2<х_уу<х_уу1 - включены ВБФ и третья ступень передачи.

Для того, чтобы при уменьшении расхода воздуха из пневматической системы Q₁ не увеличивалась амплитуда колебаний давления р_к зона нечувствительности устройства управления УУ, а значит и регулятора давления р_к уменьшается при уменьшении частоты вращения ω_к компрессора. Зона нечувствительности устройства управления УУ: при первой передаче 2ΔZ_нч1=х_уу5-х_уу6, при второй передаче 2ΔZ_нч2=х_уу3-х_уу4 и при третьей передаче 2ΔZ_нч3=х_уу1-х_уу2. Соотношение зон нечувствительности: ΔZ_нч1=k_z1ΔZ_нч2; ΔZ_нч2=k_z2ΔZ_нчЧ3. Значения зоны нечувствительности ΔZ_нч1 и коэффициентов k_z1 и k_z2. являются статическими параметрами настройки регулятора. Интервалы х_уу4-х_уу5 и х_уу2-х_уу3 составляют 0,1-0,2 от зоны нечувствительности.

В результате поле характеристик автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства, содержащей автоматический комбинированный релейный многопозиционный микропроцессорный регулятор давления с механическим приводом компрессора, будет иметь вид, представленный на фиг.10 (фиг.10. Поле характеристик автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства). На фиг.10 видно, что при уменьшении расхода воздуха из пневматической системы Q₁, среднее значение давления р_к остается постоянным, также постоянной остается амплитуда колебаний давления р_к.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предполагаемого изобретения

Осуществление предполагаемого изобретения позволит повысить качество регулирования давления и надежность механического привода компрессора, уменьшить расход топлива транспортным средством и стоимость системы. Технический результат достигается за счет того, что автоматическая комбинированная микропроцессорная система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства содержит пневматическую систему, соединенную с компрессором, приводимым от вала теплового двигателя посредством зубчатого редуктора, датчик давления, соединенный трубопроводом с пневматической системой тягового транспортного средства, вал теплового двигателя соединен с валом компрессора посредством планетарной коробки перемены передач, в корпусе которой установлены входной вал, выходной вал и сложный четырехзвенный планетарный механизм компактной структуры, который содержит: два центральных солнечных зубчатых колеса и три сцепленных между собой сателлита, связанных соответственно: первый сателлит - с первым центральным солнечным колесом, второй сателлит - с эпициклическим колесом, а третий сателлит - со вторым центральным солнечным колесом, и водило; причем входной вал коробки может быть связан с эпициклическим колесом посредством первого блокировочного фрикциона и при этом входной вал имеет возможность соединения при помощи первого механизма свободного хода с первым центральным солнечным колесом; при этом водило может быть остановлено тормозным фрикционом; далее, центральное солнечное зубчатое колесо и выходной вал могут быть связаны при помощи второго блокировочного фрикциона; и, кроме того, выходной вал коробки передач может быть связан с центральным солнечным зубчатым колесом посредством второго механизма свободного хода; фрикционы соединены с тремя органами управления фрикционами, входящими в состав управляющего устройства, планетарная коробка перемены передач выполняет функции привода компрессора, который связан с управляющим устройством; регулятор дополнительно содержит датчик расхода воздуха из пневматической системы, датчик температуры всасываемого воздуха и датчик давления всасываемого воздуха; датчик давления воздуха в пневматической системе связан с первым сравнивающим устройством, датчик давления всасываемого воздуха связан с четвертым сравнивающим устройством, датчик расхода воздуха из пневматической системы и датчик температуры всасываемого воздуха связаны со вторым и третьим сравнивающими устройствами посредством первого и второго устройств коррекции статических характеристик этих датчиков; первое, второе, третье и четвертое сравнивающие устройства связаны соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым задающими устройствами и с устройством суммирования, связанным в свою очередь с управляющим устройством привода компрессора.

Перечень фигур

Фиг.1. Статические характеристики автоматического релейного двухпозиционного регулятора давления

Фиг.2. Зависимости коэффициентов полезного действия механического η_мп (линия а) и гидродинамического η_гп (линия б) привода компрессора от относительной частоты вращения его вала

Фиг.3. Принципиальная схема планетарной коробки перемены передач

Фиг.4. Принципиальная блок-схема автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства

Фиг.5. Функциональная схема автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного

Фиг.6. Блок-схема автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства

Фиг.7. Статические характеристики автоматического микропроцессорного регулятора давления в пневматической системе тягового транспортного средства

Фиг.8. Поле статических характеристик автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства

Фиг.9. Статические характеристики автоматического комбинированного микропроцессорного регулятора давления в пневматической системе тягового транспортного средства

Фиг.10. Поле характеристик автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства

Перечень позиций, соответствующих на рисунках основным элементам автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства

Фиг.3 и 4:

1 - корпус планетарной коробки перемены передач;

2 - входной вал планетарной коробки перемены передач;

3 - выходной вал планетарной коробки перемены передач;

4 - четырехзвенный планетарный механизм компактной структуры планетарной коробки перемены передач;

5 и 6 - центральные солнечные зубчатые колеса планетарной коробки перемены передач;

7, 8 и 9 - сателлиты планетарной коробки перемены передач;

10 - эпициклическое колесо планетарной коробки перемены передач;

11 - водило планетарной коробки перемены передач;

12 - первый блокировочный фрикцион планетарной коробки перемены передач;

13 и 16 - механизмы свободного хода планетарной коробки перемены передач;

14 - тормозной фрикцион планетарной коробки перемены передач;

15 - второй блокировочный фрикцион планетарной коробки перемены передач;

16-см. поз.13.

Фиг.4, 5 и 6:

17 - датчик давления воздуха в пневматической системе (первое измерительное устройство);

18 - пневматическая система тягового транспортного средства (объект регулирования температуры);

19 - датчик расхода воздуха из пневматической системы (второе измерительное устройство);

20 - датчик температуры атмосферного (всасываемого) воздуха (третье измерительное устройство);

21 - датчик давления атмосферного (всасываемого) воздуха (четвертое измерительное устройство);

22 - микропроцессорный контроллер;

23 - орган управления первым блокировочным фрикционом;

24 - орган управления тормозным фрикционом;

25 - орган управления вторым блокировочным фрикционом;

26 - тепловой двигатель;

27 - компрессор (регулирующий орган);

28 - механический привод компрессора (исполнительный механизм);

29, 30, 31 и 32 - задающие устройства;

33, 34, 35 и 36 - сравнивающие устройства;

37 и 38 - устройства коррекции;

39 - устройство суммирования выходных сигналов сравнивающих устройств;

40 - управляющее устройство;

Перечень условных сокращений

АСРД - автоматическая система регулирования давления

ОРД - объект регулирования давления

АРД - автоматический регулятор давления

УО - управляющий орган

ИРУ - исполнительно-регулирующее устройство

ИУ, ИУ1, ИУ2, ИУ3 и ИУ4 - измерительное устройство

ЗУ, ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3 и ЗУ4 - задающее устройство

УУ - управляющее устройство

УК1 и УК2 - устройства коррекции

СУ, СУ1, СУ2, СУ3 и СУ4 - сравнивающее устройство

ИМ - исполнительный механизм

РО - регулирующий орган

ПКП - планетарная коробка перемены передач

ПБФ - первый блокировочный фрикцион

ТФ - тормозной фрикцион

ВБФ - второй блокировочный фрикцион

ДДВ1 - датчик давления воздуха в пневматической системе

ДРВ - датчик расхода воздуха из пневматической системы

ДТВ - датчик температуры атмосферного (всасываемого) воздуха

ДДВ2 - датчик давления атмосферного (всасываемого) воздуха

МПК - микропроцессорный контроллер

ОУФ - орган управления фрикционом

ПС - пневматическая система тягового транспортного средства

К - компрессор

ПК - привод компрессора

Перечень обозначений величин

р_к - давление воздуха, в пневматической системе тягового транспортного средства

Q₂ - подача компрессора

ω_к - частота вращения вала компрессора

λ₁, λ₂ и λ₃ - возмущающие воздействия

Q₁ - расход воздуха из пневматической системы

Т_а - температура атмосферного (всасываемого) воздуха

р_а - давление атмосферного (всасываемого) воздуха

φ - сигнал регулируемой величины (давления воздуха в пневматической системе)

η_мп - КПД механического привода компрессора

η_гп - КПД гидродинамического привода компрессора

2ΔZ_нч - зона нечувствительности (возврата) регулятора

х_д1 - выходной сигнал датчика давления воздуха в пневматической системе (первого измерительного устройства)

х_д2 - выходной сигнал датчика расхода воздуха из пневматической системы (второго измерительного устройства)

х_д3 - выходной сигнал датчика температуры атмосферного (всасываемого) воздуха (третьего измерительного устройства)

х_д4 - выходной сигнал датчика давления атмосферного (всасываемого) воздуха (четвертого измерительного устройства)

h_им - выходной сигнал исполнительного механизма (привода компрессора)

η₁, η₂, η₃ и η₄ - сигналы задания

х_зу1, х_зу2, х_зу3, и х_зу4 - выходные сигналы задающих устройств

х_ук1 и х_ук2 - выходные сигналы устройств коррекции

Δх_су1, Δх_су2, Δхс_у3 и Δх_су4 - выходные сигналы сравнивающих устройств

х_ус - выходной сигнал устройства суммирования выходных сигналов сравнивающих устройств

х_уу - выходной сигнал управляющего устройства

Δр_к - остаточная неравномерность

k_ук1 и k_ук2 - коэффициенты передачи устройств коррекции

k_p, k_pλ1, k_pλ2, и k_pλ3 - коэффициенты передачи регулятора по каналам действия регулируемой величины и возмущающих воздействий

2ΔZ_нч1 - зона нечувствительности устройства управления при первой передаче

2ΔZ_нч2 - зона нечувствительности устройства управления при второй передаче

k_z1 и k_z2 - коэффициенты, характеризующие соотношение зон нечувствительности устройства управления при первой и второй передаче

Изобретение относится к автоматической комбинированной микропроцессорной системе регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства. Автоматическая комбинированная система содержит компрессор, датчик расхода воздуха из пневматической системы, датчик температуры всасываемого воздуха и датчик давления всасываемого воздуха. Компрессор соединен с валом теплового двигателя посредством планетарной коробки перемены передач. Планетарная коробка перемены передач содержит фрикционы. Фрикционы соединены с тремя органами управления фрикционами. Компрессор связан с управляющим устройством. Датчик давления воздуха в пневматической системе связан с первым сравнивающим устройством. Датчик давления всасываемого воздуха связан с четвертым сравнивающим устройством. Датчик расхода воздуха из пневматической системы и датчик температуры всасываемого воздуха связаны со вторым и третьим сравнивающими устройствами посредством первого и второго устройств коррекции статических характеристик этих датчиков. Первое, второе, третье и четвертое сравнивающие устройства связаны соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым задающими устройствами и с устройством суммирования. Устройство суммирования связано с управляющим устройством привода компрессора. Технический результат заключается в повышении надежности. 10 ил.

Автоматическая комбинированная микропроцессорная система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства содержит пневматическую систему, соединенную с компрессором, приводимым от вала теплового двигателя посредством зубчатого редуктора, датчик давления, соединенный трубопроводом с пневматической системой тягового транспортного средства, отличающаяся тем, что вал теплового двигателя соединен с валом компрессора посредством планетарной коробки перемены передач, в корпусе которой установлены входной вал, выходной вал и четырехзвенный планетарный механизм компактной структуры, который содержит: два центральных солнечных зубчатых колеса и три сцепленных между собой сателлита, связанных соответственно: первый сателлит - с первым центральным солнечным колесом, второй сателлит - с эпициклическим колесом, а третий сателлит - со вторым центральным солнечным колесом, и водило, причем входной вал коробки может быть связан с эпициклическим колесом посредством первого блокировочного фрикциона и при этом входной вал имеет возможность соединения при помощи первого механизма свободного хода с первым центральным солнечным колесом, при этом водило может быть остановлено тормозным фрикционом, далее центральное солнечное зубчатое колесо и выходной вал могут быть связаны при помощи второго блокировочного фрикциона; и, кроме того, выходной вал коробки передач может быть связан с центральным солнечным зубчатым колесом посредством второго механизма свободного хода; фрикционы соединены с тремя органами управления фрикционами, входящими в состав управляющего устройства, планетарная коробка перемены передач выполняет функции привода компрессора, который связан с управляющим устройством, регулятор дополнительно содержит датчик расхода воздуха из пневматической системы, датчик температуры всасываемого воздуха и датчик давления всасываемого воздуха, датчик давления воздуха в пневматической системе связан с первым сравнивающим устройством, датчик давления всасываемого воздуха связан с четвертым сравнивающим устройством, датчик расхода воздуха из пневматической системы и датчик температуры всасываемого воздуха связаны со вторым и третьим сравнивающими устройствами посредством первого и второго устройств коррекции статических характеристик этих датчиков, первое, второе, третье и четвертое сравнивающие устройства связаны соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым задающими устройствами и с устройством суммирования, связанным в свою очередь с управляющим устройством привода компрессора.