ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ПРИВОДНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2017 года по МПК F16H61/4052 F15B11/05 

Изобретение относится к гидростатическому приводному устройству для генератора, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к способу работы такого гидростатического приводного устройства. Дополнительно к этому, изобретение относится к применению гидростатического приводного устройства, соответственно, способа его работы.

Гидростатические приводные устройства известны из общего уровня техники. Они могут использоваться, например, для привода вспомогательных машин. Типичным примером применения для гидростатического приводного устройства является, например, привод генератора, в частности синхронного генератора, который служит для создания электрической мощности в бортовой сети, например, в бортовой сети рельсового транспортного средства. В этом случае рельсовое транспортное средство приводится в движение обычно с помощью двигателя внутреннего сгорания. Через вспомогательный привод двигатель внутреннего сгорания приводит в действие, например, непосредственно или через включенный после двигателя внутреннего сгорания редуктор насос с поворотными на ходу лопастями гидростатического приводного устройства с целью создания объемного потока рабочей среды. Насос с поворотными лопастями обычно выполнен с регулятором производительности насоса с измерительной диафрагмой так, что, несмотря на возможно колеблющуюся скорость вращения двигателя внутреннего сгорания и тем самым насоса с поворотными лопастями, возможен постоянный объемный поток. С помощью двигателя постоянной мощности, который приводится в действие объемным потоком рабочей среды, осуществляется затем привод генератора. Описание такой конструкции приведено, например, в DE 43 04 403 А1.

Проблема состоит в том, что установка необходимого объемного потока с помощью регулятора производительности насоса с измерительной диафрагмой является сравнительно сложной, поскольку происходит взаимодействие множества компонентов, например, измерительной диафрагмы, трубами между отдельными конструктивными элементами, гидромотором, самим генератором и т.д. Поскольку на напряжение и частоту генератора оказывает влияние, соответственно, объемный поток и скорость вращения, то необходимо очень хорошее регулирование объемного потока с целью, в частности, исключения колебаний частоты и создаваемой генератором мощности, которые могут приводить к проблемам в питаемой генератором электрической сети, таким как, например, подключение большой индуктивной нагрузки, которая также нагружает гидростатический привод, которые должны быть отрегулированы без существенного изменения скорости вращения генератора.

Это является сравнительно сложной задачей, так что взаимодействие отдельных компонентов в каждом отдельном гидростатическом приводе в настоящее время испытывается и согласовывается с целью достижения оптимального регулирования скорости вращения генератора. Это требует больших затрат труда и является дорогостоящим.

Задачей данного изобретения является создание гидростатического приводного устройства, которое предотвращает эти недостатки и которое обеспечивает возможность быстрого, простого и эффективного регулирования скорости вращения приводимого генератора.

Эта задача решена согласно изобретению с помощью гидростатического приводного устройства с признаками отличительной части пункта 1 формулы изобретения. Кроме того, задача решена с помощью способа работы такого гидростатического приводного устройства с признаками отличительной части пункта 6 формулы изобретения. Другие предпочтительные варианты выполнения следуют из соответствующих зависимых пунктов формулы изобретения и применения гидростатического приводного устройства, соответственно, способа его работы.

В US 2009/134848 А1 приведено описание гидростатического приводного устройства, признаки которого приведены в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Другие гидростатические приводные устройства известны среди прочего из DE 43 04 403 А1, ЕР 2 280 196 А2 и ЕР 0 312 357 А1.

Гидростатическое приводное устройство согласно изобретению имеет дополнительно к известной из уровня техники конструкции байпас с регулировочным клапаном для объемного потока, который расположен в обход двигателя постоянной мощности для привода генератора. Таким образом, дополнительно к существующему регулированию с помощью регулятора производительности насоса с измерительной диафрагмой предусмотрена дополнительная возможность регулирования тем, что байпас с регулировочным клапаном расположен в обход двигателя постоянной мощности. Этот регулировочный клапан может быть выполнен в одном предпочтительном варианте выполнения изобретения, например, в виде клапана пропорционального регулирования, который чрезвычайно быстро и эффективно реагирует на возможные колебания скорости вращения двигателя постоянной мощности, соответственно, генератора. Таким образом, можно очень простым и эффективным образом улучшать постоянство скорости вращения генератора и тем самым стабилизировать частоту и напряжение в питаемой генератором электрической сети.

Согласно изобретению предусмотрен второй байпас (10) в обход двигателя (9) постоянной мощности, который имеет двухлинейный распределитель (11), при этом регулировочный клапан (17) и двухлинейный распределитель (11) выполнены интегрированными в одном блоке. При этом, в частности, выполнение регулировочного клапана в виде клапана пропорционального регулирования особенно предпочтительно, поскольку такой клапан пропорционального регулирования имеет очень быстрое время реакции меньше 200 мс и, кроме того, может обеспечивать независимую от давления работу при небольшой потере давления.

Согласно одному особенно целесообразному и предпочтительному варианту выполнения гидростатического приводного устройства предусмотрен электронный регулировочный блок, который предназначен для измерения скорости вращения генератора и который служит для приведения в действие регулировочного клапана в зависимости от этой скорости вращения.

В частности, за счет измерения скорости вращения самого генератора и оказания соответствующего влияния на регулировочный клапан можно очень быстро и эффективно регулировать скорость вращения самого генератора на постоянное значение. Таким образом, можно очень эффективно и быстро подавлять возможные отклонения и колебания регулирования внутри всей системы. Также возможные утечки масла в зоне гидростатического приводного устройства, проявления старения и т.п. можно очень эффективно и быстро компенсировать с помощью этого механизма регулирования. Это относится также к различиям объема рабочей среды на основании различной температуры или зависящей от температуры различной вязкости масла. Наряду с этим можно также идеально регулировать колебания и эффекты старения внутри системы.

При этом в способе работы такого гидростатического приводного устройства предусмотрено, что регулирование скорости вращения генератора сначала осуществляется с помощью регулятора производительности, при этом объемный поток регулируют на значение, которое складывается из номинального значения и превышения, при этом точное регулирование осуществляют затем с помощью регулировочного клапана в байпасе вокруг двигателя постоянной мощности. В частности, такую работу, при которой известный и обычный до настоящего времени регулятор производительности с измерительным экраном используют для оказания влияния на насос с поворотными лопастями, с целью грубого регулирования объемного потока, который предпочтительно изменяется в пределах меньше 10% от номинального значения, можно идеально использовать для обеспечения грубой передачи мощности желаемым образом, без создания существенных потерь мощности, которые были бы неизбежны при регулировании лишь с помощью байпаса. Вместо этого гидростатическое приводное устройство согласно изобретению можно выполнять так, что лишь установленное на регуляторе производительности превышение используется для точного регулирования скорости вращения генератора с помощью регулировочного клапана в байпасе. Таким образом, может быть реализовано очень точное, эффективное и быстрое регулирование при высокой передаваемой мощности и минимальных потерях мощности за счет регулирования.

Другое преимущество способа состоит в том, что за счет дополнительного превышения, которое регулируется согласно изобретению, получается очень надежная система. Если здесь что-либо выходит из строя, то по прежнему в распоряжении имеется обычное регулирование, работающее под регулированием согласно изобретению, так что получается очень надежная, избыточная система с идеальной аварийной функцией.

Таким образом, гидростатическое приводное устройство согласно изобретению, а также способ его работы являются высокоэффективными и обеспечивают, несмотря на колеблющиеся скорости вращения приводного агрегата для насоса с поворотными лопастями, очень постоянную скорость вращения генератора и тем самым очень постоянные электрические величины в питаемой генератором электрической сети. Поэтому гидростатическое приводное устройство и способ его работы пригодны, в частности, для применения в рельсовом транспортном средстве, в котором они могут использоваться для бортового электроснабжения. Обычно приводимый в действие с помощью тягового двигателя, соответственно, вспомогательного привода тягового двигателя насос с поворотными лопастями гидростатического приводного устройства неизбежно приводится в действие с колеблющимися скоростями вращения. Грубое регулирование с помощью измерительной диафрагмы и регулятора производительности уже очень хорошо преобразует эти колеблющиеся скорости вращения в постоянный объемный поток. Это обеспечивает приблизительно постоянную скорость вращения генератора, который в свою очередь приводится в действие двигателем постоянной мощности. За счет дополнительного тонкого регулирования согласно изобретению можно идеально компенсировать посредством регулирования последние неточности, колебания в системе, зависящие от старения и температуры колебания, минимальные утечки масла или т.п., так что в этих трудных случаях, которые очень часто возникают, в частности, в рельсовых транспортных средствах, обеспечивается возможность очень постоянной работы генератора.

Другие предпочтительные варианты выполнения гидростатического приводного устройства согласно изобретению и/или способа работы гидростатического приводного устройства следуют из остальных зависимых пунктов формулы изобретения и поясняются ниже на основе примера выполнения со ссылками на единственный прилагаемый чертеж, на котором в качестве примера изображено гидростатическое приводное устройство, согласно изобретению.

На фигуре показано гидростатическое приводное устройство 1 для генератора 2, в частности синхронного генератора 2. При этом синхронный генератор 2 должен питать электрической мощностью схематично изображенную бортовую сеть 3 рельсового транспортного средства 4, которое изображено в виде прямоугольника. При этом для привода рельсового транспортного средства 4 служит приводной двигатель, в частности дизельный двигатель 5, который по меньшей мере опосредованно приводит в действие, кроме того, насос 6 с поворотными лопастями гидростатического приводного устройства 1. При этом скорости вращения и мощность дизельного двигателя 5 определяются, в первую очередь, требованиями приведения в движение рельсового транспортного средства 4. Привод насоса 6 с поворотными лопастями обычно осуществляется через вспомогательный привод. Поэтому насос 6 с поворотными лопастями неизбежно приводится во вращение с колеблющимися скоростями вращения дизельного двигателя 5. Однако поскольку для стабильности бортовой сети 3 и, в данном случае, в частности, для частоты и напряжения синхронного генератора 2, скорость вращения синхронного генератора 2 имеет решающее значение, то осуществляется регулирование объемного потока рабочей среды в гидростатическом приводном устройстве с помощью регулятора 7 производительности с измерительной диафрагмой 8, который оказывает соответствующее влияние на насос 6 с поворотными лопастями и тем самым обеспечивает приблизительно постоянный объемный поток рабочей среды. Этот объемный поток рабочей среды затем приводит в действие двигатель 9 постоянной мощности, который в свою очередь, соответственно, приводит в действие синхронный генератор 2. Постоянная скорость вращения в зоне двигателя 9 постоянной мощности обеспечивает затем постоянную скорость вращения в зоне синхронного генератора 2. Это достигается в известной до настоящего времени и обычной конструкции лишь с помощью регулятора 7 производительности и оказания влияния на насос 6 с поворотными лопастями. В показанном здесь выполнении гидростатического приводного устройства 1 дополнительно предусмотрен байпас 10 с байпасным клапаном 11 в обход двигателя 9 постоянной мощности. Этот байпасный клапан 11 удерживается при нормальной работе закрытым и может открываться для остановки двигателя 9 постоянной мощности, соответственно, для быстрого выключения синхронного генератора. Другими компонентами гидростатического приводного устройства 2 являются масляный радиатор 12, а также масляный бак 13 с масляным фильтром 15 и инжектором 15. Указанное выше выполнение является широко известным и обычным.

Проблема состоит в том, что для взаимодействия, например, измерительной диафрагмы 8 в трубопроводах гидромотора, соответственно, двигателя 9 постоянной мощности и синхронного генератора 2 в каждом отдельном гидростатическом приводном устройстве 1 имеются различные условия, которые соответствующим образом влияют на регулирование объемного потока и тем самым оказывают влияние на напряжение и частоту синхронного генератора 2. Поэтому для обеспечения возможности надежной работы синхронного генератора 2 с постоянной скоростью работы при всех условиях часто необходимо соответственно настраивать каждое отдельное гидростатическое приводное устройство 1 с целью настройки регулирования так, что напряжение и частота синхронного генератора 2 остаются в заданных пределах. Кроме того, могут происходить колебания в возмущающих воздействиях, например, в виде изменяющейся температуры, которая оказывает влияние на объем и вязкость масла. Кроме того, в гидростатическом приводном устройстве 1 возмущающими воздействиями являются утечки масла и эффекты старения, которые отрицательно влияют на регулирование. Также колебания внутри системы, в частности колебания регулирования при установке объемного потока, могут отрицательно влиять и усиливать колебания в гидростатическом приводном устройстве 1. Все это может приводить к колебаниям скорости вращения синхронного генератора 2, которые допустимы лишь в определенных пределах, однако быстро становятся настолько большими, что могут возникать проблемы относительно напряжения и частоты синхронного генератора 2 в бортовой сети 3.

Поэтому выполненное в соответствии с изобретением гидростатическое приводное устройство 1 имеет другой байпас 16 в обход двигателя 9 постоянной мощности, который имеет регулировочный клапан 17. Этот регулировочный клапан 17, который может быть выполнен, в частности, в виде клапана пропорционального регулирования, может очень быстро устанавливать соответствующий расход. При этом этот регулировочный клапан 17 управляется с помощью электронного регулировочного блока 18. При этом в электронном регулировочном блоке 18 применяется изодромный регулятор с предварением (PID-регулятор). Регулирование осуществляется в зависимости от скорости вращения синхронного генератора 2, которая в показанном примере выполнения измеряется с помощью датчика 19 скорости вращения и подается в электронный регулировочный блок 18. При этом в качестве датчика скорости вращения пригодно, в частности, измерительное зубчатое колесо высокого разрешения, которое обеспечивает очень быстрое и точное распознавание колебаний скорости вращения. Затем с помощью микроконтроллера в электронном регулировочном блоке 18 можно с помощью очень быстрого PID-регулятора в реальном времени реагировать на колебания скорости вращения.

Естественно, возможно также опосредованное измерение скорости вращения, например, через частоту создаваемой электрической мощности.

Таким образом, указанное выполнение гидростатического приводного устройства 1 обеспечивает очень точное регулирование скорости вращения синхронного генератора 2 на заданное, обычно постоянное значение. При этом это осуществляется идеальным образом так, что устанавливается заданный объемный поток с помощью регулятора 7 производительности. При этом этот объемный поток имеет определенное превышение по сравнению с заданным номинальным значением, оно может составлять, например, порядка 225 л/мин, когда номинальная величина объемного потока составляет, например, 220 л/мин. Затем на превышение в 25 л/мин можно оказывать влияние с помощью другого байпаса 16 и регулировочного клапана 17 так, что в зоне двигателя 19 постоянной мощности в зависимости от скорости вращения синхронного генератора 2 объемный поток составляет порядка 200-225 л/мин. При этом с помощью регулировочного клапана 17 можно осуществлять очень быстрое регулирование измеряемой с помощью датчика 19 скорости вращения синхронного генератора 2. Тем самым можно удерживать очень постоянными желаемые электрические величины, такие как напряжение и частота в бортовой сети 3. При этом лишь сравнительно небольшая часть объемного потока рабочей среды направляется через регулировочный клапан 17 и байпас 16, так что потери мощности, которые возникают при этом виде регулирования, являются сравнительно небольшими. Регулирование можно осуществлять так, что для него обычно необходим байпасный поток порядка 2-10% номинального значения в качестве превышения. Естественно, имеются также ситуации регулирования, в которых необходимо еще меньшее превышение или не требуется превышение.

Регулирование является очень быстрым на основании очень быстрой характеристики срабатывания клапанов пропорционального регулирования, которая без проблем может лежать в диапазоне меньше 100 мс. Она вызывает лишь очень небольшую потерю давления и очень нечувствительна относительно колебаний или скачков давления рабочей среды. Возможным видом очень хорошо применимого в данном случае клапана пропорционального регулирования является так называемый клапан регулирования потока с компенсацией давления, в котором положение пропорционального регулирования при колебаниях давления не должно изменяться с помощью регулировочного механизма, поскольку клапан самостоятельно компенсирует эти колебания давления. Альтернативой этому может быть дроссельный клапан чисто пропорционального регулирования, в котором отсутствует компенсация давления указанного выше вида, который, однако, в данном случае может также обеспечивать очень хорошую работу.

Управление клапаном пропорционального регулирования можно предпочтительно осуществлять с помощью модулированного по ширине импульсного сигнала. За счет этого постоянно обеспечивается небольшое установочное движение клапана пропорционального регулирования, практически колебания клапана пропорционального регулирования вокруг желаемого номинального положения. За счет этого предотвращаются переходы исполнительного элемента из трения сцепления в трение скольжения, поскольку исполнительный элемент постоянно двигается. Таким образом, за счет предотвращения эффекта движения рывками можно достигать экстремально быстрой реакции клапана пропорционального регулирования при регулировании.

Таким образом, на грубое регулирование объемного потока с помощью регулятора производительности насоса накладывается тонкое регулирование с помощью регулировочного клапана 17 и другого байпаса 16. За счет этого значительно улучшается характеристика регулирования, в частности, могут быть компенсированы с помощью регулирования эффекты старения, колебания, влияния на основании вязкости масла и/или температуры, или же небольшие утечки рабочей среды, без оказания отрицательного влияния на скорость вращения синхронного генератора 2.

При этом такая конструкция является очень простой и эффективной. Она может быть выполнена, в частности, интегрированно в одном конструктивном элементе вместе с байпасом 10 и байпасным клапаном 11 для выключения двигателя 9 постоянной мощности. Для этого байпасный клапан 11 и регулировочный клапан 17 могут быть размещены в одном корпусе, так что обеспечивается очень компактная конструкция.

За счет того, что в данном случае регулирование не осуществляется больше для достижения гидростатической величины, т.е. постоянного объемного потока, а гидростатическая величина регулируется в зависимости непосредственно от собственно целевой величины, а именно скорости вращения синхронного генератора 2, можно легко компенсировать посредством регулирования неточности, допуски, эффекты старения и т.п., которые возникают в самом гидростатическом приводном устройстве 1, соответственно, в его компонентах.

Устройство, способ и применение предназначены для привода генератора. Устройство содержит насос с поворотными лопастями для создания объемного потока рабочей среды, приводимый в действие с помощью объемного потока рабочей среды двигатель постоянной мощности для привода генератора, регулятор производительности насоса с измерительной диафрагмой для регулирования объемного потока насоса с поворотными лопастями, при этом в обход двигателя постоянной мощности расположен байпас с регулировочным клапаном для объемного потока через байпас. Кроме того, в устройстве предусмотрен второй байпас в обход двигателя постоянной мощности, который имеет двухлинейный распределитель, при этом регулировочный клапан и двухлинейный распределитель выполнены интегрированными в одном блоке. Способ заключается в том, что регулирование скорости вращения генератора выполняют сначала посредством грубого регулирования с помощью регулятора производительности насоса, при этом устанавливают объемный поток на значение, которое складывается из номинального значения и превышения, после чего выполняют тонкое регулирование с помощью регулировочного клапана в байпасе. Технический результат – упрощение регулирования скорости вращения генератора. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гидростатическое приводное устройство (1) для генератора (2), содержащее:

1.1 насос (6) с поворотными лопастями для создания объемного потока рабочей среды;

1.2 приводимый в действие с помощью объемного потока рабочей среды двигатель (9) постоянной мощности для привода генератора (2),

1.3 регулятор (7) производительности насоса с измерительной диафрагмой (8) для регулирования объемного потока насоса (6) с поворотными лопастями,

отличающееся тем, что

1.4 в обход двигателя (9) постоянной мощности расположен байпас (16), имеющий регулировочный клапан (17) для регулирования объемного потока через байпас (16) в зависимости от скорости вращения генератора (2).

2. Гидростатическое приводное устройство (1) по п. 1, отличающееся тем, что регулировочный клапан (17) выполнен в виде клапана пропорционального регулирования.

3. Гидростатическое приводное устройство (1) по любому из пп. 1 или 2, отличающееся тем, что предусмотрен второй байпас (10) в обход двигателя (9) постоянной мощности, который имеет двухлинейный распределитель (11), при этом регулировочный клапан (17) и двухлинейный распределитель (11) выполнены интегрированными в одном блоке.

4. Гидростатическое приводное устройство (1) по любому из пп. 1 или 2, отличающееся тем, что предусмотрен электронный регулировочный блок (18) для измерения скорости вращения генератора (2), который предназначен для приведения в действие регулировочного клапана (17) в зависимости от этой скорости вращения.

5. Гидростатическое приводное устройство (1) по п. 1, отличающееся тем, что генератор (2) выполнен в виде синхронного генератора.

6. Способ работы гидростатического приводного устройства (1) по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что регулирование скорости вращения генератора (2) выполняют сначала посредством грубого регулирования с помощью регулятора (7) производительности насоса, при этом устанавливают объемный поток на значение, которое складывается из номинального значения и превышения, после чего выполняют тонкое регулирование с помощью регулировочного клапана (17) в байпасе (16).

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что превышение устанавливают меньше 20% номинального значения, предпочтительно меньше 10% номинального значения.

8. Способ по любому из пп. 6 или 7, отличающийся тем, что измеряют фактическую скорость вращения генератора (2), и с помощью регулировочного клапана (17) регулируют на заданную скорость вращения.

9. Применение гидростатического приводного устройства (1) по любому из пп. 1-5 и/или способа работы этого гидростатического приводного устройства (1) по любому из пп. 6-8 для снабжения электрической мощностью бортовой сети (3) в рельсовом транспортном средстве (4).