Устройство управления давлением сжатого воздуха с приводом от линейного актуатора
COMPRESSED AIR PRESSURE CONTROL DEVICE DRIVEN BY LINEAR ACTUATOR

Изобретение относится к области автоматизированного управления пневмосистемами, а именно к устройствам для управления давлением сжатого воздуха в пневмоприводе управления токоприемником подвижного состава железных дорог.
Известен (RU, патент 2593421 С2, опубликован 10.08.2016) регулятор давления, содержащий узел обратной связи по давлению с чувствительным элементом на металлическом сильфоне, пневмораспределитель с золотником, управляющий потоком регулируемой среды и узел механической настройки давления с нажимным винтом и пружиной.
Давление на выходе этого регулятора пропорционально усилию, которое создает нажимной винт при сдавливании пружины.
Данный регулятор имеет простую, современную конструкцию, позволяющую строить регуляторы давления с различными регулируемыми давлениями и расходами путем подбора металлических сильфонов и пневмораспределителей с металлическим золотником.
Недостатком регулятора применительно к решаемой задаче является отсутствие узла внешнего управления давлением, позволяющего устанавливать и изменять регулируемое давление дистанционно, например, при помощи электрического сигнала.
Известен (RU, патент 2103720, опубликован 27.01.1998) электромагнитный регулятор давления, в котором чувствительный элемент выполнен в виде поршня, конструктивно выполненного так, что та сторона поршня, которая не воспринимает давление управляемой среды, выполняет функцию золотника за счет отверстий, проходящих перпендикулярно оси перемещения поршневой части чувствительного элемента. При смещении поршня в результате изменения давления, отверстия в его золотниковой части перемещаются относительно неподвижных отверстий корпуса гидрораспределителя. Тем самым производится управление давлением жидкости на выходе регулятора. Величина давления, поддерживаемого на выходе регулятора, устанавливается изменением тока в обмотке электромагнита, входящего в состав устройства.
Регулятор позволяет дистанционно устанавливать давление управляемой среды.
Недостатком данного регулятора является уникальность конструкции поршня - золотника, в котором совмещены функции чувствительного и запорного узлов. Создание линейки таких устройств требует отработки геометрии и технологии изготовления различных по диаметру поршней-золотников. По технологическим соображениям предпочтительно изготавливать чувствительный элемент отдельно, а золотник - тоже отдельно. Металлические сильфоны для чувствительных элементов выпускаются серийно. Их параметры нормированы и обеспечены изготовителем. Также серийно выпускаются пневмораспределители с золотниковыми затворами с нормированными параметрами. В этой ситуации обеспечение необходимой точности регулирования в сочетании с требуемой пропускной способностью достигается подбором серийно изготавливаемых узлов.
Наиболее близким аналогом разработанного устройства является (RU, патент 2662333 опубликован 25.07.2018) устройство управления давлением сжатого воздуха с резервированием по управляющему воздействию, содержащее чувствительный элемент обратной связи по давлению в виде металлического сильфона, пневмораспределитель с золотниковым затвором и управляющий элемент - электромагнит.
Устройство можно комплектовать с использованием серийно выпускаемых золотниковых пневмораспределителей и металлических сильфонов. Индивидуальной разработки и изготовления требует только управляющий элемент - электромагнит, параметры которого определяются усилием чувствительного элемента и необходимым ходом регулирования золотникового затвора.
Недостатком данного устройства является необходимость получать относительно большое усилие, развиваемое электромагнитом для выполнения требований к точности поддержания давления на выходе устройства. При этом вес электромагнита составляет около 90% общего веса устройства управления давлением.
2
Чем больше заданная точность регулирования давления, тем большей должна быть эффективная (воспринимающая давление) площадь чувствительного элемента на сильфоне. Только в этом случае достигается необходимое для перемещения золотника изменение линейного размера чувствительного элемента (сильфона) вдоль оси перемещения золотника. Например, чувствительный элемент с площадью сильфона 0.5 см может не среагировать на изменение давления, равное 0,02 бар. Это может произойти из-за наличия трения покоя в подвижных деталях всего устройства, с которыми взаимодействует чувствительный элемент. Таким образом, необходимо иметь запас чувствительного элемента по площади эффективного сечения, на которую действует регулируемое давление.
С другой же стороны, чем больше эффективная площадь чувствительного элемента, тем большее усилие должен развивать электромагнит, входящий в состав устройства управления давлением. Эта же зависимость между эффективной площадью чувствительного элемента и усилием управляющего электромагнита (или нажимного винта с пружиной) свойственна всем известным устройствам управления давлением. Эта зависимость обусловлена сложившейся компоновкой (взаимным расположением узлов) устройств данного типа - когда на запорный орган с одной стороны действует сила, пропорциональная регулируемому давлению, и закрывающая подачу управляемой среды, а с другой - сила, задающая давление и открывающая подачу управляемой среды. Таким образом, чем больше необходимая точность работы устройства, тем более габаритным и массивным должен быть электромагнит. При этом за счет увеличения массы якоря и магнитопровода, увеличивается время реакции электромагнита. В итоге увеличение статической точности работы устройства приводит к ухудшению его динамических свойств, увеличению веса, габаритов, и потребляемой мощности.
Общим недостатком устройств с приводом от электромагнита является невозможность осуществить непосредственное цифровое задание величины управляемого давления. Изменение тока, подаваемого в обмотку электромагнита, приводит к изменению усилия, развиваемого якорем электромагнита, соответственно изменяется и давление на выходе устройства. Но, эти изменения относительны и сильно зависят от предыдущих состояний устройства. В динамике работы одному и тому же значению тока в обмотке электромагнита может соответствовать разное давление на выходе устройства. Особенно это несоответствие проявляется в динамическом режиме управления. В частности, когда требуется стабилизировать давление в пневмоприводе токоприемника движущегося электровоза и изменяющейся при этом высоты контактного провода. Собственная инерционность (индуктивная и механическая) электромагнита не позволяет достаточно быстро изменять ток через электромагнит. Если необходимо остановить рост давления в управляемом объеме (например, когда высота контактного провода быстро уменьшается и сжимает объем пневмопривода), даже если полностью отключить ток через обмотку электромагнита, его якорь не переместится мгновенно (намагничен весь магнитопровод), а потом будет перемещаться с постепенным набором скорости как любое материальное тело, имеющее собственную массу и инерцию. Кроме того, якорь электромагнита, перемещающийся в магнитном поле остаточной намагниченности, сам генерирует ток электромагнитной индукции через обмотку электромагнита, продлевая тем самым состояние остаточной намагниченности. Получается, что подача тока в обмотку электромагнита прекращена, а устройство еще не перешло в режим ускоренного сброса воздуха из управляемого объема пневмопривода токоприемника. В динамике работы устройства в любой произвольный момент времени нельзя найти точное соответствие между величиной тока через обмотку электромагнита и величиной давления на выходе устройства.
Таким образом, динамические свойства электромагнита в качестве узла, задающего давление за счет генерации усилия, равного и направленного противоположно усилию чувствительного элемента, ограничены на принципиальном уровне.
Еще одним недостатком известных устройств управления давлением является отсутствие возможности измерять давление на выходе устройства, контролируя изменение длины чувствительного элемента (сильфона) так как на этот элемент действует не только давление на выходе устройства, но и противоположно направленное усилие управляющего узла - электромагнита, или нажимного винта с пружиной. Для контроля давления необходимо устанавливать на выходе такого устройства специальный датчик давления. При этом стоимость датчика давления, работающего в диапазоне температур от минус 50°С до плюс 60°С (температурный диапазон подвижного состава ЖД транспорта) сопоставима со стоимостью всего устройства управления давлением.
Описанные недостатки - необходимость увеличения мощности электромагнита для удовлетворения ужесточающихся требований к точности регулирования, невозможность цифрового управления, отсутствие недорогого и надежного датчика давления, интегрированного в состав устройства - устраняются за счет изменения взаимного расположении основных узлов (компоновки) устройства управления давлением.
Техническая проблема, решаемая с использованием разработанного устройства, состоит в создании приборов нового типа, лишенного указанных недостатков.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного устройства, состоит в выполнении взаимного расположения узлов устройства, позволившего упростить и унифицировать конструкцию, а также осуществлять цифровое управление и интегрировать датчик давления в состав устройства.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать устройство управления давлением сжатого воздуха с приводом от линейного актуатора разработанной конструкции. Устройство содержит узел обратной связи по давлению, в состав которого входит корпус, внутри которого размещен металлический сильфон, один торец которого жестко соединен с втулкой, установленной в корпусе, и неподвижен, а второй торец сильфона отжимается цилиндрической витой пружиной, установленной между втулкой и вторым торцом сильфона, внутри указанной пружины проходит подвижный шток, на котором закреплен линейный шаговый актуатор с выдвижным штоком, проходящим в пневмораспределитель до упора в подвижный золотник, поджатый второй пружиной, на корпусе пневмораспределителя размещен с возможностью разогрева предпусковой нагреватель.
В некоторых вариантах реализации разработанного устройства оно может содержать дифференциально трансформаторный датчик выходного давления, а также жестко закрепленный на выдвижном штоке линейного шагового актуатора подвижный элемент датчика начального положения выдвижного штока актуатора.
Устройство может дополнительно на корпусе узла обратной связи по давлению содержать катушку дифференциального трансформатора, охватывающая подвижный шток узла обратной связи по давлению.
Предпусковой нагреватель может быть выполнен позисторным.
При анализе противоречий принято решение не использовать генерацию устанавливающего (задающего) давление усилия, равного и противоположно направленного усилию чувствительного элемента. В разработанном устройстве для регулирования давления управляемой среды значение имеет только линейное (вдоль оси) изменение размера чувствительного элемента. При такой компоновке сильфон чувствительного элемента выбирается по двум параметрам - необходимое линейное (вдоль оси) изменение дины в диапазоне регулируемого давления, и эффективная площадь, обеспечивающая усилие преодоления всех компонент трения покоя реального устройства при изменении давления, равного или меньшего заданной точности регулирования. При этом усилие, развиваемое сильфоном, не требует создания такого же усилия от узла установки (задания) выходного давления, так как его не надо преодолевать путем генерации встречно направленного усилия.
Номенклатура серийно выпускаемых металлических сильфонов позволяет выбрать оптимальные типоразмеры и другие параметры сильфонов для широкой линейки устройств с заданной точностью поддержания регулируемого давления. При этом пневмораспределители с золотниковым затвором подбираются по требуемой пропускной способности проектируемого устройства, независимо от параметров выбранного для чувствительного элемента сильфона. Такая независимость обеспечивается тем, что пневмораспределители (или гидрораспределители) с притертым металлическим золотником не создают собственного, зависящего от пропускной способности, усилия перестановки золотника и не оказывают существенного влияния на требования по параметрам сильфона чувствительного элемента.
Для достижения указанного технического результата в разработанном устройстве, содержащем узел обратной связи по давлению с чувствительным элементом на металлическом сильфоне и пневмораспределитель с металлическим притертым золотником, в качестве узла, задающего давление, использован линейный шаговый актуатор, закрепленный на подвижном штоке чувствительного элемента, и перемещающий золотник пневмораспределителя посредством собственного выдвижного штока. В такой компоновке линейное сжатие сильфона чувствительного элемента всегда точно соответствует давлению на выходе устройства, а значение выходного давления задается положением выдвижного штока линейного актуатора.
Для определения начального положения выдвижного штока линейного актуатора, соответствующего нулевому давлению на выходе, в устройство введен датчик начального положения. Наличие этого датчика позволяет задавать давление цифровым образом, подавая команды перемещения штока актуатора на расчетное число шагов начиная от начального положения.
Для измерения давления на выходе устройства используется дифференциальный трансформатор, катушка которого закрепляется на корпусе узла обратной связи по давлению и охватывает подвижный шток чувствительного элемента на металлическом сильфоне. При этом на участке подвижного штока, охваченном катушкой дифференциального трансформатора, вносится магнитная неоднородность, например, выполнением радиальной проточки, если подвижный шток сделан из магнитомягкого материала, или установкой магнитомягкой втулки, если подвижный шток сделан из мало магнитного материала. При эксплуатации в условиях низких температур устройство может содержать нагреватель, например, позисторный.
Сущность предложенного изобретения поясняется схематическим чертежом, где показан общий вид устройства управления давлением сжатого воздуха с приводом от линейного актуатора в нейтральном положении, когда управляемый объем пневмопривода отсечен от канала подачи сжатого воздуха из подводящей магистрали и от канала сброса избыточного воздуха в атмосферу.
Устройство управления давлением сжатого воздуха с приводом от линейного актуатора содержит узел обратной связи по давлению 1 с металлическим сильфоном 2, один торец которого жестко соединен с втулкой 3 и неподвижен, а второй торец отжимается цилиндрической витой пружиной 4, внутри которой проходит подвижный шток 5, на котором закреплен линейный шаговый актуатор 6 с выдвижным штоком 7, проходящим в пневмораспределитель 8 до упора в подвижный золотник 9, поджатый пружиной 10. Для предварительного разогрева пневмораспределителя при температуре ниже минус 30°С служит предпусковой позисторный нагреватель 11. Для определения начального состояния устройства «закрыто» служит подвижный элемент датчика положения 12, например, на постоянном магните, закрепленный на выдвижном штоке актуатора при помощи кронштейна 13. Для определения значения выходного давления при работе устройства служит датчик 14, например, дифференциально трансформаторный, закрепленный на корпусе узла обратной связи 1, регистрирующий положение подвижного штока 5.
Устройство управления давлением сжатого воздуха с приводом от линейного актуатора работает следующим образом:
Сжатый воздух подается на вход пневмораспределителя 8 по каналу подвода воздуха Р. Нагрузка подключается к выходу пневмораспределителя 8 через канал А. Через канал R пневмораспределителя сжатый воздух из объема нагрузки, подключенной к каналу А, сбрасывается в атмосферу.
А
A
A
Работа устройства начинается с выдвижения штока 7 линейного актуатора 6 так, чтобы золотник 9 перекрыл канал подачи воздуха Р и открыл канал сброса воздуха R. Это начальное состояние устройства определяется по положению постоянного магнита 12 относительно неподвижной части датчика положения (неподвижная часть датчика положения на чертеже не показана). После установки начального состояния устройства, на вход пневмораспределителя подается сжатый воздух. Шток 7 линейного актуатора 6 втягивается в актуатор. Золотник 9, под действием пружины 10 смещается и открывает доступ воздуха из канала подвода Р в канал нагрузки А. Сжатый воздух из объема нагрузки по импульсной трубке Т поступает в узел обратной связи 1 и сжимает сильфон 2 с силой F, прямо пропорциональной давлению в нагрузке устройства. При этом подвижный шток 5, на котором закреплен актуатор 6 смещается в сторону неподвижно закрепленного пневмораспределителя 8, смещая тем самым золотник 9 в сторону запирания канала подачи воздуха Р и открывания канала R сброса воздуха из нагрузки. При этом пружина 10 сжимается. Таким образом, при втягивании штока 7 в линейный актуатор 6 в сторону от золотника 9, сжатый воздух поступает в нагрузку и в узел обратной связи по давлению. В результате, шток 5, под давлением сжатого воздуха, смещает весь актуатор 6 в сторону золотника 9, перекрывая тем самым поступление сжатого воздуха в нагрузку и сжимая пружину 10. При уменьшении давления в нагрузке, сила F, сжимающая сильфон уменьшается, и он разжимается за счет собственной упругости и упругости пружины 4. При этом линейный актуатор 6, закрепленный на штоке 5, вместе со своим выдвижным штоком 7 смещается в сторону узла обратной связи 1, а золотник 9, перемещаемый пружиной 10, открывает канал Р подачи воздуха в нагрузку и закрывает канал R сброса воздуха из нагрузки в атмосферу. Тем самым реализуется отрицательная обратная связь по давлению в нагрузке устройства.
Максимальное давление на выходе устройства создается при полностью (до конструктивного внутреннего ограничения) втянутом в актуатор 6 его выдвижном штоке 7. Ограничение максимального давления на выходе устройства задается выбором длины подвижного штока 5, на котором закреплен актуатор 6. Таким образом, для ограничения максимального давления в регулируемой нагрузке не требуется специального узла в составе устройства управления давлением сжатого воздуха, или отдельно устанавливаемого специального сбросного клапана. В предлагаемом устройстве это ограничение получено за счет взаимного расположения основных функциональных узлов.
Пружина 4 увеличивает упругость сильфона и служит для получения необходимой зависимости перемещения штока 5 от давления на выходе стабилизатора. Сильфоны выпускаются с определенной таблицей собственной погонной упругости, заданной стандартом. Использование пружины совместно с сильфоном позволяет получить оптимальную для проектируемого устройства зависимость упругого сжатия сильфона (с пружиной) от давления, поступающего в узел обратной связи.
Датчик давления 14, например, дифференциально трансформаторный, используется для измерения давления на выходе устройства. Этот датчик регистрирует положение подвижного штока 5 относительно узла 1 обратной связи по давлению. Для работы датчика 14 подвижный шток 5 выполняется, например, из магнитомягкого материала с проточкой (на Фиг. не показана), положение которой относительно катушки дифференциального трансформатора датчика 14 регистрируется как сигнал, значение которого соответствует давлению на выходе устройства. Таким образом, измерение выходного давления на предлагаемом устройстве требует добавления только одного простого узла - катушки дифференциального трансформатора и выполнения радиальной проточки на участке подвижного штока 5, охваченного катушкой дифференциального трансформатора. Причем, катушка дифференциального трансформатора 14 конструктивно является необходимым элементом узла обратной связи 1, герметизирующим внутренний объем этого узла. То есть, катушка трансформатора не требует специального места для ее размещения.
При использовании устройства для управления приводом токоприемника, каждый цикл работы устройства заканчивается выдвижением штока 7 линейного актуатора 6 так, что золотник 8 перекрывает канал подачи воздуха Р, сжимает пружину 10, и открывает канал сброса воздуха R. При этом воздух из объема пневмопривода токоприемника, подключенного к каналу А полностью сбрасывается, а токоприемник опускается. Это состояние устройства контролируется датчиком, подвижный элемент которого 12 закреплен кронштейном 13 на выдвижном штоке 7 линейного актуатора 6. В этом положении электрические сигналы на входе актуатора 6 устройства управления давлением сжатого воздуха могут быть отключены. Подача воздуха в нагрузку перекрыта, объем пневмопривода токоприемника соединен с атмосферой. При последующем включении на подъем токоприемника работа устройства начнется с состояния полностью перекрытой подачи воздуха и при сброшенном давлении в объеме пневмопривода.
управления
Установка требуемого давления на выходе устройства в каждой фазе операции подъема токоприемника производится цифровым образом, путем подачи на входы V линейного шагового актуатора 6 расчетного числа шагов, необходимых для втягивания штока 7 актуатора в положение, соответствующее заданному для данной фазы подъема давлению. При этом за начало перемещения штока 7 актуатора 6 берется начальное (закрытое) положение по датчику 12, например, на постоянном магните. Дальнейшее управление давлением на выходе устройства происходит аналогичным образом, - путем подачи расчетного числа шагов актуатора 6 в ту, или иную сторону - на втягивание, или на выдвижение штока 6 в зависимости от заданной диаграммы управления давлением, например, при поджатии токоприемника к контактному проводу, или в фазе быстрого отрыва токоприемника от контактного провода.
Для постоянного контроля давления на выходе устройства, электрический сигнал, пропорциональный значению давления, снимается с датчика 14, реагирующего на положение подвижного штока 5 узла обратной связи 1. Точность измерения давления обеспечивается не хуже 1% от номинального значения поддерживаемого давления. При этом узел обратной связи 1 в комплекте с датчиком 14 в рамках функции измерения давления работает как типичный манометр с металлическим сильфоном и дифференциально трансформаторным датчиком.
В предлагаемом устройстве совмещение функции узла обратной связи по давлению с функцией измерения давления датчиком 14 возможно за счет того, что подвижный шток 5 нагружен только весом линейного актуатора 6, и упругостью пружины 10. От этих параметров (вес актуатора и упругость пружины) зависят только начало отсчета и наклон линейной характеристики выходного сигнала датчика 14. Факторов, изменяющих характеристику датчика выходного давления 14 в зависимости от величины выходного давления в устройстве нет.
Ограничение максимального давления на выходе устройства, при использовании его для управления пневмоприводом токоприемника, обеспечивается длиной штока 5, на котором закрепляется актуатор 6. Сам актуатор имеет фиксированное положение своего полностью втянутого выдвижного штока 7, заданное в параметрах от изготовителя.
Если включение устройства производится при температуре окружающей среды ниже минус 30°С, перед началом работы включается позисторный нагреватель 11. Ток через нагреватель зависит от температуры нагревателя и при достижении 60°С приближается к нулевому значению. Использование позисторного нагревателя не требует контроля температуры нагрева и устраняет последствия возможных ошибочных включений нагревателя. Для включения нагревателя можно использовать общий сигнал управляющих цепей электровоза «Зима/Лето», предназначенный для предпусковых операций систем электровоза в зимнее время.
Время необходимого разогрева составляет 5÷10 минут и не превышает времени предпусковой подготовки других систем электровоза.