АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ С МЕХАНИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ ВЕНТИЛЯТОРА
AUTOMATIC COMBINED MICROPROCESSOR TEMPERATURE CONTROLLER OF THERMAL MACHINE WITH MECHANICAL DRIVE OF FAN

Область техники, к которой относится изобретение
Автоматический комбинированный микропроцессорный регулятор температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора относится к транспортному машиностроению, в частности к области автоматических систем регулирования температуры теплоносителей (воды, масла, наддувочного воздуха, высоконагретой детали и др.) в системах охлаждения энергетических установок транспортных средств (локомотивов, автомобилей, тракторов и др.).
Уровень техники
Известны автоматические системы регулирования и регуляторы температуры, совокупность признаков которых сходна с совокупностью существенных признаков предлагаемого изобретения.
Известна система регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины, содержащая систему охлаждения с воздушно-жидкостным радиатором и насосом, соединенные трубопроводами, с размещенным в них датчиком температуры, вентилятор, вал которого соединен с валами двух одинаковых асинхронных двигателей с фазными роторами [Патент РФ №2264544]. Статорные обмотки асинхронных двигателей подключены к генератору переменного тока, приводимому от тепловой машины. Роторные обмотки асинхронных двигателей соединены последовательно и подключены к выпрямителю. Статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и соединен с датчиком температуры посредством первого блока управления и микропроцессорного контроллера, к которому подключен второй блок управления тепловой машиной. В трубопровод системы охлаждения на выходе из тепловой машины включен полупроводниковый термоэлектрический охладитель, соединенный с выходом выпрямителя. Система регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины снабжена устройством замыкания роторных обмоток асинхронных двигателей, подключенным к микропроцессорному контроллеру.
Известна также система регулирования температуры наддувочного воздуха тепловой машины, содержащая нагнетатель наддувочного воздуха для нагнетания его через теплообменник в тепловую машину, охлаждаемую водой [Патент РФ №2256090]. Поток воды распределяется трехходовым перепускным клапаном с исполнительным механизмом между теплообменником и водо-воздушным радиатором, обдуваемым воздухом, подаваемым вентилятором и проходящим через поворотные створки жалюзи. Датчик температуры наддувочного воздуха установлен на магистрали нагнетания воздуха между теплообменником и тепловой машиной для управления двумя исполнительными механизмами, один из которых связан с клапаном, а другой - с поворотными створками жалюзи. Вал вентилятора соединен с валами двух одинаковых асинхронных двигателей с фазными роторами, статорные обмотки которых подключены к генератору переменного тока, приводимому во вращение от вала тепловой машины. Роторные обмотки асинхронных двигателей соединены последовательно и подключены к выпрямителю, к выходу которого подключен термоэлектрический охладитель, управляемый переключателем полярности, соединенным с первым выходом микропроцессорного контроллера. Блок замыкания роторных обмоток соединен со вторым выходом микропроцессорного контроллера. Статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и связан с приводом, подключенным к третьему выходу микропроцессорного контроллера. К четвертому и пятому выходам микропроцессорного контроллера подключены исполнительные механизмы трехходового перепускного клапана и поворотных створок жалюзи, а к двум его входам подключены датчики температуры наддувочного воздуха и температуры воды тепловой машины.
Регуляторы температуры, входящие в состав этих автоматических систем регулирования с электрическим приводом вентилятора, имеют существенные недостатки. Они отличаются большой сложностью, пониженной надежностью и пониженным КПД. В регуляторах применено два двигателя вместо одного. Один из двигателей выполнен с поворотным статором, соединенным с механизмом поворота. Эти двигатели с фазным ротором имеют надежность меньшую, чем надежность двигателей с короткозамкнутым ротором. Из-за наличия в цепи роторных обмоток двигателей резисторов номинальные значения КПД двигателей понижены на 6-9%.
Аналоги предлагаемого изобретения, наиболее близкие к нему по совокупности существенных признаков (прототип)
Известны автоматические релейные двухпозиционные регуляторы температуры охлаждающих сред дизеля, применяемые на тепловозах серий ТЭ3, ТЭ7, ТЭМ1, ТЭМ2, ТЭМ2У, ТЭМ18Д и др. [Тепловоз ТЭ3 / К.А. Шишкин, Л.Н. Гуревич, А.Д. Степанов и др. - М.: Транспорт, 1976. Тепловозы ТЭМ1 и ТЭМ2 / П.М. Аронов, В.А. Бажинов, Д.А. Батурин и др. - М.: Транспорт, 1976, стр.86-98. Тепловоз ТЭМ2У. - М.: Транспорт, 1988, стр.34-46. Приводы вспомогательных механизмов / А.С. Космодамианский, М.И. Борзенков, В.И. Воробьев и др. - Орел: ОрелГТУ, 2007, стр.38-52]. В этих регуляторах температурные функции управляющих органов выполняют двухпозиционные термореле (с датчиком температуры с жидким наполнителем) с электропневматическими вентилями, функции исполнительного механизма выполняет механический привод вентилятора, а функции регулирующего органа выполняет осевой вентилятор охлаждения. Механический привод вентилятора охлаждения содержит угловой зубчатый редуктор, входной вал которого соединяется с помощью валов с валами дизеля и фрикционной муфты (фрикциона) с органом управления, содержащим пневматический поршневой пружинный одностороннего действия механизм включения и выключения муфты и электропневматический вентиль. Выходной вал углового редуктора соединяется с валом вентилятора охлаждения.
Механический привод вентилятора имеет более высокий КПД, чем гидродинамический, гидрообъемный и электрический приводы. КПД механического привода вентилятора остается высоким на всех режимах работы, тогда как КПД гидродинамического, гидрообъемного и электрического приводов уменьшаются при уменьшении частоты вращения вентилятора охлаждения. Механический привод вентилятора также имеет меньшую удельную массу на единицу мощности, меньшие габаритные размеры и меньшую стоимость.
Однако автоматические релейные двухпозиционные регуляторы температуры охлаждающих сред дизеля с механическим приводом (с одной ступенью передачи) вентилятора охлаждения имеют существенные недостатки.
в ном
в мин
м2
м1
нч
Регулирование температуры охлаждающих сред дизеля осуществляется релейно путем включения и выключения вентилятора при срабатывании термореле. Статические характеристики автоматического релейного двухпозиционного регулятора температуры охлаждающих сред дизеля имеют вид петли и представлены на фиг.1 (Фиг.1. Статические характеристики автоматического релейного двухпозиционного регулятора температуры охлаждающих сред дизеля: а - при номинальной частоте вращения, соответствующей номинальной подаче вентилятора G; б - при минимальной частоте вращения вала дизеля, соответствующей минимальной подаче вентилятора G). Разность температур включения Т и выключения T вентилятора представляет собой зону нечувствительности (возврата) регулятора 2ΔZ, которая является статическим параметром настройки регулятора. Включения и выключения вентилятора приводят к колебаниям температуры охлаждающих сред дизеля со значительными амплитудами и к увеличенному расходу топлива дизелем, к уменьшению его ресурса и к увеличению вредных выбросов в атмосферу с выхлопными газами. Колебания температуры охлаждающих сред дизеля со значительными амплитудами приводят к уменьшению надежности радиаторов охлаждающего устройства и к увеличенным затратам энергии на привод вентилятора. При включении вентилятора из-за большого момента инерции вентиляторного колеса наблюдаются значительные динамические нагрузки в валопроводе, что приводит к значительному снижению надежности привода вентилятора.
Сущность изобретения
Недостатки автоматического релейного регулятора температуры охлаждающих сред дизеля с механическим приводом вентилятора охлаждения можно значительно уменьшить путем преобразования его из двухпозиционного в многопозиционный. Чем больше позиций имеет релейный регулятор, тем больше релейная система с таким регулятором приближается к системе непрерывного действия по показателям качества работы. В предлагаемом автоматическом релейном шестипозиционном микропроцессорном регуляторе температуры тепловой машины в механическом приводе вентилятора применена планетарная коробка перемены передач (ПКП) с тремя ступенями передачи. По сравнению с коробками передач, образованными простыми зубчатыми механизмами, ПКП обладают рядом преимуществ [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.2. 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 и водило 11. Сателлиты 7, 8 и 9 связаны соответственно:
первый сателлит 7 - с первым центральным солнечным колесом 5, второй сателлит 8 - с эпициклическим колесом 10, а третий 9 - со вторым центральным солнечным колесом 6. 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.
м
к
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 с частотой ω 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 с частотой ω выходной вал 3.
Для включения второй ступени 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 с передачи на смежную ступень передачи 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.
в
в
в
в ном
в
в
В предлагаемом автоматическом комбинированном микропроцессорном регуляторе температуры тепловой машины механический привод вентилятора имеет более высокую надежность, так как вентилятор включается в работу только на первой ступени передач, обеспечивающей пониженную частоту вращения вала вентиляторного колеса ω, например, 0,2 от номинального значения. Затем следующее увеличение частоты вращения вентиляторного колеса ω при переходе с первой на вторую ступень передачи также небольшое и осуществляется без предварительного выключения вентилятора. Увеличение частоты вращения вентиляторного колеса ω при переходе со второй на третью ступень передачи также небольшое и осуществляется без предварительного выключения вентилятора. Эти условия обуславливают пониженные динамические нагрузки в элементах привода вентилятора и значительное повышение его надежности. При частоте вращения 0,2 от номинального значения вентиляторного колеса подача вентилятора G составляет 0,2, вращающий момент на валу вентилятора составляет 0,04, а мощность 0,008 от номинальных значений. На второй ступени передачи, обеспечивающей также пониженную частоту вращения вентиляторного колеса ω, например, 0,5 от номинального значения. При такой частоте вращения вентиляторного колеса подача вентилятора G составляет 0,5, вращающий момент на валу вентилятора составляет 0,25, а мощность 0,125 от номинальных значений.
м
Применение пониженных ступеней передач и частот вращения вентилятора обеспечивает уменьшение затрат энергии на привод вентилятора, повышение надежности привода и уменьшение амплитуды и частоты колебаний температуры тепловой машины T, что приводит к уменьшению расхода топлива тепловой машиной и к повышению надежности радиаторов ее охлаждающего устройства.
м
в
Автоматический комбинированный микропроцессорный регулятор температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора (см. фиг.3. Принципиальная схема автоматического комбинированного микропроцессорного регулятора температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора) содержит датчик 17 температуры тепловой машины T (ДТМ), датчик 18 мощности тепловой машины N (ДМ) и датчик 19 температуры наружного охлаждающего воздуха T (ДТВ), микропроцессорный контроллер 20 (МПК), планетарную коробку перемены передач 1 ПКП, три органа управления фрикционами (ОУФ): 21 - первым блокировочным фрикционом, 22 - тормозным фрикционом и 23 - вторым блокировочным фрикционом, тепловую машину 24, которая является приводом входного вала планетарной коробки перемены передач, угловой зубчатый редуктор 25 и вентилятор охлаждения 26 (ВО).
Любая автоматическая система регулирования (АСР) содержит две основные функциональные части: объект регулирования (ОР) и автоматический регулятор (АР). Любой автоматический регулятор содержит две основные соединенные последовательно функциональные части: управляющий орган (УО) и исполнительно-регулирующее устройство (ИРУ). Управляющий орган содержит устройства: измерительное (ИУ) (датчик регулируемой величины), задающее (ЗУ), сравнивающее (СУ) и усилительное. В свою очередь исполнительно-регулирующее устройство содержит две соединенные последовательно функциональные части:
исполнительный механизм (ИМ) и регулирующий орган (РО). В автоматических регуляторах температуры, содержащих в качестве регулирующего органа вентилятор, функции исполнительного механизма выполняет привод вентилятора [Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М.: Транспорт, 1989; Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, (1977), 1995; Луков Н.М., Космодамианский А.С. Автоматические системы управления локомотивов. - М.: ГОУ УМЦ по образованию на ж-д транспорте, 2007].
д1
д2
д3
им
1
2
3
зу1
зу2
зу3
су1
су2
су3
ук1
ук2
су1
су2
су3
ус
уу
Автоматическая комбинированная микропроцессорная система регулирования температуры тепловой машины с предлагаемым автоматическим комбинированным релейным шестипозиционным микропроцессорным регулятором температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора, содержит следующие функциональные элементы (см. фиг.4. Функциональная схема автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора): объект регулирования температуры ОР 27 (систему охлаждения тепловой машины - СО), первое измерительное устройство (ИУ1) 17 (датчик температуры тепловой машины - ДТМ) с выходным сигналом х, второе измерительное устройство (ИУ2) 18 (датчик мощности тепловой машины - ДМ) с выходным сигналом х, третье измерительное устройство (ИУЗ) 19 (датчик температуры охлаждающего воздуха - ДТВ) с выходным сигналом х, регулирующий орган РО 26 (вентилятор охлаждения - ВО), исполнительный механизм ИМ 28 (привод вентилятора - ПВ) с выходным сигналом h, три задающих устройства 29, 30, 31 - (ЗУ1), (ЗУ2) и (ЗУ3) с сигналами задания η, η, η, и с выходными сигналами х, х и х, три сравнивающих устройства 32, 33, 34 - (СУ1), (СУ2) и (СУ3) с выходными сигналами Δх, Δх и Δх, два устройства коррекции 35, 36 - (УК1) и (УК2) статических характеристик измерительных устройств ИУ2 и ИУ3, выходные сигналы УК1 и УК2 - х и х, устройство суммирования 37 УС выходных сигналов Δх, Δх и Δх сравнивающих устройств СУ1, СУ2 и СУ3, выходной сигнал УС - х и управляющее устройство 38 УУ с выходным сигналом х.
1
2
1
2
ук1
ук2
Устройства коррекции УК1 и УК2 статических характеристик измерительных устройств ИУ2 и ИУ3 предназначены для установления степени влияния сигналов возмущающих воздействий λ и λ на регулирующее воздействие и. Степени влияния сигналов возмущающих воздействий λ и λ на регулирующее воздействие µ, определяются значениями коэффициентов передачи устройств коррекции УК1 и УК2: k, k (статические параметры настройки регулятора). Например, температура воды двигателя внутреннего сгорания при постоянной мощности изменяется пропорционально температуре охлаждающего воздуха, а коэффициент пропорциональности (коэффициент передачи системы охлаждения двигателя по температуре охлаждающего воздуха) равен единице [Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995. стр.39]. Поэтому для уменьшения влияния температуры охлаждающего воздуха на регулирующее воздействие µ, а значит и на температуру воды двигателя внутреннего сгорания, необходимо делать меньше единицы значение коэффициента передачи устройства коррекции УК2.
Выходной сигнал устройства суммирования (УС) определяется из выражения
<mrow><msub><mi>х</mi><mrow><mi>у</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>х</mi><mrow><mi>с</mi><mi>у</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>х</mi><mrow><mi>с</mi><mi>у</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>х</mi><mrow><mi>с</mi><mi>у</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Принципиальная блок-схема автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования тепловой машины, содержащей предлагаемый автоматический комбинированный микропроцессорный регулятор температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора, представлена на фиг.5 (Фиг.5. Принципиальная блок-схема автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора).
м
1
2
в
Предлагаемый автоматический микропроцессорный шестипозиционный регулятор температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора является комбинированным, так как в нем для управления исполнительно-регулирующим устройством кроме сигнала регулируемой температуры φ - T используются еще сигналы внешних возмущающих воздействий λ и λ: мощности тепловой машины N и температуры охлаждающего воздуха Т. 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., Космодамианский А.С. Автоматические системы управления локомотивов. - М.: ГОУ УМЦ по образованию на ж-д транспорте, 2007,стр.22]
<mrow><mi>Δ</mi><mi>μ</mi><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mi>p</mi></msub><mi>Δ</mi><mi>φ</mi><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mrow><mi>p</mi><mi>λ</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>Δ</mi><msub><mi>λ</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mrow><mi>p</mi><mi>λ</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mi>Δ</mi><msub><mi>λ</mi><mn>2</mn></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
p
pλ1
pλ2
м
в
м
м
м
где k, k, k - коэффициенты передачи регулятора по каналам действия регулируемой величины (температуры Т тепловой машины) и возмущающих воздействий (мощности тепловой машины N и температуры охлаждающего воздуха T) являются статическими параметрами настройки регуляторов. Автоматический комбинированный микропроцессорный регулятор температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора содержит три регулятора (фиг.4). Регулятор температуры T тепловой машины по отклонению ее от заданного значения вместе с объектом регулирования образует замкнутый контур регулирования и содержит функциональные элементы: ИУ1, СУ1, ЗУ1, УС, УУ, ИМ и РО. Регулятор температуры T тепловой машины по мощности тепловой машины вместе с объектом регулирования образует разомкнутый контур регулирования и содержит функциональные элементы: ИУ2, УК1, СУ2, ЗУ2, УС, УУ, ИМ и РО. Регулятор температуры T тепловой машины по температуре охлаждающего воздуха вместе с объектом регулирования образует разомкнутый контур регулирования и содержит функциональные элементы: ИУ3, УК2, СУ3, ЗУ3, УС, УУ, ИМ и РО.
в
м
м2
м4
м6
м
м1
м3
м5
м
м ост
в
м
Автоматический комбинированный микропроцессорный регулятор температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора работает следующим образом (фиг.3). При отключенных датчиках 18 и 19 мощности тепловой машины N и температуры охлаждающего воздуха T и трехступенчатом зубчатом редукторе в приводе вентилятора микропроцессорный контроллер 20 обеспечивает включение (при повышении температуры T тепловой машины 1 до значений: T, T и T) или выключение (при понижении температуры T тепловой машины 1 до значений: T, T и Т) соответствующей передачи. В результате автоматический микропроцессорный шестипозиционный релейный регулятор температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора имеет статические характеристики, представленные на фиг.6 (Фиг.6. Статические характеристики автоматического релейного шестипозиционного микропроцессорного регулятора температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора при номинальной и минимальной частоте вращения вала машины). При таком регуляторе температуры поле статических характеристик автоматической микропроцессорной системы регулирования температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора будет иметь вид, представленный на фиг.7 (Фиг.7. Поле статических характеристик автоматической микропроцессорной системы регулирования температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора). На фиг.7 видно, что при уменьшении мощности тепловой машины N амплитуда и размах колебаний температуры тепловой машины T увеличиваются. При этом также увеличивается период колебаний температуры и остаточная неравномерность ΔT. Это обусловлено тем, что при уменьшении мощности тепловой машины N и температуры охлаждающего воздуха T увеличиваются постоянная времени и коэффициент передачи системы охлаждения тепловой машины [Попов Е.П. Автоматическое регулирование и управление. - М.: Наука, 1966, стр.309-311; Прусенко B.C. Пневматические системы автоматического регулирования технологических процессов. - М.: Машиностроение, 1987, стр.164, 165, 180-181]. Уменьшение средней температуры тепловой машины T при уменьшении мощности тепловой машины N приводит к увеличению расхода топлива тепловой машиной. Увеличение амплитуды и периода колебаний температуры отрицательно сказывается на технико-экономических показателях тепловой машины.
в
в
м
в
При включенных датчиках 18 и 19 мощности тепловой машины N и температуры охлаждающего воздуха T, то есть при действии сигналов по мощности тепловой машины N и температуре охлаждающего воздуха Т, и при применении в приводе вентилятора планетарной коробки передач (фиг.2) микропроцессорный контроллер 20 в соответствии с программой, заложенной в устройство управления УУ (фиг.4 и 5), обеспечивает включение и выключение соответствующей передачи не только в зависимости от сигнала температуры тепловой машины T, но и от сигналов по мощности тепловой машины N и по температуре охлаждающего воздуха Т. Автоматический комбинированный релейный шестипозиционный микропроцессорный регулятор температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора имеет статические характеристики (Фиг.8. Статические характеристики автоматического комбинированного релейного шестипозиционного микропроцессорного регулятора температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора), отличные от характеристик, приведенных на фиг.6. При этом алгоритм (закон) работы устройства управления УУ приводом вентилятора ПВ имеет вид:
в
в3
уу6
уу
уу5
ω=ω при х<х<х - включены ПБФ и первая передача;
в
в2
уу4
уу
уу3
ω=ω при х<х<х - включены ТФ и вторая передача;
в
в1
уу2
уу
уу1
ω=ω при х<х<х - включены ВБФ и третья передача.
в
м
в
нч1
уу5
уу6
нч2
уу3
уу4
нч3
уу1
уу2
нч1
z1
нч2
нч2
z2
нч3
z1
z2
нч1
z1
z2
уу4
уу5
уу2
уу3
м
Для того, чтобы при уменьшении мощности тепловой машины N и температуры охлаждающего воздуха Т не увеличивалась амплитуда колебаний температуры тепловой машины Т зона нечувствительности устройства управления УУ, а значит и регулятора температуры, уменьшается при уменьшении частоты вращения ω вентилятора охлаждения ВО. Зона нечувствительности устройства управления УУ: при первой передаче 2ΔZ=х-х, при второй передаче 2ΔZ=х-х и при третьей передаче 2ΔZ=х-х. Соотношение зон нечувствительности: ΔZ=kΔZ; ΔZ=kΔZ; k>k>1. Значения зоны нечувствительности ΔZ и коэффициентов k и k являются статическими параметрами настройки регулятора. Интервалы х-х и х-х составляют 0,1-0,2 от зоны нечувствительности. В результате поле характеристик автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования температуры тепловой машины, содержащей автоматический комбинированный релейный шестипозиционный микропроцессорный регулятор температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора, будет иметь вид, представленный на фиг.9 (Фиг.9. Поле характеристик автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования температуры тепловой машины). На фиг.9 видно, что при уменьшении мощности тепловой машины N температуры тепловой машины Т увеличиваются, что обеспечивает уменьшение расхода топлива тепловой машиной [Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995, стр.9-11].
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения
Осуществление предлагаемого изобретения позволит повысить надежность механического привода вентилятора охлаждения, радиаторов и тепловой машины, уменьшить расход топлива тепловой машиной. Технический результат достигается за счет того, что выходной вал тепловой машины соединен с входным валом углового зубчатого редуктора посредством планетарной коробки перемены передач, в корпусе которой установлены входной вал, выходной вал и четырехзвенный планетарный механизм, 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 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 остановлено тормозным фрикционом; центральное солнечное зубчатое колесо и выходной вал связаны при помощи второго блокировочного фрикциона; выходной вал коробки передач связан с центральным солнечным зубчатым колесом посредством второго механизма свободного хода; фрикционы соединены с тремя органами управления, образующими управляющее устройство, содержащими пневматические пружинные одностороннего действия механизмы и электропневматические вентили; планетарная коробка перемены передач и угловой редуктор образуют привод вентилятора, который связан с управляющим устройством; регулятор содержит датчик температуры тепловой машины, датчик мощности тепловой машины и датчик температуры охлаждающего воздуха, причем датчик температуры тепловой машины подключен к первому сравнивающему устройству, датчик мощности тепловой машины и датчик температуры охлаждающего воздуха связаны со вторым и третьим сравнивающими устройствами посредством первого и второго устройств коррекции статических характеристик датчиков; первое, второе и третье сравнивающие устройства связаны соответственно с первым, вторым и третьим задающими устройствами и с устройством суммирования, подключенным в свою очередь к управляющему устройству привода вентилятора, в программу работы которого заложен алгоритм работы комбинированного релейного шестипозиционного микропроцессорного регулятора температуры.
Перечень фигур
в ном
в мин
Фиг.1. Статические характеристики автоматического релейного двухпозиционного регулятора температуры охлаждающих сред дизеля: а - при номинальной частоте вращения, соответствующей номинальной подаче вентилятора G; б - при минимальной частоте вращения вала дизеля, соответствующей минимальной подаче вентилятора G.
Фиг.2. Принципиальная схема планетарной коробки перемены передач.
Фиг.3. Принципиальная схема автоматического комбинированного микропроцессорного регулятора температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора.
Фиг.4. Функциональная схема автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора.
Фиг.5. Принципиальная блок-схема автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора.
Фиг.6. Статические характеристики автоматического релейного шестипозиционного микропроцессорного регулятора температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора при номинальной и минимальной частоте вращения вала машины.
Фиг.7. Поле статических характеристик автоматической микропроцессорной системы регулирования температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора.
Фиг.8. Статические характеристики автоматического комбинированного релейного шестипозиционного микропроцессорного регулятора температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора.
Фиг.9. Поле характеристик автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования температуры тепловой машины.
Перечень позиций, соответствующих на рисунках основным элементам автоматического комбинированного микропроцессорного регулятора температуры тепловой машины с механическим приводом вентилятора
Фиг.2 и 3:
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.3, 4 и 5:
17 - датчик температуры тепловой машины (первое измерительное устройство);
18 - датчик мощности тепловой машины (второе измерительное устройство);
19 - датчик температуры наружного охлаждающего воздуха (третье измерительное устройство);
20 - микропроцессорный контроллер;
21 - орган управления первым блокировочным фрикционом;
22 - орган управления тормозным фрикционом;
23 - орган управления вторым блокировочным фрикционом;
24 - тепловая машина;
25 - угловой зубчатый редуктор;
26 - вентилятор охлаждения (регулирующий орган).
Фиг.4 и 5:
27 - объект регулирования температуры (система охлаждения тепловой машины);
28 - исполнительный механизм (привод вентилятора);
29, 30 и 31 - задающие устройства;
32, 33 и 34 - сравнивающие устройства;
35 и 36 - устройства коррекции;
37 - устройство суммирования выходных сигналов сравнивающих устройств;
38 - управляющее устройство.
Перечень условных сокращений
АСР - автоматическая система регулирования
ОР - объект регулирования
АР - автоматический регулятор
УО - управляющий орган
ИРУ - исполнительно-регулирующее устройство
ИУ, ИУ1, ИУ2 и ИУ3 - измерительное устройство
ЗУ, ЗУ1, ЗУ2 и ЗУ3 - задающее устройство
УУ - управляющее устройство
УК1 и УК2 - устройства коррекции
СУ, СУ1, СУ2 и СУ3 - сравнивающее устройство
ИМ - исполнительный механизм
РО - регулирующий орган
ПКП - планетарная коробка перемены передач
ПБФ - первый блокировочный фрикцион
ТФ - тормозной фрикцион
ВБФ - второй блокировочный фрикцион
ДТМ - датчик температуры тепловой машины
ДМ - датчик мощности тепловой машины
ДТВ - датчик температуры наружного охлаждающего воздуха
МПК - микропроцессорный контроллер
ОУФ - орган управления фрикционом
ВО - вентилятор охлаждения
ПВ - привод вентилятора.
Перечень обозначений величин
в
G - подача вентилятора
в ном
G - номинальная подача вентилятора
в мин
G - минимальная подача вентилятора
нч
2ΔZ - зона нечувствительности (возврата) регулятора
м
ω - частота вращения вала тепловой машины
к
ω - частота вращения выходного вала планетарной коробки перемены передач
в
ω - частота вращения вала вентиляторного колеса
м
T - температура тепловой машины
в
T - температура наружного охлаждающего воздуха
N - мощность тепловой машины
д1
х - выходной сигнал датчика температуры тепловой машины (первого измерительного устройства)
д2
x - выходной сигнал датчика мощности тепловой машины (второго измерительного устройства)
д3
х - выходной сигнал датчика температуры наружного охлаждающего воздуха (третьего измерительного устройства)
им
h - выходной сигнал исполнительного механизма (привода вентилятора)
1
2
3
η, η и η - сигналы задания
зу1
зу2
зу3
х, х и х - выходные сигналы задающих устройств
ук1
ук2
х и х - выходные сигналы устройств коррекции
су1
су2
су3
Δх, Δх и Δх - выходные сигналы сравнивающих устройств
ус
х - выходной сигнал устройства суммирования выходных сигналов сравнивающих устройств
уу
х - выходной сигнал управляющего устройства
1
2
λ и λ - возмущающие воздействия
µ - регулирующее воздействие
ук1
ук2
k и k - коэффициенты передачи устройств коррекции
φ - сигнал регулируемой величины (температуры тепловой машины)
р
pλ1
pλ2
k, k и k - коэффициенты передачи регулятора по каналам действия регулируемой величины и возмущающих воздействий
м ост
ΔT - остаточная неравномерность
нч1
2ΔZ - зона нечувствительности устройства управления при первой передаче
нч2
2ΔZ - зона нечувствительности устройства управления при второй передаче
z1
z2
k k - коэффициенты, характеризующие соотношение зон нечувствительности устройства управления при первой и второй передаче.