УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЕМ СЖАТОГО ВОЗДУХА С РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ ПО УПРАВЛЯЮЩЕМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ
DEVICE FOR CONTROLLING PRESSURE OF COMPRESSED AIR WITH CONTROL ACTION RESERVATION

Предлагаемое изобретение относится к области автоматизированного управления пневмосистемами, а именно к устройствам для управления давлением сжатого воздуха в пневмоприводе подъема токоприемников подвижного состава железных дорог.
Известен электромагнитный регулятор давления, содержащий размещенные в корпусе электромагнит с катушкой управления и якорем, пневмораспределитель, включающий в себя подпружиненный плунжер (золотник), расположенный во втулке с каналами и взаимодействующий с толкателем якоря [1] - патент РФ №2103720 на изобретение «Электромагнитный регулятор давления», кл. G05D 16/20, 1994 г.
Давление на выходе указанного регулятора пропорционально величине тока, поданного на катушку электромагнита. Указанная зависимость в известном регуляторе нелинейна и в большой степени зависит от месторасположения якоря в пределах его рабочего хода, стабильности параметров пружины, стабильности геометрических параметров пневмораспределителя. Кроме того, в известном регуляторе не предусмотрена возможность ручного управления.
Относительно невысокая стабильность основных параметров известного распределителя затрудняет его использование в пневмосистемах подвижного состава железных дорог.
Известен также 2-линейный пропорциональный пневмораспределитель с электроуправлением и обратной связью по давлению [2] - («Описание и технические характеристики 2-линейного пропорционального пневмораспределителя VEP31 с электроуправлением и обратной связью по давлению» - стр. 149-152 каталога «С6» 2015 год ООО "ЭС ЭМ СИ Пневматик").
Этот пропорциональный пневмораспределитель содержит размещенные в корпусе электромагнит с катушкой управления и якорем, пневмораспределитель, включающий в себя подвижный подпружиненный золотник, располагаемый в центральном отверстии втулки, имеющей радиальные каналы, один торец золотника взаимодействует с якорем, а другой торец золотника через пружину взаимодействует с подвижным поршнем, воспринимающая давление поверхность которого выходит в камеру обратной связи. Указанный пневмораспределитель наиболее близок по технической сущности к заявленному изобретению.
В этом пневмораспределителе использован электромагнит с "естественной" для большинства промышленно-выпускаемых электромагнитов характеристикой. Эта характеристика такова, что усилие, развиваемое на якоре электромагнита, зависит не только от тока в его обмотке, но и от положения якоря относительно стоповой части. Чем ближе якорь к стопу (ограничителю хода при увеличении тока в обмотке), тем больше усилие при неизменном токе. При снижении давления в канале подключения нагрузки, усилие, развиваемое поршнем обратной связи, уменьшается. При неизменном токе в обмотке якорь электромагнита продвинется в сторону стопа, открывая линию нагнетания воздуха в нагрузку.
При этом при неизменном токе возврат якоря на исходную позицию возможен только при увеличении давления под поршнем до величины, заведомо превышающей стабилизируемое давление так, чтобы увеличенное (относительно уставки стабилизации) давление под поршнем смогло создать усилие, равное (или больше) повышенному усилию, развитому якорем при его приближении к стопу. При колебаниях регулируемого давления якорь тем дольше будет двигаться в сторону стопа, чем дольше будет достигаться превышенное давление под поршнем, обеспечивающее возврат якоря на его исходную позицию с уменьшением усилия якоря до его номинального значения, соответствующего задаваемому током давлению на выходе пневмораспределителя. Соответственно, чем больше временной сдвиг между возникшим отклонением давления и реакцией на это отклонение поршня обратной связи, тем больше будет гистерезис стабилизации.
Таким образом, к недостаткам этого пневмораспределителя следует отнести его невысокую стабильность параметров, вызванную особенностями используемого электромагнитного привода. Кроме того, в указанном пневмораспределителе также не предусмотрено ручное (аварийное) перемещение золотника, а практически возможное максимальное давление на выходе не ограничено ничем, кроме максимальной величины давления во входном канале пневмораспределителя.
В питающих воздушных магистралях подвижного состава поддерживается давление от 0,5 МПа до 0,87 МПа, при этом все механизмы пневмоприводов работают при изменении давления на их входах от 0,05 МПа до 0,4 МПа. Подача на вход этих пневмоприводов давления выше 0,4 МПа недопустима и считается нештатной ситуацией. Например, при возникновении в результате нештатной ситуации в пневмоприводе токоприемника давления 0,8 МПа вместо номинального давления величиной 0,3 МПа наиболее вероятным следствием является механическое повреждение токоприемника и контактного провода.
По соображениям обязательного ограничения максимального давления в пневмоприводах подвижного состава, как правило, устанавливают отдельный предохранительно сбросной клапан.
В предложенном устройстве управления давлением сжатого воздуха с резервированием по управляющему воздействию увеличение точности стабилизации давления обеспечивается тем, что управляющий электромагнит выполнен с линейной тяговой характеристикой, при которой развиваемое на якоре усилие определяется только током через обмотку электромагнита и не зависит от положения якоря относительно стопа.
Для обеспечения возможности использования предложенного устройства управления давлением в пневмосистемах подвижного состава, где требуется ручное дублирование по управляющему воздействию и ограничение давления на выходе, в устройство выполнены механизм ручного перемещения золотника и ограничитель выходного давления, работающий так, что максимальное давление на выходе зависит лишь от одного параметра - длины упорной втулки в силовой цепи перемещения золотника, а точность обеспечения длины этой втулки при ее изготовлении не вызывает затруднений, т.е. обеспечивается минимальными затратами.
Таким образом, предложенное устройство позволяет повысить точность поддержания заданного давления, ограничить выходное давление на требуемом уровне и осуществлять при необходимости ручное управление выходным давлением.
Указанные положительные свойства, технический результат достигаются тем, что в устройстве управления давлением сжатого воздуха с резервированием по управляющему воздействию, содержащем пневмораспределитель, узел обратной связи по выходному давлению, электромагнит с катушкой управления, центральным магнитопроводом, якорем, установленным внутри магнитопровода с возможностью осевого перемещения и взаимодействия со стопом и подвижным подпружиненным золотником, размещенным в корпусе пневмораспределителя, с внешней стороны центрального магнитопровода, в зоне рабочего зазора, выполнена кольцевая проточка, часть якоря, обращенная к стопу, выполнена конической, стоповая часть электромагнита выполнена из немагнитного материала, а ограничитель выходного давления содержит упорную втулку, установленную на штоке золотника, и пружину, расположенную между упорной втулкой и якорем, кроме того, золотник распределителя связан штоком с сильфоном обратной связи, размещенным в камере сильфонного узла, а якорь связан через пружину с винтом ручного дублера.
Анализ известных в технике решений не выявил технических решений с заявленной совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о соответствии заявленного изобретения условию патентоспособности "новизна", кроме того, предлагаемое устройство управления давлением сжатого воздуха не следует явным образом из уровня техники, т.е. имеет "изобретательский уровень".
Проведенные на подвижном составе испытания устройства управления давлением сжатого воздуха с резервированием по управляющему воздействию и с ограничением максимального выходного давления свидетельствуют о том, что заявленное техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость".
Сущность предложенного изобретения поясняется схематичным чертежом, где на Фиг. показан общий вид устройства управления давлением сжатого воздуха с резервированием по управляющему воздействию и ограничением максимального выходного давления в исходном положении, т.е. до начала управляющих воздействий на катушку электромагнита.
Устройство управления давлением сжатого воздуха с резервированием по управляющему воздействию содержит пневмораспределитель 1, узел обратной связи по давлению 2, электромагнит 3 с катушкой управления 4, центральным магнитопроводом 5, якорем 6, установленным внутри магнитопровода с возможностью осевого перемещения и взаимодействия со стопом 7 и подвижным подпружиненным золотником 8, размещенным в корпусе пневмораспределителя. С внешней стороны центрального магнитопровода 5 в зоне рабочего зазора 9 выполнена кольцевая проточка 10, часть якоря 6, обращенная к стопу 7, выполнена конической. Стоповая часть 7 электромагнита выполнена из немагнитного материала, а ограничитель 11 выходного давления содержит упорную втулку 12, установленную на упоре 13 золотника 8, и пружину 14, расположенную между упорной втулкой 12 и якорем 6. Золотник 8 распределителя связан штоком 15 с сильфоном 16 обратной связи, размещенным в камере 17 сильфонного узла, а якорь 6 связан через пружину 18 с винтом 19 ручного дублера 20. Пружина возврата 21 служит для установки золотника 8 в исходное положение при полном отводе якоря от стопа и при близком к нулю давлении в полости узла обратной связи 2. Для предварительного разогрева пневмораспределителя в холодное время года служит предпусковой позисторный нагреватель 22.
Устройство управления давлением сжатого воздуха с резервированием по управляющему воздействию работает следующим образом:
ПВ
При управлении от обмотки электромагнита 3 винт 19 ручного дублера 20 вывернут (сдвинут вверх на Фиг.) до конструктивного ограничения и не влияет на работу устройства. В отсутствие тока через обмотку электромагнита 3 якорь 6 электромагнита не развивает усилия, и золотник 8 пневмораспределителя сдвинут пружиной возврата 21 вверх с силой F так, что перекрывает канал Р подвода сжатого воздуха. При этом канал А подключения нагрузки соединен с каналом R сброса воздуха в атмосферу. В этом (исходном) положении избыточного давления в нагрузочном объеме нет.
Включение устройства в холодное время года производится с предварительным подогревом, путем подачи напряжения с линии подогрева на выводы нагревателя предпускового подогрева 22. Линия подогрева (на Фиг. не показана) входит в состав оборудования электровоза и используется для предпускового подогрева устройств, для которых этот подогрев необходим. Время предпускового подогрева в зависимости от температуры окружающего воздуха и длительности пребывания электровоза в холодном режиме определяется и задается системой управления электровозом.
Нагреватель 22 позисторный. Его сопротивление увеличивается по мере прогрева. При температуре плюс 60°С ток через нагреватель становится близким к нулю. Предпусковой подогрев необходим для устранения риска стопорения механизма устройства из-за накопления и последующего замерзания конденсата, присутствующего в воздушной магистрали электровоза, либо при надувании инея с внутренней поверхности труб воздуховодов при холодном пуске электровоза.
МАГН
А
При подаче тока в обмотку электромагнита 3 его якорь 6 перемещается вниз (на Фиг.) с силой F и через пружину 14 ограничителя давления сдвигает золотник 8 так, что канал сброса R в атмосферу закрывается, а канал подачи воздуха Р соединяется с каналом А подключения нагрузки. Происходит нагнетание воздуха в нагрузочный объем. Давление воздуха из нагрузочного объема подается по трубке Т (импульсная трубка, соединяющая нагрузочный объем и сильфонный узел) внутрь камеры 17 сильфонного узла.
А
МАГН
МАГН
ПВ
А
По мере увеличения давления внутри камеры 17 сильфонного узла сильфон 16 сокращается, подвижный шток 15, связанный с сильфоном 16, развивает силу F, действующую навстречу силе F, происходит сжатие пружины 14 ограничителя и золотник 8 из крайнего нижнего положения плавно сдвигается вверх, перекрывая подачу воздуха из канала подвода Р в канал нагрузки А. При достижении давления, заданного током катушки управления 4 электромагнита 3 (F=F+F), золотник 8 полностью перекрывает канал нагрузки А.
А
В этом положении золотника не происходит нагнетания воздуха в нагрузку или сброса воздуха из нее. При возможном увеличении давления в нагрузочном объеме сила F увеличивается, и золотник 8 сдвигается еще выше, соединяя канал нагрузки А с каналом сброса R.
При заведомом отсутствии тока в катушке управления 4 электромагнита 3 управление выходным давлением осуществляется вращением винта 19 ручного дублера 20 в ту или иную сторону.
Пружина 18 ручного дублера 20 введена в состав устройства для увеличения хода винта 19 ручного дублера при управлении от этого органа. Например, если полный ход золотника 8 на открывание (закрывание) доступа воздуха в нагрузочный объем составляет 2 мм, а пружина 18 ручного дублера по характеристикам примерно соответствует пружине 14 ограничителя, ход винта 19 на полное открывание (закрывание) составит около 4 мм. При шаге резьбы винта 19 ручного дублера, например, в 1 мм, для полного открывания (закрывания) нужно сделать 4 полных оборота винта 19 ручного дублера. Это обеспечивает плавность регулирования ручным дублером, достаточную для практических реализаций ручного режима управления.
При попытке установить давление выше ограничения якорь 6 электромагнита 3 упрется в стоповую часть 7 электромагнита. После этого сила, смещающая золотник 8 в сторону нагнетания давления, будет ограничена упругостью пружины 14 ограничителя 11 выходного давления.
А
При увеличении давления на выходе устройства управления выше значения, заданного упругостью пружины 14 после упора якоря 6 в стоп 7, пружина 14 будет сжиматься за счет силы F, действующей со стороны сильфонного узла. При этом золотник 8 будет сдвигаться в сторону сброса избыточного давления из нагрузочного объема в атмосферу. Точная настройка ограничения давления может производиться, например, путем изменения высоты h буртика упорной втулки 12.
Описанное ограничение выходного давления действует независимо от режима использования устройства - с управлением током обмотки или ручным дублером.
Проведенные работы по изготовлению опытных образцов и их испытания показали, что уверенно обеспечивается необходимая точность стабилизации выходного давления, ограничение выходного давления и установка выходного давления при помощи ручного дублера. При этом выполняется требование по воспроизводимости параметров устройства при промышленном изготовлении его деталей и последующей сборке.