АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
AUTOMATIC SYSTEM OF PRESSURE CONTROL IN PNEUMATIC SYSTEM OF TRACTIVE TRANSPORT DEVICE

Изобретение относится к области совершенствования поршневых компрессорных установок тягового подвижного состава, на котором компрессоры приводятся от теплового двигателя.
Известны автоматические системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства [1], в которых функции исполнительного механизма выполняет электрический привод компрессора. Эти известные системы регулирования давления имеют два существенных недостатка. Электрический привод компрессора обладает значительной массой и значительной стоимостью.
Известна автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства [2], содержащая пневматическую систему, соединенную с компрессором, приводимым от вала теплового двигателя посредством механического редуктора и гидродинамической муфты переменного наполнения, вход которой соединен с регулирующим золотником подачи масла в гидродинамическую муфту, отличающаяся тем, что в ней применен управляющий орган непрерывного действия, регулирующий золотник которого связан с мембранным пружинным одностороннего действия приводом, соединенным трубопроводом с пневматической системой тягового транспортного средства.
В этой автоматической системе регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства функции исполнительного механизма выполняет гидродинамический привод компрессора, содержащий гидродинамическую муфту переменного наполнения. Эта известная система регулирования давления имеет два существенных недостатка. Гидродинамический привод компрессора обладает малой монтажной «гибкостью» из-за наличия валопровода, связывающего вал компрессора с валом теплового двигателя, что затрудняет компоновку оборудования тягового транспортного средства. Гидродинамический привод компрессора обладает большой инерционностью, обусловленной инерционностью процессов наполнения и опорожнения гидродинамической муфты переменного наполнения, что отрицательно сказывается на устойчивости и качестве работы автоматической системы регулирования давления.
Задача изобретения - улучшение показателей качества работы автоматической системы регулирования давления сжатого воздуха в пневматической системе тягового транспортного средства и технико-экономических показателей.
Указанная задача достигается тем, что автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства, содержащая пневматическую систему, соединенную с компрессором, управляющий орган непрерывного действия, отличающаяся тем, что вал компрессора приводится во вращение от вала гидрообъемного двигателя, связанного трубопроводами с гидрообъемным насосом, фильтром масла и масляным баком, гидрообъемный насос, вал которого приводится от вала теплового двигателя, связан трубопроводом с охладителем масла, который в свою очередь связан трубопроводами с фильтром масла и масляным баком, управляющий орган непрерывного действия представляет собой мембранный пружинный одностороннего действия привод, имеющий регулировочную гайку, шток которого соединен с распределительной шайбой регулируемого гидронасоса, а мембранная камера соединена трубопроводом с пневматической системой тягового транспортного средства, этим поддерживается постоянным давление сжатого воздуха в пневматической системе тягового транспортного средства, а не подача компрессора.
При этом вал гидрообъемного насоса соединен с валом теплового двигателя, а вал компрессора с валом гидрообъемного двигателя посредством зубчатых редукторов.
На подвижном составе применяются следующие приводы компрессоров: механический неотключаемый от главного теплового двигателя, электрический привод, управляемый релейно; гидродинамический с нерегулируемой муфтой, гидродинамический с регулируемой муфтой, гидрообъемный (гидростатический) привод, управляемый релейно, привод от вспомогательного теплового двигателя (неотключаемый) [3].
Эксплуатация компрессорных установок на локомотивах значительно отличается от эксплуатации их в стационарных условиях. Из-за специфики поездной работы, конструкционных особенностей локомотивов и типов привода компрессоров это отличие характеризуется переменными скоростью вращения вала, давлением нагнетания, температурными условиями, частыми пусками и остановками или сменами рабочего и холостого хода [4].
к
к
к макс
На фиг.1 изображена функциональная схема автоматической системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства; фиг.2 - статическая характеристика автоматического релейного регулятора давления; фиг.3 - статические характеристики автоматического регулятора давления непрерывного действия: 1 - при выключении привода компрессора при ω=0; 2 - при выключении привода компрессора при ω=(0,13-0,17)ω; фиг.4 - принципиальная схема автоматической системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства.
2
к
к
к
Известно, что из всех применяемых способов изменения подачи Q и давления р компрессоров способ изменения их путем изменения скорости вращения вала компрессора ω является наиболее эффективным. Однако для поддержания давления воздуха р в пневматической системе тягового транспортного средства широко применяются релейные автоматические системы регулирования давления (АСРД), в которых функции исполнительно-регулирующих устройств (ИРУ), т.е. исполнительных механизмов (ИМ) в совокупности с регулирующими органами (РО), выполняют привод компрессора и собственно компрессор (см. фиг.1). Сама пневматическая система тягового транспортного средства является объектом регулирования давления (ОРД). Автоматический регулятор давления (АРД) содержит кроме исполнительно-регулирующего устройства еще управляющий орган (УО), состоящий из измерительного устройства (ИУ), задающего (ЗУ), сравнивающего (СУ) и усилительно-преобразующего (УУ) устройств [5].
1
1
а
2
а
3
к
2
к
к1
к2.
к
к1
к2
кмакс
2макс
к
к
к
к.
у
к
к
На объект регулирования давления действуют внешние возмущающие воздействия: расход воздуха из пневматической системы Q(λ), температура Т(λ) и давление р(λ) атмосферного (всасываемого) воздуха. Для поддержания регулируемой величины - давления р(φ) в заданном диапазоне автоматический регулятор давления изменяет регулирующее воздействие - подачу воздуха Q(µ) в пневматической системе. Автоматический релейный регулятор давления имеет статическую характеристику в виде петли (см. фиг.2.), и при работе автоматической системы регулирования давления величина р изменяется в пределах от р до р Повышение давления величины р от р до р осуществляется при работе компрессора с максимальной скоростью вращения вала ω и максимальной подачей Q. При этом наблюдаются максимальная скорость износа деталей цилиндропоршневой группы компрессора и увеличенный расход смазки. Так, уменьшение ω с 1450 до 710 об/мин приводит к снижению скорости износа компрессионных и маслосъемных колец (из улучшенного специального фосфористого чугуна) первой и второй ступеней в 1,3-3 раза, а цилиндров в 2,5-3 раза [6]. Результаты испытаний показывают, что скорость износа деталей компрессора возрастает как с увеличением ω, так и с увеличением р, причем более сильное влияние на увеличение скорости износа оказывает давление р При увеличении р в 1,4 раза (с 0,7 до 1,0 МПа) скорость износа шатунных шеек возрастает в 3,2 раза, тогда как при увеличении ω в 1,4 раза (с 1170 до 1640 об/мин) - только в 1,2 раза. Наиболее интенсивно скорость износа начинает увеличиваться при р более 0,6-0,7 МПа [7].
к
к
к
к
к
к
к макс
к макс
к
к
Изменение режимов работы компрессора оказывает существенное влияние не только на скорость износа деталей цилиндропоршневой группы, но и на расход смазки. С повышением ω и давления нагнетания р расход смазки увеличивается. Например, при испытаниях компрессора на номинальном скоростном режиме с серийными поршневыми кольцами увеличение р от 0 до 0,6, 0,8 и 1,0 МПа привело к увеличению расхода смазки соответственно в 1,8, 2,7 и 3,0 раза. При уменьшении ω с 1450 до 710 об/мин расход смазки снижался примерно в 6 раз [6]. Для уменьшения износа деталей цилиндропоршневой группы компрессора и уменьшения расхода смазки необходимо применять непрерывное регулирование р наиболее эффективным способом - плавным изменением ω, при котором уменьшается время работы компрессора при ω и р. Автоматические системы регулирования давления непрерывного действия содержат автоматические регуляторы давления, статические характеристики которых имеют вид, показанный на фиг.3. Анализ свойств автоматических регуляторов давления релейного и непрерывного действия показывает, что при непрерывном регулировании давления компрессор работает больше времени при пониженной ω и пониженном р, что способствует уменьшению скорости износа деталей цилиндропоршневой группы и уменьшению расхода смазки (стоимость которой на порядок выше стоимости дизельного топлива).
к
к
1
Предлагаемая автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства с автоматическим регулятором давления непрерывного действия (фиг.4) содержит компрессор 1, приводимый от вала гидрообъемного двигателя 2, питаемого от регулируемого гидрообъемного насоса 3, вал которого соединен с валом теплового двигателя 4. При этом расход масла через гидродвигатель 2, а значит, и частота вращения его вала и вала компрессора 1 ω изменяются путем изменения подачи регулируемого гидрообъемного насоса 3, положением распределительной шайбы которого управляет шток 5 мембранного пневматического привода 6, положение которого зависит от давления воздуха р в камере под мембраной 7 и силы измерительной пружины 8. Силу затяжки измерительной пружины 8 можно изменять с помощью регулировочной гайки 9. Давление в полость под мембраной 7 подводится из пневматической системы 10 тягового транспортного средства, расход воздуха из которой Q зависит от режимов работы пневматических устройств тягового транспортного средства. Мембрана 7, измерительная пружина 8, регулировочная гайка (гайка задания) 9 и шток 5 образуют управляющий орган автоматического регулятора давления. Гидрообъемный привод компрессора содержит также охладитель масла 11, фильтр масла 12 и масляный бак 13.
Если необходимо иметь частоту вращения вала гидронасоса 3, отличную от частоты вращения вала теплового двигателя 4, или иметь частоту вращения вала компрессора 1, отличную от частоты вращения вала гидродвигателя 2, применяются зубчатые редукторы.
к
к1
2макс,
к
к
к1
к
к
2
2
1
к
к
к2
2
к
к макс
2
1
к1
к2.
Предлагаемая автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства работает следующим образом. При р ниже р (фиг.3 и 4) пружина 8 удерживает мембрану 7 и шток 5 в крайнем нижнем положении. При этом регулируемый гидрообъемный насос 3 имеет максимальную подачу, а вал гидродвигателя и вал компрессора 1 вращаются с максимальной частотой. Компрессор 1 имеет максимальную подачу Q и давление р повышается. После достижения р значения р сила давления воздуха р на мембрану 7 управляющего органа становится больше силы измерительной пружины 8. Мембрана 7 начинает прогибаться вверх и поднимает шток 5. Это приводит к повороту распределительной шайбы гидронасоса 3, к уменьшению его подачи, к уменьшению расхода масла через гидродвигатель 2, к уменьшению частоты вращения ω и подачи Q компрессора 1. Когда подача Q компрессора 1 станет равной расходу Q, наступит установившийся режим работы автоматической системы регулирования давления и р будет постоянным. Если р становится равным р, управляющий орган 6 обеспечивает уменьшение подачи масла до нуля, гидродвигатель 2 и компрессор 1 останавливаются и подача компрессора Q становится равной нулю. Поскольку компрессор 1 дает заметную подачу при частоте вращения ω>(0,13-0,17)ω, то автоматическую систему регулирования давления можно настроить так, чтобы гидродвигатель 2 останавливался при достижении этой минимальной частоты вращения (фиг.3). Таким образом, при разных расходах воздуха из пневматической системы тягового транспортного средства автоматическая система регулирования давления всегда будет поддерживать подачу Q компрессора 1, равную расходу Q из пневматической системы при изменении давления в диапазоне от р до р
к
Автоматический регулятор давления непрерывного действия, примененный в предлагаемой автоматической системе регулирования давления, является статическим, имеет простую схему и конструкцию, где функции датчика давления выполняют мембрана 7 и измерительная пружина 8 управляющего органа. Этот датчик давления преобразует изменение регулируемой величины - давления р - в изменение положения распределительной шайбы регулируемого гидронасоса 3.
Технический результат достигается за счет того, что автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства содержит пневматическую систему, соединенную с компрессором, управляющий орган непрерывного действия. Вал компрессора приводится от вала гидрообъемного двигателя, связанного трубопроводами с гидрообъемным насосом, фильтром масла и масляным баком. Гидрообъемный насос, вал которого приводится от вала теплового двигателя, связан трубопроводом с охладителем масла, который в свою очередь связан трубопроводами с фильтром масла и масляным баком. Управляющий орган непрерывного действия представляет собой мембранный пружинный одностороннего действия привод, имеющий регулировочную гайку, шток которого соединен с распределительной шайбой регулируемого гидронасоса, а мембранная камера соединена трубопроводом с пневматической системой тягового транспортного средства. Этим поддерживается постоянное давление сжатого воздуха в пневматической системе тягового транспортного средства, а не подача компрессора.
Список использованных источников
1. Патент РФ 2254249. Система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства / Н.М.Луков, О.Н.Ромашкова, А.С.Космодамианский, И.А.Алейников. - Опубл. 20.06.05, БИ №17.
2. Патент РФ 2239220. Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства / Н.М.Луков, О.Н.Ромашкова, А.С.Космодамианский, И.А.Алейников. - Опубл. 27.10.04, БИ №30.
3. Тепловозы. Конструкция, теория и расчет. / Под ред. Н.И.Панова. - М.: Машиностроение, 1976. - 544 с.
4. Шарунин А.А. Эксплуатационные испытания локомотивных компрессоров ПК-35 и ПК-3,5. Труды ЦНИИ МПС, 1970, вып.413.
5. Луков Н.М., Космодамианский А.С. Автоматические системы управления локомотивов: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007. - 429 с.
6. Банников В.А., Маньшин А.П. Влияние режимов работы компрессоров на износ деталей цилиндропоршневой группы и расход смазки. - Коломна, Труды ВНИТИ, 1983, вып.58.
7. Цыкунов Ю.И. Результаты испытаний на износ компрессоров ПК-35 и ПК-3,5. - М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, Транспортное машиностроение, 1968, вып.13.