Система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства

Иллюстрации

Показать все

Изобретение относится к области совершенствования поршневых компрессорных установок тягового подвижного состава. Вал компрессора соединен с валом асинхронного двигателя, статорная обмотка которого подключена к синхронному генератору, приводимому от вала теплового двигателя, а роторная обмотка посредством выпрямителя подключена к якорной обмотке регулирующей машины постоянного тока, обмотка возбуждения которой соединена с первым блоком управления, соединенным с первым цифроаналоговым преобразователем, подключенным к первому выходу микропроцессорного контроллера, к первому входу которого посредством первого аналого-цифрового преобразователя подключен датчик давления в пневматической системе, а ко второму входу микропроцессорного контроллера посредством второго аналого-цифрового преобразователя подключен датчик скорости вращения вала компрессора. Второй выход микропроцессорного контроллера посредством второго цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления контактора подключения асинхронного двигателя к синхронному генератору, а третий выход микропроцессорного контроллера посредством третьего цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления тяговым транспортным средством. Технический результат заключается в обеспечении автоматического поддержания давления в пневматической системе тягового транспортного средства независимо от расхода воздуха, температуры и давления в атмосфере. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области совершенствования поршневых компрессорных установок тягового подвижного состава, например дизельного тягового подвижного состава, на котором компрессоры приводятся от теплового двигателя.

На дизельном тяговом подвижном составе применяются следующие приводы компрессоров: механический, неотключаемый от главного теплового двигателя; электрический, регулируемый релейно; гидродинамический с регулируемой муфтой; привод от вспомогательного теплового двигателя (неотключаемый).

На объект регулирования давления действуют внешние возмущающие воздействия: расход воздуха из пневматической системы Q1, температура Та и давление ρа атмосферного (всасываемого) воздуха. Для поддержания регулируемой величины - давления ρк в заданном диапазоне автоматический регулятор давления изменяет регулирующее воздействие - подачу воздуха Q2 в пневматической системе.

Релейный автоматический регулятор давления имеет статическую характеристику в виде петли, и при работе автоматической системы регулирования давления величина ρк изменяется в пределах от ρк1 до ρк2. Повышение давления, величина ρк от ρк1 до ρк2, осуществляется при работе компрессора с максимальной скоростью вращения вала ωк макс и максимальной подачей Q2 макс. При этом наблюдается максимальная скорость износа деталей цилиндро-поршневой группы компрессора и увеличенный расход смазки. Так уменьшение ωк 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. Результаты испытаний показывают, что скорость износа деталей компрессора возрастает как с увеличением ωк, так и с увеличением ρк, причем более сильное влияние на увеличение скорости износа оказывает давление ρк.

Известна автоматическая система регулирования давления воздуха в пневмосистеме тягового транспортного средства (тепловоза), в которой при достижении максимального давления в пневматической системе тепловоза релейный автоматический регулятор (фактически двухпредельное реле) давления подает сжатый воздух в цилиндр привода золотника управления наполнением гидродинамической муфты привода поршневого компрессора, золотник перемещается в положение, при котором прекращается подача масла в полость гидродинамической муфты [1, с.308; с.127, 218]. По мере опорожнения гидродинамической муфты компрессор замедляет ход и, наконец, останавливается. При достижении давления воздуха в главных воздушных резервуарах (в пневматической системе) тепловоза минимально допустимого значения релейный автоматический регулятор давления прекращает подачу сжатого воздуха в цилиндр привода золотника управления наполнением муфты, и возвратная пружина золотника перемещает его в положение, при котором осуществляется подача масла в полость гидродинамической муфты. Гидродинамическая муфта заполняется маслом, и вал компрессора вращается с максимальной скоростью. Это наиболее близкий аналог.

Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе с механическим или гидродинамическим приводами компрессора имеет малую монтажную гибкость из-за наличия валопровода между тепловым двигателем и компрессором. Для значительного увеличения монтажной гибкости применяют электрические (в основном, постоянного тока) приводы компрессоров. Однако все автоматические системы регулирования давления в пневматической системе тяговых транспортных средств с электрическим приводом компрессоров - релейного действия. Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе непрерывного действия позволяет не только значительно уменьшить скорость износа деталей цилиндро-поршневой группы и расход смазки, но имеет большую монтажную гибкость, что очень важно для облегчения размещения оборудования.

Задача заявленного изобретения - уменьшить износ деталей цилиндро-поршневой группы компрессора и уменьшения расхода смазки.

Сущность заявленного изобретения состоит в том, что

- вал компрессора соединен с валом асинхронного двигателя, статорная обмотка которого подключена к синхронному генератору, приводимому от вала теплового двигателя, а роторная обмотка посредством выпрямителя подключена к якорной обмотке регулирующей машины постоянного тока, обмотка возбуждения которой соединена с первым блоком управления, соединенным с первым цифроаналоговым преобразователем, подключенным к первому выходу микропроцессорного контроллера, к первому входу которого посредством первого аналого-цифрового преобразователя подключен датчик давления в пневматической системе, а ко второму входу микропроцессорного контроллера посредством второго аналого-цифрового преобразователя подключен датчик скорости вращения вала компрессора, второй выход микропроцессорного контроллера посредством второго цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления контактора подключения асинхронного двигателя к синхронному генератору, а третий выход микропроцессорного контроллера посредством третьего цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления тяговым транспортным средством;

- в нагнетательный канал компрессора включен разгрузочный клапан, соединенный посредством четвертого цифроаналогового преобразователя с четвертым выходом микропроцессорного контроллера;

- статорная обмотка асинхронного двигателя подключена к машинному расщепителю фаз, соединенному с понижающим трансформатором, или к преобразователю напряжения и частоты постоянных значений, питающему вспомогательное оборудование;

- асинхронный двигатель и регулирующая машина постоянного тока выполнены в виде однокорпусного агрегата, на валу которого смонтирован между ротором и кольцами асинхронного двигателя якорь регулирующей машины постоянного тока, а в общей станине смонтированы статоры асинхронного двигателя, регулирующей машины постоянного тока и выпрямителя.

На фиг.1 показана статическая характеристика релейного автоматического регулятора давления.

В пневматической системе при работе автоматической системы регулирования давление ρк изменяется в пределах от ρк1 до ρк2. Компрессор включается при ρкк1 и отключается при ρкк2. При этом компрессор работает с максимальной подачей сжатого воздуха Q2 макс и максимальной скоростью вращения вала ωк макс.

На фиг.2 - статические характеристики автоматического регулятора давления непрерывного действия.

Статическая характеристика 1 - при увеличении давления сжатого воздуха в пневматической системе от ρк1 до ρк2 скорость вращения вала компрессора уменьшается от ωкмакс до ωк=0.

Статическая характеристика 2 - при увеличении давления сжатого воздуха в пневматической системе от ρк1 до ρк2 скорость вращения вала компрессора уменьшается от ωк макс до ωк2=(0,12-0,17)ωк макс.

На фиг.3 представлена принципиальная схема автоматической системы регулирования давления в пневматической системе дизельного тягового транспортного средства, где показаны: 1 - компрессор; 2 - асинхронный двигатель; 3 - регулирующая машина постоянного тока; 4 - синхронный генератор; 5 - тепловой двигатель (дизель); 6 - выпрямитель; 7 - пневматическая система; 8 - датчик давления; 9 - первый аналого-цифровой преобразователь; 10 - программируемый микропроцессорный контроллер; 11 - датчик скорости вращения; 12 - второй аналого-цифровой преобразователь; 13 - первый цифроаналоговый преобразователь; 14 - первый блок управления; 15 - обмотка возбуждения регулирующей машины постоянного тока; 16 - второй цифроаналоговый преобразователь; 17 - второй блок управления; 18 - контактор; 19 - третий цифроаналоговый преобразователь; 20 - третий блок управления.

На фиг.4а показана линией 1 зависимость относительной мощности компрессора от относительной скорости вращения вала компрессора.

На фиг.4б показана зависимость относительного вращающего момента на валу компрессора от относительной скорости вращения вала компрессора.

На фиг.4в линии 3, 4 и 5 соответственно показывают зависимости относительной мощности компрессора, относительной мощности скольжения асинхронного двигателя и относительной мощности на валу асинхронного двигателя от относительной скорости вращения вала компрессора и скольжения асинхронного двигателя.

На фиг.5 представлена конструктивная схема комплексного агрегата, объединяющего в одном корпусе асинхронный двигатель, регулирующую машину постоянного тока и выпрямитель, где 21 - статор асинхронного двигателя; 22 - ротор асинхронного двигателя; 23 - якорь регулирующей машины постоянного тока; 24 - обмотка возбуждения регулирующей машины постоянного тока; 25 - коллектор регулирующей машины постоянного тока; 26 - щетки регулирующей машины постоянного тока; 27 - выпрямитель; 28 - контактные кольца; 29 - щетки асинхронного двигателя; 30 - станина (корпус) агрегата; 31 - вал агрегата.

На фиг.6 представлена принципиальная схема автоматической системы регулирования давления в пневматической системе дизельного тягового транспортного средства с разгрузочным клапаном, где 1 - компрессор; 2 - асинхронный двигатель; 3 - регулирующая машина постоянного тока; 4 - синхронный генератор; 5 - тепловой двигатель (дизель); 6 - выпрямитель; 7 - пневматическая система; 8 - датчик давления; 9 - первый аналого-цифровой преобразователь; 10 - программируемый микропроцессорный контроллер; 11 - датчик скорости вращения; 12 - второй аналого-цифровой преобразователь; 13 - первый цифроаналоговый преобразователь; 14 - первый блок управления; 15 - обмотка возбуждения регулирующей машины постоянного тока; 16 - второй цифроаналоговый преобразователь; 17 - второй блок управления; 18 - контактор; 19 - третий цифроаналоговый преобразователь; 20 - третий блок управления; 32 - разгрузочный клапан; 33 - четвертый цифроаналоговый преобразователь.

Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства работает следующим образом. При ρк ниже ρ1 (см. фиг.2 и 3) ток возбуждения регулирующей машины постоянного тока 3 равен нулю и валы асинхронного двигателя 2, регулирующей машины постоянного тока 3 и компрессора 1 вращаются со скоростью ωк макс, компрессор имеет подачу Q2 макс и давление ρк повышается. При достижении ρк значения ρк1 начинается регулирование ωк изменением тока возбуждения регулирующей машины постоянного тока 3. Если при установившейся скорости ωк увеличить ток возбуждения регулирующей машины постоянного тока, то возрастет ее ЭДС, что приведет к уменьшению тока в цепи выпрямителя 6 и в роторной обмотке асинхронного двигателя 2. В результате уменьшится вращающий момент асинхронного двигателя и скорость ωк начнет уменьшаться. Уменьшение ωк происходит до тех пор, пока момент, развиваемый асинхронным двигателем и регулирующей машиной постоянного тока, не возрастет до значения момента сопротивления компрессора 1 и ток в выпрямительной цепи не достигнет установившегося значения. При этом ωк будет меньше, чем до увеличения тока возбуждения регулирующей машины постоянного тока. Наоборот, при уменьшении тока возбуждения регулирующей машины постоянного тока ωк увеличится. Повышение ρк приводит к увеличению тока возбуждения регулирующей машины постоянного тока, уменьшению ωк и подаче компрессора Q2. Когда подача компрессора Q2 станет равной расходу Q1, наступит установившийся режим работы автоматической системы регулирования давления и ρк будет постоянным.

Если ρк становится равным ρк2, ток возбуждения регулирующей машины постоянного тока становится максимальным, компрессор останавливается и подача его становится равной нулю. Таким образом, при разных расходах воздуха из пневматической системы тягового транспортного средства автоматическая система регулирования давления всегда будет поддерживать подачу Q2, равную расходу Q1, при изменении давления в диапазоне от ρк1 до ρк2.

Управляющая программа бортового микропроцессорного контроллера 15 содержит требуемый алгоритм работы автоматического регулятора давления. Например, программа может содержать такое задание: при скорости уменьшения ρк больше заданного значения микропроцессорный автоматический регулятор давления должен быстро увеличить ωк и подачу компрессора Q2 до максимальных значений. Эта функция не может быть реализована в известных автоматических системах регулирования давления в пневматических системах тяговых транспортных средств.

Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства является замкнутой автоматической энергетической системой. Известно, что такие системы при определенном сочетании значений статических и динамических параметров их элементов, условий и режимов работы могут работать некачественно и даже неустойчиво, например в режиме автоколебаний. Задачи обеспечения устойчивости и качественной работы микропроцессорных систем решаются программными средствами с использованием методов теории автоматических систем.

В предлагаемой автоматической системе регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства с электрическим приводом компрессора непрерывного действия (см. фиг.3) компрессор 1 приводится от вала асинхронного двигателя 2, соединенного с валом регулирующей машины постоянного тока 3 (фиг.4). Статорная обмотка асинхронного двигателя 2 подключена к статорной обмотке синхронного генератора 4, приводимого от вала теплового двигателя 5, а роторная обмотка асинхронного двигателя 2 подключена к выпрямителю 6. Давление ρк в пневматической системе 7 измеряется датчиком давления 8, подключенным посредством первого аналого-цифрового преобразователя (АЦП1) 9 к первому входу микропроцессорного программируемого контроллера 10. Скорость вращения вала асинхронного двигателя 2, регулирующей машины постоянного тока 3 и компрессора 1 ωк измеряется датчиком скорости вращения 11, подключенным посредством второго аналого-цифрового преобразователя (АЦП2) 12 ко второму входу микропроцессорного программируемого контроллера 10. Микропроцессорный программируемый контроллер 10 посредством первого цифроаналогового преобразователя (ЦАП1) 13 соединен с первым блоком управления 14, подключенным к обмотке возбуждения 15 регулирующей машины постоянного тока 3, посредством второго цифроаналогового преобразователя 16 - со вторым блоком управления 17 контактором 18, и посредством третьего цифроаналогового преобразователя 19 - с третьим блоком управления 20 теплового двигателя 5.

Анализ отдельных видов потерь в тормозных компрессорах тяговых транспортных средств и обобщение результатов экспериментальных исследований показывают, что при работе поршневых компрессоров с переменной ωк и постоянным ρк характеристики их имеют вид, представленный на фиг.4 (зависимости относительных мощности компрессора - линии 1 и 3, момента - линия 2, мощности скольжения асинхронного двигателя - линия 4 и мощности на валу асинхронного двигателя - линия 5, от относительной ωк). Из чертежа видно, что мощность, потребляемая компрессором, пропорциональна ωк и в диапазоне относительно ωк=(0-0,17)ωк макс она практически равна нулю. Максимальная мощность скольжения асинхронного двигателя при S=0,4 и она в пять раз меньше номинальной мощности компрессора. Мощность скольжения асинхронного двигателя возвращается на вал компрессора с помощью регулирующей машины постоянного тока, поэтому мощность на валу асинхронного двигателя изменяется по характеристике 5. При относительных ωк, близким к 1,0, момент на валу компрессора создается главным образом асинхронным двигателем, но по мере снижения ωк все большую часть нагрузки воспринимает регулирующая машина постоянного тока. Однако, так как с уменьшением ωк уменьшается мощность компрессора, то мощность скольжения асинхронного двигателя и мощность регулирующей машины постоянного тока уменьшаются.

Предлагаемый электрический привод компрессора характеризуется рядом положительных качеств: 1) этот привод представляет собой привод переменного тока, т.е. подключается непосредственно к источнику переменного тока без промежуточных преобразователей; преобразователи в роторной цепи служат лишь для регулирования скорости вращения; 2) основу привода составляет асинхронный двигатель, более простой, надежный и не требующий такого ухода в эксплуатации, как машины постоянного тока; 3) этот привод экономичен, поскольку КПД асинхронного двигателя несколько выше КПД машины постоянного тока, а преобразованию подвергается лишь часть энергии, пропорциональная скольжению; 4) привод обеспечивает плавное регулирование скорости и момента и не требует большого количества силовой контактной аппаратуры; 5) привод имеет малую мощность управления, легко поддается автоматизации, обладает хорошими динамическими качествами; КПД и коэффициент мощности такого привода мало зависят от ωк, а определяются главным образом моментом компрессора; при изменении ωк в рабочем диапазоне эти коэффициенты изменяются в пределах 0,80-0,85.

Предлагаемый электрический привод компрессора значительно выигрывает по своим техническим и эксплуатационным качествам, если асинхронный двигатель, регулирующая машина постоянного тока и выпрямитель выполняются в виде одного комплексного агрегата, конструктивная схема которого приведена на фиг.5.

С целью уменьшения времени разгона при пуске электрического привода компрессора в микропроцессорной автоматической системе регулирования давления применен разгрузочный клапан 32, подключенный посредством четвертого цифроаналогового преобразователя (ЦАП4) 33 к четвертому выходу микропроцессорного контроллера 10 (см. фиг.6). При включении с помощью контактора 16 электрического привода компрессора включается клапан 32 и соединяет нагнетательную полость компрессора 1 с атмосферой. При достижении ωк, например, значения ωк=(0,13-0,17)ωк макс клапан 32 выключается и компрессор подает сжатый воздух в пневматическую систему 7. Однако несмотря на применение в релейных автоматических системах регулирования давления разгрузочных клапанов, наблюдается большое число выходов из строя электрических приводов компрессора на электровозах по причине сгорания обмоток электродвигателей [2].

Технический результат от применения предлагаемой непрерывной автоматической системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства заключается также в значительном уменьшении скорости износа деталей цилиндро-поршневой группы компрессора и уменьшении расхода смазки при непрерывном регулировании давления ρк наиболее эффективным способом - плавным изменением скорости вращения вала компрессора ωк, при этом уменьшается время работы компрессора при максимальной скорости вращения ωк макс и максимальном давлении ρк макс.

Источники информации

1. Тепловозы. Конструкция, теория и расчет. / Под ред. Н.И.Панова. - М.: Машиностроение, 1976. - 544 с.

2. Маныпин А.П. Обобщение опыта эксплуатация быстроходных транспортных компрессоров. Труды ВНИТИ, 1973, Вып.38.

1. Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства, содержащая компрессор, соединенный с валом регулирующей машины постоянного тока, отличающаяся тем, что вал компрессора соединен с валом асинхронного двигателя, статорная обмотка которого подключена к синхронному генератору, приводимому от вала теплового двигателя, а роторная обмотка посредством выпрямителя подключена к якорной обмотке регулирующей машины постоянного тока, обмотка возбуждения которой соединена с первым блоком управления, соединенным с первым цифроаналоговым преобразователем, подключенным к первому выходу микропроцессорного контроллера, к первому входу которого посредством первого аналого-цифрового преобразователя подключен датчик давления в пневматической системе, а ко второму входу микропроцессорного контроллера посредством второго аналого-цифрового преобразователя подключен датчик скорости вращения вала компрессора, второй выход микропроцессорного контроллера посредством второго цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления контактора подключения асинхронного двигателя к синхронному генератору, а третий выход микропроцессорного контроллера посредством третьего цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления тяговым транспортным средством.

2. Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что в нагнетательный канал компрессора включен разгрузочный клапан, соединенный посредством четвертого цифроаналогового преобразователя с четвертым выходом микропроцессорного контроллера.