Гидромеханический регулятор с жесткой обратной связью

Обратной связью, как известно, называется устройство, передающее выходное воздействие какого-либо звена системы регулирования на какое-либо звено, предшествующее первому по цепи регулирования. В гидромеханическом регуляторе обычно используется воздействие исполнительного органа – поршня сервомотора на измерительный орган. Оно может быть осуществлено путем соединения исполнительного органа либо с золотником (рис. 3.9), либо с опорой пружины. По кинематической схеме регулятор с жесткой обратной связью отличается от астатического регулятора (рис. 3.8а) тем, что конец С рычага 9 соединен шарнирно не с неподвижной опорой, а с рычагом 11, связанным с поршнем 14 сервомотора. Вследствие этого рычажная система соединяет муфту 4 и золотник 10 с поршнем 14.

В новом установившемся режиме, например, после уменьшения момента сопротивления, золотник 10 возвращается в первоначальное положение. Поршень 14 занимает новое положение, соответствующее уменьшенной подаче топлива, т. е. точка С опускается в рассматриваемом примере вниз. Это возможно лишь при перемещении точки А вверх, т. е. при увеличении угловой скорости. Регулятор является статическим и характеристика его подобна характеристике регулятора прямого действия.

Система уравнений движения регулятора с жесткой обратной связью состоит, как и для астатического регулятора, из уравнения (3.3) измерителя, уравнения (3.7) или (3.8) сервомотора и уравнения связи, но последнее должно быть изменено.

Пусть рычаг 9 (см. рис. 3.9) занимает в установившемся режиме положение АВС (рис. 3.10) и в переходном процессе – положение A₁B₁С₁. Перемещение рычага можно представить состоящим из двух поворотов: около точки С до положения A₁С и около точки A₁ до A₁C₁. Пренебрегая разницей между дугами и хордами, можно найти смещение золотника от установившегося положения из уравнения

, (3.11)

которое является уравнением жесткой обратной связи.

Определим условия устойчивой работы, пренебрегая, как и ранее, инерцией и трением в измерительном органе. Исключая из системы уравнений (3.1), (3.5), (3.7) и (3.11) переменные ∆и, ∆x; и ∆z, получим после преобразований:

(3.12)

Из сравнения уравнений (3.12) и (3.10) следует, что введение жесткой обратной связи существенно расширяет области устойчивой работы, которая возможна при некоторых значениях A_д<0, если В > 0, и, наоборот, при B< 0, если A_д > 0.

Условие апериодического процесса определяется неравенством

.

Уменьшение а_с, т. е. смещение точки В вправо (см. рис. 3.9), облегчает возможность апериодического процесса. Установившееся отклонение угловой скорости

.

Преимущества гидромеханического регулятора в сравнении с регулятором прямого действия заключаются в уменьшении нечувствительности и возможности снижения массы грузов вследствие уменьшения силы, требуемой для перемещения муфты. Однако конструкция его более сложна. Основным недостатком обоих регуляторов является наличие статизма.

Гидромеханический регулятор с гибкой обратной связью (изодромный регулятор)

Гибкая связь в гидромеханических регуляторах, часто называемая изодромом (в переводе с греческого «одинаковая скорость»), соединяет исполнительный орган регулятора с золотником или опорой пружины посредством поршней и маслопровода.

На рис. 3.11 представлена упрощенная кинематическая схема изодромного регулятора, наиболее часто применяемого на мощных тепловозах. Отличия от схемы (см. рис. 3.8а) в основном заключаются в добавлении золотниковой втулки 7 между золотником 6 и его корпусом, компенсационной пружины 13, игольчатого клапана 8 и компенсационного поршня 11 всервомоторе. Все эти детали вместе с дополнительными маслопроводами представляют собой гибкую обратную связь (изодром). Золотниковое устройство состоит из двух частей: собственно золотника 6, часто называемого плунжером, и золотниковой втулки 7.

При уменьшении нагрузки золотник 6, поднимаясь вместе с муфтой 4, открывает отверстие и поршень 10 начинает опускаться, уменьшая подачу топлива. Одновременно опускается компенсационный поршень 11. Над ним создается разрежение, вследствие чего появляется избыточное давление под поршнем золотниковой втулки 7 и игольчатым клапаном 8. Так как проходное отверстие игольчатого клапана весьма мало, пространство над компенсационным поршнем заполняется в основном жидкостью из пространства над поршнем золотниковой втулки, которая поднимается, сжимая пружину 13, и частично закрывает отверстие, открываемое поднимающимся золотником 6. Так же как и при жесткой обратной связи, в результате повышения скорости поршня 10 и золотниковой втулки 7 и снижения скорости муфты 4 увеличение отверстия прекращается и начинается уменьшение его. Однако, когда движение поршня 10 и муфты 4 к концу переходного процесса становится медленным, компенсационная втулка под действием сжатой пружины 13 возвращается в первоначальное положение за счет перетекания жидкости из полости под поршнем в верхнюю полость через игольчатый клапан.

В установившемся процессе компенсационная втулка всегда занимает положение, когда обе опоры пружины 13 соприкасаются с корпусом золотника, как изображено на рис. 3.11 Равновесное состояние регулятора возможно при возвращении золотника в первоначальное положение перекрытия отверстия. Таким образом, положение муфты и угловая скорость двигателя не зависят от положения поршня и нагрузки. Следовательно, регулятор по установившемуся режиму является астатическим, хотя в переходном процессе действует как статический.

Уравнение гибкой обратной связи (изодром) может быть выведено на основании следующих соображений.

При перемещении поршня 10 (см. рис. 3.11), например, вверх над компенсационным поршнем 11 создается избыточное по отношению к нижней полости давление, вследствие чего золотниковая втулка перемещается вниз, преодолевая усилие F_пр пружины. Часть жидкости перетекает через игольчатый клапан с проходным сечением f_и. Координату золотниковой втулки обозначим через у и положительным направлением будем считать перемещение ее вниз от нейтрального положения.

Расход жидкости через игольчатый клапан быть представлено уравнением

, (3.13)

где f_кп – рабочая площадь поршня 11; f_вв – верхняя рабочая площадь поршня золотниковой втулки; р_вв,.p_вн – давления жидкости сверху и снизу компенсационного поршня.

Пренебрегая трением, инерцией и падением давления в трубопроводах, можно написать уравнение равновесия сил, действующих на золотниковую втулку в равновесном положении:

р_вв f_вв=F_{к пр} - G_в+р_вн f_вн

где f_вн – нижняя рабочая площадь поршня золотниковой втулки; F_{к пр} – сила нажатия компенсационной пружины; G_в – вес частей, связанных с золотниковой втулкой.

Сила нажатия пружины зависит от ее начального натяжения в установившемся положении и от перемещения золотниковой втулки. Поэтому расход жидкости является нелинейной функцией координаты последней. Используя разложение в ряд Тейлора, можно представить расход жидкости через игольчатый клапан равенством

,

где f_иφ_{и уст} – расход жидкости в момент переходного процесса, когда золотниковая втулка занимает положение установившегося режима.

Подставив его в уравнение (3.13), получим линейное уравнение изодрома для движения поршня 10 вверх в абсолютных отклонениях: (3.14)

При перемещении поршней сервомотора вниз уравнение равновесия сил, действующих на золотниковую втулку, имеет вид

р_вн f_вн=F_{к пр}+G_в+р_вв f_вв . (3.15)

Расход жидкости через игольчатый клапан равен

.

Учитывая изменения направления сил и перемещений, можно написать линейное приближенное уравнение изодрома для движения поршня сервомотора вниз в абсолютных отклонениях

. (3.16)

Это уравнение отличается от уравнения (3.14) коэффициентами f_вн, и φ_{и 1уст}, которые при перемене направления движения золотниковой втулки изменяются вследствие изменения рабочей площади поршня золотниковой втулки и влияния ее веса. Можно так подобрать соотношение рабочих площадей компенсационного поршня и поршня золотниковой втулки, что коэффициенты уравнений (3.14) и (3.16) могут быть приблизительно одинаковыми.

Уравнение сервомотора изодромного регулятора отличается от уравнения (3.7) тем, что оно должно учитывать влияние компенсационного поршня. При движении поршня сервомотора вверх условие равенства сил, действующих на него, может быть представлено уравнением

р₁f₂=F_пр+R+f_кп(р_вв-р_вн)

Сечение проходного отверстия золотника зависит от разности перемещений золотника и золотниковой втулки. Линейным приближением этой зависимости является равенство

f₁=c₁(Δи-Δу). (3.17)

Расход жидкости через отверстие золотника равен

.

Используя уравнение (3.15), исключим переменное давление и получим уравнение изодрома

.

В подкоренном выражении правой части уравнения переменными являются силы пружин сервомотора и компенсационной, зависящие от положения поршня и золотниковой втулки соответственно. Если пренебречь их отклонениями, приняв средние значения, и использовать уравнение (3.17), можно получить линейное приближенное уравнение сервомотора при движении поршня вверх

.

Уравнение движения сервомотора при движении поршня вниз отличается в общем случае величиной коэффициента а₂, который можно в случае необходимости сделать одинаковым для обоих направлений.

Как следует из рассмотрения условий устойчивой работы теплового двигателя с различными системами регуляторов, увеличение коэффициента саморегулирования двигателя с нагрузкой всегда расширяет область устойчивой работы. При электрической передаче этот коэффициент в основном определяется характером зависимости магнитного потока генератора от угловой скорости и может в широких пределах изменяться путем выбора системы возбуждения генератора и характеристик ее элементов.

При движении поезда с ограниченной скоростью, одиночного локомотива или локомотива с малым числом вагонов, а также при разгоне поезда после остановки и т. п. полная мощность теплового двигателя не требуется. Для изменения ее в кабине машиниста предусматривается орган управления (рукоятка, педаль или кнопки), который посредством дистанционных приводов воздействует на режим работы теплового двигателя. Управление может быть ступенчатым, если орган управления и дистанционный привод имеют несколько определенных положений, или плавным, если привод может быть остановлен в любом положении.

Используются два основных способа воздействия на режим теплового двигателя: 1) изменение настройки регулятора скорости, т. е. изменения угловой скорости двигателя, и 2) принудительное перемещение реек топливных насосов, т. е. изменение подачи топлива. При первом способе все управление двигателем осуществляется через регулятор, который в этом случае называется многорежимным (при ступенчатом управлении) или всережимным (при плавном управлении). При втором способе настройка регулятора не изменяется, и он работает как регулятор безопасности, ограничивающий наибольшую угловую скорость двигателя, и как регулятор холостого хода при минимальной угловой скорости. Такой регулятор называется двухрежимным.