2. Исследование динамики системы автоматического регулирования частоты вращения

2.1. Устройство и принцип действия регулятора

Согласно требованиям морского Регистра судоходства каждый главный двигатель должен иметь регулятор, отрегулированный таким образом, чтобы частота вращения двигателя не могла превысить номинальную частоту вращения более чем на 15 %.

Управление главным двигателем при изменениях внешней нагрузки гребного винта осуществляется с помощью всережимного автоматического центробежного гидравлического регулятора непрямого действия типа PG-58 (рис. 2.1.) с дифференциальным сервопоршнем. Регулятор развивает перестановочное усилие 58 футо-фунтов или 8 кгс/м. Он предназначен для поддержания заданного скоростного режима и обеспечения ДАУ судовым двигателем. В процессе стабилизации скоростного режима регулятор может ограничивать подачу топлива в двигатель при увеличении нагрузки в зависимости от заданных частоты вращения и давления воздуха наддува.

Основными элементами регулятора являются: приводной масляный насос 25, аккумуляторы 26, центробежные грузы 2, пружина задания 1 управляющий золотник 3; изодромная обратная связь, состоящая из поршня изодрома 4 и иглы изодрома 5; сервомотор изменения задания частоты вращения, с поршнем 6 и штоком поршня 7; рычаги 8, 10, 13, 14, 19; тяга 9, болт 11 ограничителя топливоподачи по заданным оборотам и шток управляющего золотника 12; сервомотор 15 и сильфон 16 ограничителя топливоподачи по давлению воздуха наддува; рукоятка ручного задания частоты 17, кронштейн 18 и ролик 22; сильфон управляющего воздуха, золотник 21, серьга 23 и поршень задания частоты 24.

Принцип действия и настройка регулятора заключается в следующем. При увеличении нагрузки на двигатель происходит уменьшение частоты

Рис. 2.1. Принципиальная схема регулятора фирмы Woodward типа PG-58

вращения. Центробежные грузы 2 сходятся, муфта и управляющий золотник 3 под действием пружины 1 опускаются вниз. Поле золотника открывает окно во втулке для прохода масла постоянного давления по каналу в нижнюю полость поршня 4, который перемещается вверх на увеличение подачи топлива.

Одновременно с этим в результате возникновения перепада давлений на верхнем компенсирующем пояске золотника 3 последний поднимется вверх в исходное положение и поршень сервомотора остановится. После этого поршень 4 изодрома под действием своей правой сжатой пружины будет двигаться влево, вытесняя масло через дроссельный клапан 5 из левой полости поршня изодрома в правую. Когда поршень изодрома 4 вернется в свое исходное положение, перепад давлений на компенсирующем пояске золотника 3 станет равным нулю и действие изодромной обратной связи прекратится.

При уменьшении нагрузки двигателя его число оборотов будет увеличиваться и под действием центробежных грузов 2 управляющий золотник 3 поднимется вверх. При этом нижний регулирующий поясок золотника сообщит левую полость поршня изодрома 4 со сливом и поршень 6 сервомотора под действием масла, поступающего в его верхнюю полость от аккумулятора, начнет двигаться вниз, вытесняя масло в правую часть поршня изодрома 4 и перемещая его влево, а топливную рейку – на уменьшение подачи топлива в двигатель.

В результате возникновения перепада давлений на верхнем компенсирующем пояске золотника 3, он опустится вниз и поршень 6 сервомотора остановится. После этого поршень 4 изодрома под действием своей левой сжатой пружины будет двигаться вправо, вытесняя масло через дроссельный клапан 5 из правой полости поршня изодрома в левую. Когда поршень 4 вернется в свое исходное среднее положение, перепад давлений на верхнем компенсирующем пояске золотника 3 станет равным нулю и действие изодромной обратной связи прекратится.

Время изодрома определяется гидравлическим сопротивлением, создаваемым дроссельным клапаном 5. Оно должно соответствовать времени, в течение которого в результате изменения регулятором топливоподачи произойдет восстановление заданной частоты вращения вала двигателя. При этом переходные процессы по изменению числа оборотов будут плавными и короткими по времени.

Дистанционное задание скоростного режима двигателя из РР осуществляется путем изменения давления управляющего воздуха в полости над сильфоном 20. При задании повышенной частоты вращения двигателя давление управляющего воздуха увеличивается, сильфон сжимается и опускает вниз серьгу 23 с золотником 21. Поле золотника 21 открывает окно во втулке для прохода масла постоянного давления в верхнюю полость сервомотора задания частоты вращения. Поршень 24 перемещается вниз, сжимая пружину задания 1. В результате этого усилие пружины 1 становится больше центробежной силы грузов 2, и муфта вместе с управляющим золотником 3 опускается вниз. При движении поршня 24 вниз его шток оказывает воздействие на рычаг 19, который, поворачиваясь вокруг опоры 20, увеличивает усилие пружины, связывающей его с серьгой 23. Серьга возвращает золотник 21 в среднее положение, канал подвода масла в верхнюю полость сервомотора перекрывается, и движение поршня 24 вниз прекращается. В результате перемещения управляющего золотника 3 вниз происходит перемещение поршня 6 вверх на увеличение подачи топлива в двигатель. Под действием центробежных грузов и обратной связи управляющий золотник 3 возвращается в исходное положение, и поршень 6 останавливается. Увеличение топливоподачи приводит к повышению частоты вращения двигателя в соответствии с новым заданием. При уменьшении задания частоты вращения регулятор уменьшит топливоподачу и переведет регулятор на пониженный скоростной режим аналогичным образом.

С помощью болта 27 ограничивают задание минимальной скорости регулятора. Положение его нижней части должно быть на 1,2 мм выше положения верхнего торца поршня 24 при задании минимальной частоты вращения, при которой обеспечивается устойчивая работа двигателя. Посредством болта 28, воздействующего на шариковый клапан 29, устанавливается максимально возможный уровень задания частоты вращения.

При отсутствии пневмосигнала дистанционного управления осуществляют переход на ручное изменение задания скоростного режима с помощью кнопки 17, вращение которой по часовой стрелке приводит к увеличению заданного значения частоты вращения [4].

2.2. Разработка функциональной схемы системы автоматического регулирования и формирование ее математической модели.

Для формирования математической модели САР составим функциональную схему САР регулирования частоты вращения вала главного двигателя с заданным регулятором.

Рис. 2.2.1. Функциональная схема контура автоматического регулирования частоты вращения вала главного двигателя

Для составления математической модели запишем следующие уравнения функциональных элементов регулятора и уравнение ГД.

Объект регулирования		(2.1)
Привод регулятора		(2.2)
Чувствительный элемент		(2.3)
Исполнительный механизм		(2.4)
Гибкая обратная связь		(2.5)
Привод ТНВД		(2.6)
Задающее устройство		(2.7)
Сумматор		(2.8)