Курс_АСУ_2013

21

Для определения постоянной времени двигателя необходимо определить момент инерции вращающихся масс контура «двигатель – валопровод – винт» с учетом присоединенных масс воды.

Для решения данной задачи студент должен используя схему моментов (рис. 3) и конструктивные данные КШМ двигателя (рис. 4)

провести следующие расчеты абсолютных и относительных величин моментов инерции: расчет момента инерции КШМ ГД, расчет момента инерции вращающихся масс винта с учетом присоединенных масс воды.

Прочие моменты инерции (см. рис. 3) примем известными (указаны в подрисуночной надписи).

Примем с некоторым допущением, что суммарное относительное значение момента инерции КШМ и винта в контуре «двигатель – валопровод – винт» составляет Өf+Өкшм= 0,325.

3.8.4.1. Расчет момента инерции вращающихся деталей главного двигателя (КШМ).

Для расчета момента инерции вращающихся деталей главного двигателя,

за исключением маховика, воспользуемся методикой, заключающейся в разложении масс на поступательно и вращательно движущиеся составляющие. Исходные данные для расчета определяются в соответствии с вариантом двигателя в курсовой работе.

Момент инерции сборочного узла «поршень – шатун – колено вала» определяется по формуле [14 ]:

Өкшм≈ Өк+0,00051r2[Gп +(2-kш )Gш],

где Өк - момент инерции массы колена кривошипа, кг·см·с2, r – радиус кривошипа, см; Gп , Gш – масса поршня и шатуна, кг; kш = 0,6 -

коэффициент, характеризующий долю массы шатуна, отнесенную к поршневой головке (определяется по формуле В.П.Терских [15]).

21

22

Рис. 3. К определению момента инерции вращающихся масс пропульсивного комплекса «дизель-валопровод-винт»

Өкшм=? - момент инерции КШМ двигателя (требует расчета); Өb=0,3 - момент инерции маховика; Өр1=0,05; Өр2 =0,05моменты инерции

редуктора; Өм1=0,1; Өм2 =0,1 - моменты инерции муфты; Өвп=0,075 - момент инерции валопровода; Өf=? - момент инерции винта (требует расчета)

Для расчета инерционных характеристик КШМ выбираются

исходные данные, указанные в задании на курсовую работу по последней

цифре шифра (таблица 2).

Момент инерции колена кривошипа (см. рис. 2) складывается из момента инерции шатунной шейки и двух щек, кг·см·с2.

Өк= Өшш+Өщ

Момент инерции шатунной шейки определится по формуле, кг·см·с2:

22

23

где γ - удельный вес материала шейки, γ = 0,00780 кг/см3; g - ускорение свободного падения, g= 981 см/сек2 ; d2 - диаметр шатунной шейки, см; l2 -

длина шатунной шейки, см; r - радиус кривошипа, см.

Рис. 4. Обозначения размеров, используемых при расчете момента инерции КШМ

Момент инерции щек коленчатого вала определяется по формуле, кг·см·с2:

где yср=b·h - значение средней площади сечения щеки, см2; R-

приведенный радиус вращения щеки, см, примем равным r.

Зная моменты инерции двух щек и одного колена кривошипа, далее следует определить момент инерции всего КШМ коленчатого вала с учетом количества цилиндров.

3.8.4.2. Момент инерции винта определяется по эмпирической формуле, кг·см·с2

где A/A0 - дисковое отношение винта.

Для определения момента инерции присоединенных масс воды воспользуемся эмпирической формулой, кг·см·с2:

m 6,7 10 10 D5 a' 0,1 a' 0,5 ,

где a’= (A/A0 )·(H/D) - коэффициент - произведение дискового и шагового отношений винта.

23

24

Откуда момент инерции винта, с учетом присоединенных масс воды равен, кг.см.с2:

Өf = Өm + Өв.

Далее можно определить момент инерции всего контура.

По результатам расчетов необходимо представить схему моментов с нанесенными значениями относительных и абсолютных величин моментов инерции в точках приведения (формат А4) и сборочный чертеж КШМ -

шатун поршень, с размерами, используемыми при расчетах инерционных характеристик (формат А4).

При представлении результатов расчета необходимо использовать единицы измерения СИ, где 1 кг·см·с2 = 9,8067 кг·м2

3.8.5. Определение параметров установившегося режима. По исходным данным, приведенным в таблице 4, могут быть построены статические характеристики ГД и нагрузки в виде винтовой характеристики (рис. 2). Точка пересечения характеристик О характеризует установившийся режим ГД по частоте вращения (и только по частоте вращения).

Определив координаты точки О (Ро, ωо), можем произвести вычисление постоянных величин уравнения динамики ГД - коэффициента самовыравнивания β и постоянной времени Та .

3.8.6. Параметры дифференциального уравнения динамики ГД.

Определение момента инерции вращающихся масс является заключительным этапом перед численным определением всех параметров уравнения динамики дизеля без наддува. Порядок выполнения вычислений следующий.

Постоянная времени двигателя Та определяется по формуле

Та=J/FP

Коэффициент самовыравнивания [5] с учетом полученного фактора устойчивости Fр

24

25

где Ре - номинальное значение мощности ГД, в относительных единицах; ω

– номинальное значение угловой частоты вращения вала ГД, в

относительных единицах.

3.9. Расчет устойчивости САРЧ

3.9.1. Определение передаточной функции регулятора и САРЧ.

Передаточная функция регулятора определяется по известным передаточным функциям отдельных элементов и входному сигналу. Для записи передаточной функции сложной структурной схемы ее следует преобразовать в соответствии с правилами преобразования структурных схем [13]. Для этого студент самостоятельно преобразует принципиальную схему регулятора в структурную схему (см.п.3.7).

Структурная схема представляет собой замкнутую систему, которая состоит из звена объекта регулирования – двигателя, - охваченного главной обратной связью, соединяющей выходной параметр ОР – частоту вращения – с входным параметром – положением рейки ТНВД. В главную обратную связь включено управляющее устройство – регулятор частоты вращения. Входным параметром регулятора является частота вращения, а

выходным положение выходного органа регулятор (выходного вала или выходного штока/тяги).

3.9.2. Исследование устойчивости САРЧ.

3.9.2.1 Для исследования устойчивости систем автоматического регулирования с помощью критерия Рауса–Гурвица необходимо иметь характеристическое уравнение САРЧ. Для получения характеристического уравнения необходимо, прежде всего, записать передаточную функцию замкнутой системы (см. рис. 1):

25

26

Характеристическое уравнение определяется путем приравнивания к нулю знаменателя передаточной функции замкнутой системы

1+Wоб(s)Wр(s)=0.

Пример 1. Допустим, что заданы следующие передаточные функции

объекта и регулятора

При известных значениях передаточных функций звеньев: объекта и регулятора, - получим

5s3 10s2 5s 15 Wсар(s) 2s4 4s3 2s2 21s 10 ,

откуда характеристическое уравнение запишется в виде

2s4 + 4s3 + 2s2 + 21s +10 = 0.

Задача решается с использованием формулировки критерия устойчивости по Гурвицу. Для этого необходимо из коэффициентов характеристического уравнения составить главный определитель Гурвица по определенному правилу: вдоль главной диагонали записываются коэффициенты, начиная с аn – 1, выше главной диагонали записываются коэффициенты с индексом на единицу меньше, ниже главной диагонали записываются коэффициенты с индексом на единицу больше. Порядок определителя соответствует порядку характеристического уравнения. Из этого определителя составляются диагональные миноры, которых должно быть n – 1.

Система автоматического управления будет устойчивой тогда и только тогда, когда все диагональные миноры главного определителя будут положительны.

Для нашей задачи главный определитель Гурвица имеет вид

26

Все диагональные миноры для данного характеристического уравнения отрицательны, следовательно, система неустойчива.

Однако, студент не может ограничиться таким выводом. Следует

рассмотреть возможности изменения настроечных параметров регулятора для обеспечения устойчивости САРЧ [13].

3.9.2.1 Для исследования устойчивости систем автоматического регулирования с помощью диаграммы Вышнеградского необходимо

располагать характеристическим уравнением 3-го порядка a0p3+ a1p2+ a2p+a3=0.

Делением этого уравнения на a3 и введением новой переменной x=(a0/a3)1/3 И.А.Вышнеградский привел это уравнение к параметрическому виду с уравнением 2-го порядка с параметрами A и B

Используя критерий Рауса-Гурвица, получим следующее условие устойчивости для уравнения И.А.Вышнеградского AB-1 1 при A 0 и

B 0.

Диаграмма И.А.Вышнеградского построена в координатах А и В, на которой нанесены линии границы устойчивости в соответствии с уравнением AB=1 и границы апериодических переходных процессов,

соответствующих уравнению

A3B3-4(A2 +B2) +18AB-27=0.

27

28

Для расчета устойчивости исследуемой системы 3-порядка необходимо определить численные значения параметров Вышнеградского

А и В, нанести точку с этими координатами на диаграмму Вышнеградского и определить: устойчива ли САРЧ; каков приближенно возможный характер переходного процесса [3, 5, 6, 13].

4. Выводы

В выводах необходимо указать достигнута ли цель, которая была поставлена перед студентом, необходимо краткое привести описание выполненного. Должна быть дана оценка устойчивости САРЧ при заданных и расчетных параметрах, продемонстрирована сущность выполненных в курсовой работе расчетов, заключение о свойствах пропульсивного комплекса, а именно об ожидаемом поведении ГД на волнении и при ступенчатых набросах (сбросах) нагрузки (характер переходного процесса).

5. Библиографический список

В библиографическом списке использованная литература перечисляется в порядке ссылок по тексту пояснительной записки.

Каждый источник должен быть пронумерован и содержать следующие выходные данные: для книги – фамилия и инициалы автора (авторов),

точное название книги, место издания, издательство, год издания и количество страниц (например, Лебедев О.Н. Калашников С.А. Судовые энергетические установки и их эксплуатация. М.; Транспорт, 1987. 336 с.

В тексте записки делается ссылки на использованную литературу в квадратных скобках с указанием номера источника по библиографическому списку.

28

29

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Правила классификации и постройки судов внутреннего плавания.

Том 5. М.: Транспорт, 2002.

2. Правила классификации и постройки морских судов. Том 2. СПб:

РМРС, 2003.

3. Левин М. И. Автоматизация судовых дизельных установок. —

Л.: Судостроение, 1969, - 465 с.

4. Иванченко А.А, Хандов А.М. Судовые энергетические установки:

учебно-методическое пособие по курсовому проектированию. – СПб.:

СПГУВК, 2009. – 110с.

5. Крутов В.И. Автоматическое регулирование частоты вращения двигателей внутреннего сгорания.- М.: Машиностроение, 1979. – 615 с.

6. Ланчуковский В.И., Козьминых А.В. Автоматизированные системы управления судовыми дизельными и газотурбинными установками. – М.: Транспорт, 1990, -335 с.

7. Исаков Л.И., Кутьин Л.И. Комплексная автоматизация судовых дизельных и газотурбинных установок. – Л.: Судостроение, 1984, - 368 с.

8.Тимофеев Ю.К. Системы управления судовыми энергетическими процессами. СПб.: Судостроение, 1994.

9.Толшин В.И., Сизых А.С. Автоматизация судовых энергетических установок. М.: «РосКонсульт», 2002.

10.Автоматизация судовых энергетических установок: практикум/

Сост. Петров А.П. – СПб.: СПГУВК, 2008.

11. Автоматическое регулирование частоты вращения судовых

дизельных и газотурбинных установок. Метод. указания/Сост. Петров А.П.

-СПб.: СПГУВК, 2003 - 50с.

12.Сайт фирмы Woodward Governor Co. www.woodward.com /searchpublications.aspx.).

29

30

13. Францев Р.Э., Францев И.Р. Теория автоматического управления:

Учеб. пособие – СПб.: СПГУВК, 2003 - 254 с.

14.Дизели. Справочник. Л.: Машиностроение, 1977, 480 с.

15.Терских В.П..Расчеты крутильных колебаний силовых установок.

Справочное пособие. Л.: Судпромгиз, 1954.

16.Instructions for using engine-generator set performance estimator slide rule. – Rockford, Illinois, USA.: Woodward Governor Co., UKC-70-23 .

17.ГОСТ 10511-83 «Системы автоматического регулирования частоты вращения судовых, тепловозных и промышленных дизелей.

Общие технические требования». –М.: Изд. Стандартов, 1984, - 15с. 18. «Project guide for Propeller Package», Wärtsila Diesel CO., 2000.

19.Эксплуатация судовых энергетических установок.

Автоматизированные системы управления СЭУ: лабораторный практикум/

Сост. Петров А.П. – СПб.: СПГУВК, 2008.

30