книги из ГПНТБ / Кутьин Л.И. Автоматизация судовых дизельных и газотурбинных установок учебник

Учитывая, что сор пропорциональна угловой скорости вала дви­ гателя со, степень нечувствительности можно выразить аналогично и через со', со" и соном.

Статические характеристики регулятора с учетом нечувствитель­ ности будут изображаться не линией, а полосой, ширина которой

определяется удвоенной силой трения и равна сор — сор, как пока­ зано на рис. 36.

Из-за значительных сил трения, которые неизбежно возрастают с увеличением размеров регулятора и внешних сопротивлений со сто­ роны РО, регуляторы прямого действия могут обеспечить достаточ-

ную точность на двигателях небольшой мощности, быстроходных, где такие регуляторы и имеют преимущественное распространение. На мощных тихоходных судовых двигателях регуляторы прямого дей­ ствия встречаются в тех случаях, когда не требуется высокой точности регулирования. Обычно это не режимные, а ограничительные регу­ ляторы или регуляторы безопасности. В последнее время в связи с использованием систем дистанционного автоматизированного управ­ ления применение регуляторов прямого действия сокращается.

Из сказанного следует, что для повышения точности регуляторов и уменьшения их нечувствительности требуется уменьшать силы су­ хого трения. Для уменьшения сил трения применяют специальные конструктивные меры. Подшипники скольжения заменяют подшип­ никами качения (шариковыми) или призматическими опорами. Силы сухого трения между рычагами грузов и муфтой в конструкции на рис. 37, а исключаются и заменяются силами трения-качения, как показано на рис. 37, б-

Основной мерой, уменьшающей трение в измерителе, является со­ кращение размеров его деталей. Это становится возможным, если на выходной элемент измерителя — его муфту — не будут действовать

108

большие силы внешних сопротивлений и прежде всего силы сопро­ тивления РО. Такому условию удовлетворяют регуляторы непрямого действия. Выходное усилие в регуляторах непрямого действия соз­ дается усилителем за счет энергии постороннего источника, а не энер­ гии измерителя. Измеритель же воздействует на управляющий эле­ мент усилителя, сопротивление движению которого весьма мало или который является уравновешенным.

В заключение следует отметить, что не всякое трение вредно и что без трения регулятор окажется неработоспособным, так как невоз­ можно будет достичь устойчивого равновесного состояния. Малей­ шее отклонение параметра выведет такой регулятор из равновесия, и его движение невозможно будет приостановить. Поэтому в регуля­ торах сохраняют и специально вводят элементы, создающие эффект торможения за счет жидкостного трения. Жидкостное трение при этом оказывает демпфирующее воздействие, которое проявляется только в процессе движения и не влияет на статические свойства и точность поддержания параметра в установившихся состояниях.

§ 18

Параметры и элементы настройки регуляторов прямого действия

Одна из задач настройки регулятора заключается в обеспечении желаемого изменения статических характеристик, т. е. их смещения и изменения их наклона.

Смещению характеристик вдоль оси регулируемого параметра соответствует изменение начального значения этого параметра соРо, при котором регулятор начинает движение. Начальное значение ре­ гулируемого параметра определяет и среднее его значение в пределах рабочего хода либо в пределах неравномерности. Таким образом, сме­ щение характеристики есть изменение уровня поддержания параметра или уставки регулятора. Этот уровень зависит от предварительного натяжения пружины регулятора — элемента задания и характери­ зуется координатой Хзад.

Действительно, в соответствии с (II.33) для регуляторов с цилин­ дрической пружиной имеем

откуда видно, что кроме Хзая на значение соро может повлиять также

изменение жесткости пружины с. Остальные величины: ѵ, тг, г0— яв­ ляются конструктивными параметрами, и их изменение в процессе эксплуатации невозможно.

На рис. 38, а показаны характеристики измерителя и регулятора

при различных значениях координаты задания Хзад < Хэад <С А'задСледует заметить, что одновременно с относительным смещением ха­ рактеристик вдоль оси регулируемого параметра сои несколько изме­ няется и их наклон: он уменьшается с увеличением координаты зада­ ния. В регуляторах с конической (всережимной) пружиной изменение

109

наклона статической характеристики при изменении координаты за­ дания весьма незначительно, так как характеристики имеют линей­ ный вид.

Элементом настройки служит специальное устройство в регуля­ торе, изменяющее предварительное натяжение пружины — коорди­ нату Хзад.

Для выявления настроечных параметров, обеспечивающих изме­ нение наклона статической характеристики регулятора, обратимся

а) б)

Рис. 38. Влияние параметров настройки на статические характери­ стики измерителя и регулятора.

к выражению для коэффициента усиления Кр> величина которого оценивает наклон: Кр = КнКа,ы, где Ки— коэффициент усиления

измерителя: Ки = - ѴГП 'Г° I f Ми ; К — коэффициент усиления

С— Ѵ ^ г Сй‘

исполнительного механизма: Ки.м = L JL ѵ

Из приведенных выражений видно, что настроечными параметрами для изменения наклона статической характеристики могут быть жест­ кость пружины с и коэффициент /(„. м, так как остальные величины, влияющие на наклон, являются конструктивными.

При изменении жесткости пружины, когда координата Хзад по­ стоянна, статические характеристики измерителя и регулятора из­ меняются так, как показано на рис. 38, б. Как видно, изменение на­

110

клона характеристик сопровождается некоторым смещением началь­ ной точки А и начального значения регулируемого параметра со„0.

Влияние изменения коэффициента усиления исполнительного механизма Ки,м на наклон характеристик регулятора было подробно рассмотрено выше и показано на рис. 35. Оно отличается от влияния изменения жесткости пружины тем, что не отражается на характери­ стике измерителя и проявляется в изменении общего хода выходного элемента регулятора при неизменной абсолютной неравномерности.

Изменение наклона статической характеристики регулятора ока­ зывает влияние не только на степень его статической устойчивости, но и на устойчивость регулятора и системы регулирования в процессе движения — в динамике, что будет показано в разделе, посвященном динамике.

Настроечным элементом, используемым для изменения коэффи­ циента усиления исполнительного механизма, может служить пере­ мещающаяся точка опоры рычага в этом механизме. Настроечные элементы, служащие для изменения жесткости пружины, конструк­ тивно выполняются по-разному. Можно, например, изменять жест­ кость пружины путем изменения числа ее работающих витков или путем установки двух пружин, силы действия которых суммируются под углом.

§ 19

Конструкции регуляторов прямого действия

Р е г у л я т о р д в и г а т е л е й т и п а Д и ДР 30/50 — одно­ режимный, с измерителем центробежного типа, размещается на торце распределительного вала. На двигателях, работающих на генератор, регулятор является режимным, он поддерживает постоянную угло­ вую скорость вала независимо от нагрузки. На главных судовых дви­ гателях этот регулятор используется как ограничительный. По допу­ скаемому диапазону изменения задания он относится к однорежимным регуляторам.

Устройство и принципиальная схема регулятора показаны на рис. 39. Внутри шестерни привода распределительного вала 9 распо­ ложены два груза 8, оси вращения которых 11 установлены в шарико­ вых подшипниках. Грузы стянуты между собой двумя пружинами 10. Рычаги грузов соединены с поперечиной 3 посредством двух толкате­ лей 2, проходящих через ступицу шестерни. Поперечина через шари­ ковый упорный подшипник 4 перемещает муфту 7 вдоль оси регуля­ тора. Муфта не вращается. От муфты движение передается на пру­

(РО). Центробежная сила грузов уравновешивается не только пружи­ нами 10, но и осевой пружиной 6. Пока скорость вращения грузов мала и центробежная сила не может преодолеть силы натяжения пружин, муфта находится на упоре, а положение точки А рычага 1 таково, что подача топлива в цилиндры не ограничивается. Диапазон

111

изменения задания скоростного режима составляет ±25 об/мин при нормальной частоте вращения вала двигателя 300 об/мин. Изменение уставки производится изменением начального натяжения осевой пру­ жины посредством маховичка 5. Приспособления для изменения на­ клона характеристики (изменения неравномерности) регулятор не имеет. Степень неравномерности регулятора не более 7%.

Регуляторы, устанавливаемые на двигатели электрических гене­ раторов, снабжены специальным электромотором, который через червячную пару вращает маховичок 5, что позволяет дистанционно синхронизировать параллельно работающие генераторы.

Аналогично устроен регулятор главных судовых двигателей фирмы Зульцер марки SD-72. Принципиальное его отличие заклю­ чается в том, что элементом задания служит только одна осевая пру­

112

является всережимным, т. е. допускает широкий диапазон изме­ нения задания скоростного режима; имеет устройство, позволяющее изменять степень неравномерности в пределах 0—6 % на ходу двига­ теля; снабжен катарактом, который создает жидкостное сопротивле­ ние и служит для динамической стабилизации процесса регулиро­ вания.

Конструкция регулятора показана на рис. 40. Чувствительный элемент вращается приводным валом 9 и состоит из четырех грузов 6, оси вращения которых имеют шариковые подшипники и установлены на крестовине 8■ Рычаги грузов передают усилие центробежных сил на муфту 7 посредством роликов, что уменьшает трение между рыча­ гами и муфтой. Элементом задания служат две пружины: основная 4, расположенная вдоль оси регулятора, и дополнительная 13. Нижняя часть основной пружины заключена в стакан 5. Усилие дополнитель­ ной пружины передается на муфту через вильчатый рычаг 14 и геоме­ трически суммируется с усилием основной пружины. От угла уста­ новки дополнительной пружины, что осуществляется рычагом 10, зависит результирующая сила, или суммарная жесткость пружин. Это обеспечивает изменение неравномерности регулятора. Угол уста­ новки дополнительной пружины изменяется рычагом И, а ее перво­ начальное натяжение — винтом 12. Вильчатый рычаг 14 связан также с катарактом 21. Катаракт представляет собой поршень, расположен­ ный в цилиндре и соединенный с вильчатым рычагом пружиной. Полости цилиндра катаракта заполнены маслом и сообщаются между собой игольчатым клапаном 20. От степени открытия игольчатого клапана зависит сила сопротивления катаракта, которая передается через пружину на вильчатый рычаг и суммируется с усилиями основ­ ной и дополнительной пружин. При этом временно увеличивается суммарная жесткость пружин и, следовательно, неравномерность регулятора. С течением времени действие силы катаракта исчезает.

Для изменения задания скоростного режима — уровня поддер­ жания частоты вращения — служит специальный гидравлический следящий механизм, состоящий из сервомотора с поршнем 3, управ­ ляемого золотником 2. Этот механизм изменяет предварительное на­ тяжение пружины 4. Масло для перемещения поршня подводится к штуцеру 1 от системы смазки двигателя и может поступить в по­ лость сервомотора, если золотник перемещен вниз. При этом переме­ щение поршня будет равно перемещению золотника. Если золотник смещен вверх, то масло из полости сервомотора сливается в корпус регулятора и поршень перемещается вверх под действием пружины 4. В случае падения давления масла в питающей магистрали поршень 3 переставляется пружиной в крайнее верхнее положение, при котором двигатель останавливается. Таким образом, механизм задания одно­ временно выполняет роль предохранительного устройства по давле­ нию масла в системе смазки. Перемещение золотника 2 осущест­ вляется от валика 16 через рычаг 18. Пружина 17 является кон­

тактной.

В том случае, когда регулятор должен обеспечить всережимность, наклон дополнительной пружины 13 изменяется одновременно с зада-

Рис. 40. Регулятор двигателей типа 64 25/34 и 6ЧРП 25/34.

нием скорости вращения. Для этого рычаг 11 специальной планкой присоединяется к поршню 3 механизма изменения задания. При уве­ личении задания суммарная жесткость пружин также увеличивается и обеспечивается большая степень неравномерности, что приводит к повышению устойчивости и приближает статическую характери­ стику регулятора к линейной. Свойства измерителя и регулятора приближаются к их свойствам при конической пружине в элементе задания, что было рассмотрено ранее, при сравнении свойств измери­ телей с цилиндрической и конической пружинами. В регуляторе пре­ дусмотрено устройство, ограничивающее максимальное значение его выходной координаты — угла поворота рычага 14 и вала 15, от кото­ рого воздействие передается к РО. Ограничение осуществляется винтом 19.

Р е г у л я т о р ы д в и г а т е л е й т и п а NVD выполняются в нескольких модификациях. Они совершенствовались по мере разви­ тия техники и накопления опыта эксплуатации. Один из последних вариантов такого регулятора представлен на рис. 41. Регулятор автономный, смонтирован в отдельном корпусе, приводится в дей­ ствие при помощи червячной передачи 1 от распределительного вала двигателя. Он допускает широкий диапазон изменения задания и может быть отнесен к всережимным регуляторам; имеет устройство для изменения неравномерности.

На приводном валу регулятора 2 закреплена на шпонке кресто­ вина измерителя 3 с двумя грузами 5, оси вращения которых выпол­ нены у последних моделей регуляторов в виде призматических опор 4. Усилие от центробежных сил грузов через шариковый упорный под­ шипник передается на элемент сравнения — муфту 6. С противопо­ ложной стороны (сверху) на муфту действует сила предварительного натяжения настроечных пружин 7 и 8. Настроечные пружины имеют разный диаметр и разные коэффициенты жесткости. Натяжение пру­ жины большего диаметра 7 устанавливается заранее, так как для его изменения требуется вскрыть регулятор и переместить по вертикали втулку 10 относительно втулки 9. Втулки соединены между собой на резьбе. Для изменения коэффициента жесткости пружины 7 служит специальная гайка 11, профиль нарезки которой соответствует форме и шагу пружины. Гайка 11 позволяет выключать часть витков пру­ жины из работы, вследствие чего изменяется коэффициент жесткости пружины 7. Суммарную силу предварительного натяжения пружин при работающем регуляторе можно изменять перемещением штока 12, который снабжен зубчатой рейкой, воздействующей на пружину 8, а в верхней части имеет стрелку-указатель 14. Механизм изменения предварительного натяжения малой пружины 8 состоит из электро­ мотора 13 и червячной пары 15 и показан отдельно на рис. 42. Он будет пояснен ниже. Выходным элементом регулятора служат ры­ чаги 16 и 17. Рычаг 16 при помощи вилки соединен с муфтой 6. До тех пор пока частота вращения чувствительного элемента не достигнет значения, соответствующего настройке задания регулятора (натяже­ нию пружин), муфта находится на нижнем упоре, а выходной конец рычага — в крайнем верхнем положении. При этом регулятор допу-

Рис. 41. Регулятор скорости вращения двигателей типа NVD.

116

скает любую подачу топлива, величина которой может быть установ­ лена вручную, воздействием на топливную тягу.

Механизм изменения натяжения пружины, изображенный схема­ тично на рис. 42, допускает как ручное — от маховика 2, так и ди­

станционное — от электромотора 3 —■воздействие на пружину 1. Механизм состоит из двух червячных пар б и 7 и зубчатой шестерни 5, находящейся , в зацеплении с зубчатой рейкой на штоке 4. Ручной привод к штоку 4 может быть отключен разобщительной муфтой 8.

§ 20

Усилители регуляторов непрямого действия. Их статические свойства

Усилитель — такой функциональный элемент, который усили­ вает мощность Выходной координаты (сигнала) измерителя. Он раз­ гружает измеритель от больших внешних сопротивлений, потреб­ ных для перемещения регулирующего органа, а поэтому позволяет выполнить измеритель малых размеров, практически безынерцион­ ным, с малым трением и, следовательно, с высокой чувствительностью.

Усилитель, как уже было отмечено, состоит из двух функциональ­ ных элементов: управляющего элемента УЭУ и сервомотора СМ. Входная координата усилителя Хус равна или пропорциональна вы­ ходной координате измерителя, а выходная Уус представляет собой перемещение (или положение) поршня сервомотора в случае, если сервомотор конструктивно выполнен с возвратно-поступательным движением поршня. Принципиально возможны (и в регуляторах дру-. гих параметров встречаются) сервомоторы с непрерывным вращатель­ ным движением либо с ограниченным поворотом выходного элемента.

117