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

В регуляторах скорости судовых двигателей, как правило, при­ меняются усилители с масляным сервомотором поршневого типа и управляющим элементом в виде цилиндрических золотников.

Рис. 43. Конструктивные типы усилителей.

Весьма редко, когда регулятор скорости — электронный, в качестве сервомотора используют электродвигатель.

Основные конструктивные типы усилителей регуляторов ско­ рости представлены на рис. 43.

Усилитель типа а имеет сервомотор двойного действия с двумя рабочими полостями. Он состоит из золотника 1, управляющего

118

подводом масла под давлением р и цилиндра 2 и поршня 3. Золот­ ник имеет два рабочих пояска, ширина которых такова, что в сред­ нем положении сообщающие каналы оказываются полностью пере­ крытыми. При смещении золотника из среднего положения (на­ пример, вверх) верхняя полость сервомотора соединяется с напорной магистралью, а нижняя — со сливом. Под действием разности сил, возникающей вследствие перепада давлений, поршень 3 переме­ щается вниз. Усилие, развиваемое сервомотором, преодолевает силу сопротивления движению. Наибольшая сила сопротивления, ко­ торая может быть преодолена усилием сервомотора, равна

соответствие высот поясков золотника и окон при одинаковом рас­ стоянии между ними по высоте.

Усилитель типа б отличается тем, что у него управляющий зо­ лотник 1 имеет один рабочий поясок, а поршень сервомотора 3 выполнен дифференциальным. К верхней полости сервомотора по­ стоянно подводится масло с давлением в напорной магистрали р ѵ При смещении золотника из среднего положения нижняя полость сервомотора соединится либо с напорной магистралью, либо с по­ лостью слива (в зависимости от направления движения золотника). При смещении золотника вниз давление в обеих полостях сервомо­ тора оказывается одинаковым, и поршень перемещается вверх под действием разности усилий. При этом максимальное сопротивление, которое может быть преодолено сервомотором, равно

где Fx и F2 — рабочие (эффективные) площади поршня, причем F2 >

> F v

При смещении золотника вверх усилие поршня будет иным, так как давление в верхней и нижней полостях различное. В этом случае

Чтобы получить одинаковые усилия, принимают следующее от­ ношение площадей: 2F1 = F2.

Усилитель типа в имеет сервомотор простого действия — с одной рабочей полостью, к которой подводится масло. Золотник 1 посред­ ством одного пояска управляет подводом масла в рабочую полость и его отводом. При смещении золотника из среднего положения вверх рабочая полость соединится со сливом и поршень 3 под дей­ ствием пружины 4 переместится вниз. При этом

где с — жесткость пружины; Y — деформация пружины (текущее значение); Y 0— предварительное натяжение пружины.

119

Из уравнений (11.50) и (11.51) видно, что при перемещении поршня силы Q„ и QB не остаются постоянными.

Усилитель типа г снабжен сервомотором простого действия со следящим поршнем. Рабочая полость сервомотора — нижняя. Масло из напорной магистрали подводится между поясками золотника 1. Золотник размещен внутри поршневого штока и имеет один рабочий поясок (верхний), который перекрывает окна. Масло к золотнику подводится через нижние окна в поршневом штоке. При смещении золотника вверх масло поступает под поршень 3 и перемещает его вверх, сжимая пружину. При смещении золотника вниз рабочая полость сервомотора соединяется со сливом и поршень перемещается вниз. В обоих случаях поршень будет перемещаться до тех пор, пока не займет положение, при котором рабочий поясок золотника перекроет канал в поршне. Усилие, которое может быть преодолено сервомотором, составляет

они проще по конструкции, их золотники имеют один рабочий поя­ сок. Усилитель типа г при одном рабочем пояске сложен из-за рас­ положения золотника внутри поршневого штока; кроме того, в та­ ком усилителе ход золотника должен быть равен ходу поршня серво­ мотора. Усилитель типа а сложен потому, что его золотник имеет два рабочих пояска, расстояние между которыми должно точно соответствовать расстоянию между окнами во втулке. Усилитель типа в обладает дополнительными свойствами. При падении давления напорного масла поршень сервомотора перемещается в нижнее (на рисунке) крайнее положение. Это свойство позволяет исполь­ зовать такие усилители также в качестве автомата безопасности, который останавливает объект или переводит его на безопасный ре­ жим при падении давления масла в регуляторе. Если же усилитель питается маслом из системы смазки двигателя, то он защищает двигатель по давлению масла.

Оценим статические свойства отмеченных типов усилителей. Обычное условие равновесного состояния — равновесие действую­ щих сил — дополняется условиями подвода и отвода напорного масла в усилитель. Как следует из описания устройства и прин­ ципа действия, усилители могут находиться в равновесном состоянии тогда, когда управляющий золотник перекрывает окна подвода масла к сервомотору. При закрытых окнах усилитель всегда на­ ходится в равновесном состоянии. Равновесие сил достигается пу­

120

тем изменения давления сжатия масла в полостях сервомотора. Движение возможно только в случае, когда открыты каналы под­ вода и отвода масла. Направление движения при этом всегда сов­ падает с направлением движущей силы, создаваемой сервомотором, которая значительно превышает силу внешнего сопротивления. Состояние равновесия таких усилителей не зависит от соотношения сил движущих и сил сопротивления, а определяется условиями

усилители относятся к астатическим звеньям.

Равновесие усилителя типа г со следящим поршнем возможно

аналогичен передаточному механизму с коэффициентом передачи Хус = 1- Его статическая характеристика изображается прямой линией, исходящей из начала координат под углом 45° к оси абсцисс, как показано на рис. 44 линией 2.

Отмеченное различие в статических характеристиках усилителей, как будет показано ниже, приводит к принципиальным различиям в свойствах регуляторов.

Кроме статических характеристик, представляющих зависимость между значениями входной и выходной координат в состояниях равно­ весия, для некоторых усилителей рассматриваются также характе­ ристики, показывающие зависимость установившихся значений ско­ рости изменения выходной координаты от величины входной ко­

и могут быть получены из условия сплошности потока.

Кроме обычных коэффициентов усиления Кус и kyc, характе­ ризующих зависимость между значениями входной и выходной ко­

121

Он представляет отношение мощности выходной координаты уси­

в регуляторах скорости двигателей внутреннего сгорания. Они способны развивать весьма большие усилия, что позволяет пренебре­ гать влиянием сил инерции и сил внешнего сопротивления на дви­ жение. Такие усилители не требуют специальной смазки и обладают положительным свойством: скорость их выходной координаты умень­ шается по мере приближения к равновесному состоянию.

изменение свойств регулятора оказывает влияние вязкость масла, которая изменяется и зависит от его температуры и сорта. Наконец,

в равновесном состоянии. Поэтому если к статическому измерителю подключить астатический усилитель типа а, б или в (рис. 46), то образованный таким способом регулятор не будет обладать устойчи­ востью в равновесном состоянии. При подключении же к измери­ телю усилителя типа г система звеньев остается статически устойчи­ вой, причем степень ее устойчивости будет равна степени устойчи­ вости измерителя, так как коэффициент усиления присоединенного усилителя kyc = 1.

Для сохранения свойства статической устойчивости и для воз­ можности изменения степени устойчивости вводят жесткие обрат­ ные связи. Астатический элемент, охваченный жесткой обратной связью, превращается в простейшее звено с коэффициентом усиле­ ния, отличным от бесконечности.

Изменение коэффициентов усиления отдельных элементов (или цепочки звеньев) при введении жестких обратных связей было рас­ смотрено в § 13. Напомним основные выводы, полученные при оценке влияния жестких обратных связей (ЖОС):

—только отрицательная обратная связь может придать регуля­ тору свойство статизма или восстановить его;

—астатический элемент, охваченный ЖОС, становится стати­

ческим элементом с коэффициентом усиления, равным k = Ш 0.с, где k0 с — коэффициент обратной связи;

122

— при охвате ЖОС двух элементов, один из которых — астати­ ческий, произведение коэффициентов усиления двух элементов

равно kiko —■7—-—.

* 0 . С

Так как усилители регуляторов скорости обычно представляют собой астатические элементы, то регуляторы снабжают жесткими об­ ратными связями. Принципиальные схемы основных типов жестких обратных связей приведены на рис. 45. На рисунке показана также схема регулятора без обратной связи (рис. 45, а). Как видно, об­ ратные связи выполнены в виде рычагов. В схеме рис. 45, б точка С (неподвижная в регуляторе без обратной связи) стала подвижной, так как соединена рычагом обратной связи 1 с поршнем сервомотора. Равновесное состояние, определяемое неизменным положением точки В, теперь возможно при различных значениях выходной коор­ динаты измерителя (точки А), причем каждому ее значению соответ­ ствует свое значение выходной координаты усилителя Кус. Связью охвачен только один элемент— усилитель. В точке В суммируются воздействия от измерителя и от выходной координаты усилителя.

В схеме на рис. 45, в обратной связью охвачен также только уси­ литель. Связь состоит из рычагов 1—3, через которые перемещение поршня сервомотора передается на подвижную втулку золотника 4. Перемещение втулки суммируется с перемещением золотника Хус. Равновесные состояния возможны при различных положениях то­ чек В и А, а значит, при различных значениях выходной коорди­ наты измерителя. Между регулируемым параметром сои и выходной координатой усилителя Ѵус обеспечивается однозначная зависимость. Обе связи б и б являются кинематическими. Схема г обладает двумя принципиальными особенностями по сравнению со схемами б и в . Во-первых, обратной связью здесь охвачены не один, а оба элемента: усилитель и измеритель. Во-вторых, связь является силовой, так как суммируются не перемещения, а силы упругости пружины, создаваемые чувствительным элементом и рычагом 2 обратной связи, который действует на верхний торец пружины. Кроме того, при равно­ весном состоянии муфта измерителя (точка А) и грузы занимают одно и то же положение при различных установившихся значениях угловой скорости сои. Таким образом, жесткими обратными связями обеспечивается однозначная зависимость между регулируемым па­ раметром и выходной координатой регулятора — перемещением поршня сервомотора — на установившихся режимах.

Для получения статической характеристики с нулевой неравно­ мерностью и одновременно для повышения устойчивости в переход­ ном процессе применяют гибкие (или изодромные) обратные связи. Действие таких связей не сказывается на статических свойствах цепочки звеньев, например, регулятора, так как по окончании пере­ ходного процесса оно прекращается.

Временную, исчезающую обратную связь можно получить из жесткой, если в систему рычагов ЖОС ввести гибкое звено, состоя­ щее из пружины и элемента, создающего жидкостное трение, сила сопротивления которого пропорциональна скорости движения.

123

Рис. 45. Принципиальные схемы жестких обратных связей.

124

Принципиальные схемы двух наиболее распространенных ва­ риантов изодромной обратной связи представлены на рис. 46. В ва­ рианте а точка С, которая при ЖОС была непосредственно связана

с поршнем сервомотора, получает перемещение от сервомотора через гидравлическую систему, состоящую из задающего поршня 1, дрос­ сельного игольчатого клапана 2 и приемного поршня 3. Кроме того, на точку С действует пружина 4, натяжение которой в равновесном состоянии равно нулю.

125

Действие изодромной обратной связи в первом приближении для раскрытия физического существа процесса можно представить состоящим из двух этапов. На первом этапе, при изменении входной координаты сои, регулятор действует так же, как при жесткой об­ ратной связи, поскольку из-за малого проходного сечения дросселя 2 можно считать гидравлическую связь между задающим 1 и прием­ ным 3 поршнями жесткой. Поэтому нарушенное равновесие золот­ ника начинает восстанавливаться обратной связью и золотник при­ водится к среднему положению. Но при этом получает натяжение пружина 4. Начинается второй этап. Под действием пружины масло протекает в ванну (корпус) через игольчатый клапан 2, и точка С перемещается в исходное положение, т. е. результат действия обратной связи снимается. Исходному положению точки С всегда соответствует нулевое натяжение пружины 4. В процессе такого постепенного снятия воздействия обратной связи корректируется положение поршня сервомотора (так как золотник вновь открывает канал) до тех пор, пока регулируемый параметр не примет исход­ ного значения, соответствующего координате задания при неизмен­ ном положении точки А. Остаточная неравномерность становится равной нулю.

В действительности оба этапа действия изодромной обратной связи протекают одновременно. Поэтому возможно такое значение скорости движения задающего поршня, при котором приемный поршень остается неподвижным из-за перетекания жидкости через дроссельный игольчатый клапан. Если предположить, что дроссель­ ный игольчатый клапан закрыт, то связь будет действовать как жесткая. С другой стороны, при открытом дроссельном клапане

обратная связь начинает действовать тогда, когда скорость дви­ жения поршня сервомотора превысит скорость, определяемую рас­ ходом масла через дроссель. Чем больше скорость поршня сервомотора, тем больше воздействие изодромной обратной связи.

Изодромная обратная связь может осуществляться также путем компенсации сил, а не перемещений. Принципиальная схема такой связи приведена на рис. 46, б. На штоке управляющего золотника 1 предусмотрен приемный поршень изодромной связи 2, перепад дав­ ления на котором в равновесном состоянии равен нулю. При нару­ шении равновесия и смещении золотника на этом поршне возникает перепад давления, сила действия которого направлена на восстанов­ ление нарушенного равновесия. Перепад давления на поршне 2 создается по следующей причине. При смещении золотника, на­ пример, вниз, напорное масло подводится к задающему поршню 6, перемещает его вправо и сжимает пружину 5. Задающий поршень 6 одновременно выполняет роль бустерного, так как он подает масло в сервомотор 4 (питает сервомотор). При сжатой правой пружине 5 давление в полости т будет больше, чем в полости п. Этот перепад давления и действует на приемный поршень 2. Но так как полости т и п сообщаются дроссельным игольчатым клапаном 3, то с течением

126

положение, а дополнительное усилие на приемном поршне 2 стано­ вится равным нулю. Равновесие наступает при одном и том же зна­ чении регулируемого параметра сои независимо от положения поршня сервомотора.

Основная особенность такой изодромной обратной связи состоит в том, что она охватывает оба элемента — усилитель и измеритель и для достижения равновесного состояния не требует точного гео­ метрического соотношения между рычагами. Равновесие обеспечи­ вается за счет выравнивания давлений.

Если обозначить воздействие обратной связи через Х0. с, то в общем случае оно может быть представлено как функция выход­ ной координаты сервомотора Yyc и

времени L Xoc — f(Yyc\ t).

Для жесткой обратной связи эта функция зависит только от вели­

Кроме устройств обратной связи существенное повышение устой­ чивости в переходном процессе может быть достигнуто применением упруго присоединенного к измерителю катаракта, как показано на рис. 47.

Действие катаракта заключается в следующем. При наруше­ нии равновесного режима пружина катаракта 1 деформируется, что приводит к временному увеличению суммарной жесткости дей­ ствия на муфту задающей пружины и пружины катаракта. Вслед­ ствие увеличения жесткости временно увеличивается степень не­ равномерности, которая может быть принята достаточно большой. Благодаря этому появляется возможность остаточную неравномер­ ность принять малой, значительно меньшей, чем у обычных регуля­ торов, и даже близкой к нулю. С течением времени общая неравно­ мерность уменьшается, так как пружина катаракта разгружается из-за перетекания масла через дроссельный клапан 2. На равновес­ ном режиме натяжение пружины катаракта становится равным нулю.

127