Сизых В.А. Судовая автоматика и аппаратура контроля

Подождите немного. Документ загружается.

регуляторы

(ПИ-регуляторы),

сочетающие

в себе пре-

имущества пропорциональных и интегральных систем

регулирования. Функциональная схема такого регуля-

тора приведена на рис. 37, а. Она отличается от схемы

П-регулятора тем, что в нее дополнительно введена гиб-

кая

обратная

связь, состоящая из гидроцилиндра 2,

полости которого заполнены жидкостью и соединены

между собой задросселированным каналом. Гидроци-

линдр 2, называемый катарактом, жестко связан с

поршнем гидроцилиндра 1 и шарнирно — с пружиной

3 и рычагом ЛВС. Рычаг, в свою очередь, шарнирно

соединен с муфтой 4 центробежного измерителя и

штоком золотникового усилителя 5. Совокупность пру-

жины, катаракта и рычага

АВС

называется

изодромом,

поэтому такие регуляторы называют также

изодром-

ными.

Регулятор при нагрузке

(рис. 37, б) поддер-

живает установившийся режим двигателя с угловой

скоростью вала

В этом случае все звенья системы

находятся в положении, показанном на рис. 37, а. Пру-

жина 3 расслаблена, а точка А рычага ЛВС занимает

определенное положение, не зависящее от положения

рейки топливного насоса.

Предположим, что нагрузка на дизель в момент вре-

мени

(рис. 37, в) резко увеличилась до

ЛЛ.

Грузы

центробежного измерителя сойдутся, муфта опустится

вниз, рычаг ЛВС (см. рис. 37, а) повернется по часо-

вой стрелке относительно точки Л и масло через золот-

ник поступит в нижнюю полость гидроцилиидра /.

Поршень гидроцилиндра, смещаясь вверх, переместит

рейку 6 и увеличит подачу топлива. Угловая скорость

в момент

1ч

начнет повышаться. Так как поршень

же-

стко связан с цилиндром катаракта 2, одновременно с

его перемещением сместится вверх, сжимая пружину,

и катаракт. В начальный момент скорость перемеще-

ния поршня будет сравнительно большой и противо-

действие пружины 3, стремящейся сохранить неизмен-

ным положение точки А рычага, будет недостаточным;

рассматриваемый

момент поршень катаракта пере-

местится вверх вместе с цилиндром, так как проходное

сечение трубопровода, сообщающего верхнюю и ниж-

нюю полости

катаракта,

сравнительно

небольшое и

масло за короткий промежуток времени не может пе-

рейти из нижней полости катаракта в верхнюю. Рычаг

повернется по часовой стрелке относительно точки С.

Рис. 37.

Пропорционально-интегральный

регулятор:

а — функциональная схема; б — нагрузочная характеристика; в — график

переходного режима

Золотник усилителя, смещаясь при этом вверх, пере-

кроет

маслоподводящий

канал, движение поршня гид-

роцилиндра прекратится.

В тот момент, когда золотник займет нейтральное

положение и поршень гидроцилиндра остановится, пор-

шень катаракта под действием сжимающих сил пру-

жины 3 и под давлением масла в верхней полости ка-

таракта (к этому времени часть масла успеет перейти

из его нижней полости в верхнюю) начнет смещаться

вниз, возвращая точку А рычага в нейтральное поло-

жение. Золотник на данном этапе регулирования не-

сколько

сместится вниз и снова откроет нижний масло-

подводящий канал. Рейка топливного насоса еще уве-

личит подачу топлива, и угловая скорость вала дизеля

(ливия

ЬсЛ

на рис. 37, в) будет постепенно прибли-

жаться к заданному значению.

Таким образом, вначале (линия

аЬс)

регулятор

быстро воздействует на систему и выключает исполни-

тельный элемент в момент

когда система еще име-

ет статическую ошибку

—он.

Потом (линия

ей)

изо-

дромная (гибкая обратная) связь ликвидирует эту

ошибку и за короткое время приводит систему в новое

установившееся состояние с заданной угловой скоро-

стью

юо.

Как видно из схемы, гибкая обратная связь

в отличие от жесткой реагирует не только на

абсолют-

ное отклонение регулируемой величины от заданного

значения то, но и на скорость ее отклонения. Чем боль-

ше скорость этого

отклонения,

тем быстрее

регулятор

включается в действие, в связи с чем он и получил

название изодромного, т. е.

«равнобегущего».

ПИ-ре-

гуляторы применяют в средствах судовой автоматиза-

ции тогда, когда статическая ошибка системы должна

быть равна нулю, а наиболее простые по конструкции

И-регуляторы,

работающие так

же,

как астатические,

не обеспечивают устойчивого

регулирования.

Выше было рассмотрено влияние корректирующих

устройств на качество работы регуляторов угловой

скорости. Это не значит, что корректирующие устрой-

ства

вводятся только в данные регуляторы. По прин-

ципу П-, И- и ПИ-регуляторов могут работать также и

автоматические системы регулирования давления, тем-

пературы среды и других параметров.

3. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ

ГЛАВНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

15. СУДОВЫЕ ДИЗЕЛИ

КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ

Режимы работы. В процессе эксплуатации судовые

дизели могут работать на различных режимах:

номи-

нальной, эксплуатационной, минимальной эксплуата-

ционной

мощностях,

минимально

устойчивой

угло-

вой скорости коленчатого вала и максимальной мощно-

сти.

Номинальная,

или полная мощность характеризует

длительную работу при номинальной угловой скорости

коленчатого вала, гарантированной

заводом-изготови-

телем.

Время работы дизеля при номинальной мощно-

сти

не ограничивается.

Режим эксплуатационной и минимально эксплуата-

ционной

мощностей дизеля определяются условиями

эксплуатации, загрузкой и необходимой скоростью суд-

яа.

Эксплуатационная мощность, например грузовых

теплоходов, составляет

85—89%,

а буксиров —

90—95%

номинальной.

Минимально эксплуатационная мощность

определяет предел уменьшения скорости судна. Для

различных судов она составляет

20—25%

номинальной

мощности.

Режим минимально устойчивой угловой скорости

коленчатого вала соответствует минимальной мощности

дизеля, при которой он может работать указанное в

паспорте время и которая для судовых дизелей равна

(0,25^

0,30)

ш„

т.

Перегрузочный режим определяется значением пре-

дельно допустимой мощности дизеля, которую он мо-

жет развивать ограниченное время, установленное за-

водом-изготовителем (обычно в течение 1

ч).

Для су-

довых дизелей допускается работа с перегрузкой по

мощности на 10%, а угловой скорости вала — на 3%

больше номинальной.

При переходе дизеля с одного режима работы на

другой изменяются: угловая скорость коленчатого ва-

ла; расход топлива; мощность; температура выпускных

газов, воды, смазочного масла и наддувочного воздуха;

давление сжатия в цилиндрах, максимальное давление

цикла и другие рабочие параметры Для поддержания

параметров работы дизеля в заданных пределах необ-

ходимо постоянное воздействие на процесс преобразова-

ния энергии и регулирование его интенсивности путем

соответствующих переключений технических средств.

Активный контроль за ходом управляемого процесса и

его регулирование могут обеспечить только специаль-

ные автоматические устройства

Классификация дизелей по объему автоматизации.

Судовые дизели в зависимости от объема автоматичес-

ких операций и продолжительности работы без обслу-

живания подразделяют по степени

автоматизации

на

четыре группы

Дизели с 1-й степенью автоматизации обеспечивают

возможность

эксплуатации

без постоянной вахты в ма-

шинном помещении не менее 4 ч. Они имеют, как ми-

нимум, регуляторы угловой скорости коленчатого вала,

регуляторы температуры смазочного масла и воды в

системе охлаждения, средства автоматической преду-

предительной сигнализации и защиты.

У дизелей со 2-й степенью автоматизации время

работы без обслуживания составляет не менее 24 ч

(с

периодическим

осмотром механизмов при смене каж-

дой вахты). Кроме средств, предусмотренных для ди-

зелей с 1-й степенью автоматизации, они имеют, как

минимум,

средства'

для дистанционного автоматизиро-

ванного управления с производством предпусковых и

послеостановочных

операций, для

автоматической

под-

готовки к приему нагрузки, для автоматизированного

управления угловой скоростью коленчатого вала и ре-

версированием, для автоматизированного регулирова-

ния вязкости тяжелого топлива и управления заменой

топлива (одного вида

другим);

устройства для автома-

тической

совместной

работы с другими агрегатами.

На дизелях с периодом необслуживаемой работы не

менее 150 ч и соответствующих 3-й степени автомати-

зации, кроме операций 2-й степени, должны обеспечи-

ваться, как минимум, автоматическое пополнение топ-

ливных, масляных, водяных расходных цистерн и воз-

душных баллонов, автоматическая подзарядка аккуму-

ляторных батарей, автоматизация работы вспомога-

тельных агрегатов, обслуживающих дизель.

При 4-й степени автоматизации дизели, кроме уп-

равляющих устройств для дизелей 3-й степени автома-

тизации, должны быть оборудованы средствами для

автоматического управления, регулирования, контроля

и диагностирования из одного центра с помощью уп-

равляющих машин. С установкой названных средств

время необслуживаемой работы дизеля составляет

250 ч и более.

16 АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ДИЗЕЛЕЙ

Регулирование подачи топлива. Скорость коленча-

того вала является важным качественным параметром

работы дизеля, определяющим количество вырабатыва-

емой

им

энергии Количество энергии, вырабатываемой

дизелем и потребляемой гребным винтом или генера-

тором, определяется в каждом конкретном случае ус-

ловиями эксплуатации судна

С увеличением нагрузки, как известно, угловая ско-

рость вала дизеля падает, а с уменьшением — возрас-

тает Чтобы сохранить заданную угловую скорость ва-

ла при любой нагрузке (от нагрузки при холостом ходе

до максимальной) с возрастанием нагрузки следует

увеличить подачу топлива в цилиндры дизеля и

наобо-

рот с падением нагрузки уменьшить подачу топ-

лива.

Условия протекания рабочего процесса в

цилиндрах

дизеля при малых нагрузках таковы, что незначитель-

ное уменьшение нагрузки может привести к резкому по-

вышению угловой скорости вала, а случайное падение

угловой скорости — к остановке дизеля. При аварий-

ных ситуациях (поломке гребного вала или соедини-

тельных муфт, потере лопастей винта, оголениях винта

в штормовых условиях плавания и т п ) потребление

энергии у дизеля резко уменьшается и вся его избы-

точная мощность тратится на увеличение угловой ско-

рости коленчатого вала Время разгона дизеля

неве-

лико, и составляет для главных дизелей

0,6—2,5

с, по-

этому в подобных случаях он может «пойти в разнос»,

а обслуживающий персонал за такое короткое время не

сумеет что-либо предпринять. Это могут сделать толь-

ко устройства

автоматического

регулирования скорос-

ти. Дизель-генератор при любой нагрузке в сети дол-

жен обеспечить постоянные

напряжения

и частоту

тока. Поскольку нагрузка в сети нестабильна, регулиро-

вание угловой скорости вала дизель-генератора вруч-

ную практически затруднительно, а в ряде случаев и

просто невозможно. Исходя из изложенного выше, все

без

исключения глазные и вспомогательные дизели обо-

рудуют автоматическими регуляторами угловой скоро-

сти вала.

Классификация регуляторов скорости. По назначе-

нию

предъявляемым

техническим требованиям к ре-

жиму работы судовых дизелей регуляторы угловой ско-

рости коленчатого вала подразделяют на однорежим-

ные, всережичные и предельные.

Однорежимные

регуляторы (с одним режимом на-

стройки)

применяют

сравнительно редко ( у некоторых

дизелей небольшой мощности, работающих на генера-

тор).

Такие регуляторы автоматически поддерживают

постоянный скоростной режим дизеля независимо от

колебаний электрической нагрузки на генератор.

Всережимные

регуляторы

поддерживают любой за-

данный скоростной режим дизеля: от минимально ус-

тойчивой до максимальной угловой скорости вала.

Во избежание «разноса» при непредвиденном рез-

ком уменьшении нагрузки дизели снабжают предель-

ными

регуляторами,

или автоматами остановки. По-

следние

не оказывают регулирующего воздействия на

топливные насосы высокого давления (ТНВД) до тех

пор, пока угловая скорость вала не достигнет опреде-

ленного значения, при котором они полностью выклю-

чают подачу топлива в цилиндры дизеля.

По конструктивному исполнению регуляторы могут

быть встроены в двигатель (дизели

2410,5/13;

48,5/11),

навешенными на ТНВД (дизели 64СП15/18) и авто-

номными в виде отдельных узлов (дизели 6ЧРН32/48;

«ЧР32/48;

64РП27.5/36;

6ЧРН36/45).

В зависимости от способов воздействия на регули-

рующий орган

различают

пропорциональные, интег-

ральные и пропорционально-интегральные регуляторы.

ее

Пропорциональные (П-регуляторы) обеспечивают

перемещение рейки ТНВД пропорционально

изменению*

угловой скорости вала. У интегральных

(И-регулято-

ров) отклонение угловой скорости вала влияет на ско-

рость перемещения рейки ТНВД, а у

пропорционально-

интегральных

(ПИ-регуляторов)

— на абсолютное зна-

чение перемещения рейки и ее скорость.

Пропорциональные, интегральные и пропорциональ-

но-интегральные регуляторы могут быть прямого и не-

прямого действия. В первых рейка ТНВД перемещает-

ся за счет энергии, сообщаемой ей измерительным эле-

ментом регулятора; у вторых выходной сигнал

изме-

рительного элемента регулятора передается на рейку

усиленным благодаря включению в схему усилителя.

Регуляторы непрямого действия в зависимости от вида

используемой вспомогательной энергии делят на гид-

равлические, пневматические, электрические и комби-

нированные. Регуляторы непрямого действия судовых

дизелей, как правило, гидравлические.

По принципу регулирования различают

одноим-

пульсные

регуляторы с импульсом по скорости вала и

двухимпульсные

с дополнительным импульсом по на-

грузке.

В зависимости от вида обратной связи, а следова-

тельно, и способа стабилизации статических харак-

теристик регуляторы подразделяют на статические с

жесткой обратной связью,

астатические

с гибкой

обрат-

ной связью и

универсальные.

Последние в зависимости

от настройки могут работать как по статической, так

и по астатической характеристикам. Регулятор скоро-

сти и дизель образуют замкнутую систему автоматиче-

ского регулирования.

В соответствии с ГОСТ

10151—72

системы

автома-

тического регулирования скорости (САРС) подразде-

ляют на четыре класса точности. К первому классу от-

носят системы, у которых статистическая ошибка

„не

превышает 0,6%, динамический заброс скорости не бо-

лее 5%, а длительность переходного режима не более

2 с; ко второму классу — системы с характеристиками,

пределы которых соответственно 0,8%, 7,5%, 3 с;

к третьему — 1%, 10%, 5 с, к четвертому — 2%,

15%,

10 с.

17. РЕГУЛЯТОРЫ СКОРОСТИ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ

Регулятор

дизеля

2410,5/13.

Измерительный преоб-

разователь скорости (чувствительный элемент) регу-

лятора (рис. 38) состоит из двух центробежных грузов

6, которые могут поворачиваться на некоторый угол

относительно опор, смонтированных на шестерне 8.

Между грузами установлена винтовая пружина 7, вы-

полняющая в регуляторе роль задающего элемента (на-

стройку) .

С изменением скоростного режима дизеля грузы

преодолевая сопротивление пружины 7, отклоняются от

оси вращения и передвигают в ту или другую сторону

элемент сравнения (муфту 5). При возрастании на-

грузки на дизель угловая скорость коленчатого вала

уменьшается, грузы сходятся к центру вращения, муф-

та смещается влево и через рычаг 4 перемещает рей-

ку

так, что цикловая подача топлива увеличивается.

С падением нагрузки на дизель, наоборот, грузы 6

расходятся и рейка ТНВД перемещается так, что по-

дача топлива уменьшается.

Регулятор обеспечивает изменение выходного сиг-

нала

(перемещение рейки ТНВД) пропорционально

входному

сигналу

(изменению угловой скорости)

промежуточной шестерни, приходящей во вращение от

распределительного вала.

Переходная функция такого регулятора имеет вид

й=6ох

Настройка его на необходимый режим работы

(щ=150

рад/с) обеспечивается изменением силы упру-

гости

пружины 7 и талрепом 2, соединяющим рейку

ТНВД с тягой 3.

Регулятор дизеля 6ЧСПН15/18 (ЗД6). Всережим-

•ные

П-регуляторы

дизелей Д6 встроены в общий блок

корпуса ТНВД и приводятся в действие от кулачково-

го вала 1 (рис. 39). На хвостовике вала

жестко за-

креплена поперечина (крестовина) 4, в радиальных

лазах которой установлены шарообразные грузы 3.

Последние опираются с одной стороны на плоскую та-

релку 9, смонтированную таким образом, что она

может вращаться вместе с кулачковым валом и переме-

щаться вдоль его оси, а с другой стороны — на кони-

ческую тарелку 2, жестко соединенную с корпусом ре-

гулятора. В корпусе смонтированы также рычаг 8, рей-

ка ТНВД и регулировочная пружина 6.

Рис. 38. Регулятор дизеля

24-10,5/13

Рис. 39 Регулятор дизеля

6ЧСПН15/18

При различных нагрузках на дизель шарообразные

грузы 3, смещаясь в прорезях поперечины к центру вра-

щения кулачкового вала иди удаляясь от него, приво-

дят в движение плоскую тарелку 9, Последняя в пере-

ходном режиме воздействует через рычаг 8 на рейку

5 ТНВД.

Регулятор поддерживает угловую скорость коленча-

того вала в пределах

50—150

рад/с. Настраивают его

на заданный режим работы изменением силы натяже-

ния пружины 6 путем поворота в соответствующую сто-

рону рычага управления 7. Точку подвеса пружины

можно перемещать вдоль рычага 8 специальным ходо-

вым винтом (на рисунке не показан). При этом изме-

няется жесткость пружины, а соответственно, и степень

неравномерности

(статическая ошибка) регулирования.

С перемещением точки подвеса вверх степень неравно-

мерности

регулирования возрастает, с перемещением ее

вниз — падает. Статическая неравномерность регули-

рования может с помощью этого устройства

поддержи-

ваться в пределах

2-^6%.

Регулятор дизеля

6ЧРН32/48

(6НФД48АУ). Стати-

ческий

П-регулятор

дизеля (рис. 40) выполнен в от-

дельном составном корпусе, смонтированном на тор-

цевой части двигателя со стороны маховика. Верти-

кальный вал 12 регулятора приводится во вращение от

распределительного вала через пару шестерен со спи-