Система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства

Изобретение относится к области совершенствования поршневых компрессорных установок тягового подвижного состава. Вал компрессора соединен с валом асинхронного двигателя, статорная обмотка которого подключена к синхронному генератору, приводимому от вала теплового двигателя, а роторная обмотка посредством выпрямителя подключена к якорной обмотке регулирующей машины постоянного тока, обмотка возбуждения которой соединена с первым блоком управления, соединенным с первым цифроаналоговым преобразователем, подключенным к первому выходу микропроцессорного контроллера, к первому входу которого посредством первого аналого-цифрового преобразователя подключен датчик давления в пневматической системе, а ко второму входу микропроцессорного контроллера посредством второго аналого-цифрового преобразователя подключен датчик скорости вращения вала компрессора. Второй выход микропроцессорного контроллера посредством второго цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления контактора подключения асинхронного двигателя к синхронному генератору, а третий выход микропроцессорного контроллера посредством третьего цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления тяговым транспортным средством. Технический результат заключается в обеспечении автоматического поддержания давления в пневматической системе тягового транспортного средства независимо от расхода воздуха, температуры и давления в атмосфере. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области совершенствования поршневых компрессорных установок тягового подвижного состава, например дизельного тягового подвижного состава, на котором компрессоры приводятся от теплового двигателя.

На дизельном тяговом подвижном составе применяются следующие приводы компрессоров: механический, неотключаемый от главного теплового двигателя; электрический, регулируемый релейно; гидродинамический с регулируемой муфтой; привод от вспомогательного теплового двигателя (неотключаемый).

На объект регулирования давления действуют внешние возмущающие воздействия: расход воздуха из пневматической системы Q₁, температура Т_а и давление ρ_а атмосферного (всасываемого) воздуха. Для поддержания регулируемой величины - давления ρ_к в заданном диапазоне автоматический регулятор давления изменяет регулирующее воздействие - подачу воздуха Q₂ в пневматической системе.

Релейный автоматический регулятор давления имеет статическую характеристику в виде петли, и при работе автоматической системы регулирования давления величина ρ_к изменяется в пределах от ρ_к1 до ρ_к2. Повышение давления, величина ρ_к от ρ_к1 до ρ_к2, осуществляется при работе компрессора с максимальной скоростью вращения вала ω_{к макс} и максимальной подачей Q_{2 макс}. При этом наблюдается максимальная скорость износа деталей цилиндро-поршневой группы компрессора и увеличенный расход смазки. Так уменьшение ω_к с 1450 до 710 об/мин приводит к снижению скорости износа компрессионных и маслосъемных колец (из улучшенного специального фосфористого чугуна) первой и второй ступеней в 1,3-3 раза, а цилиндров в 2,5-3 раза. Результаты испытаний показывают, что скорость износа деталей компрессора возрастает как с увеличением ω_к, так и с увеличением ρ_к, причем более сильное влияние на увеличение скорости износа оказывает давление ρ_к.

Известна автоматическая система регулирования давления воздуха в пневмосистеме тягового транспортного средства (тепловоза), в которой при достижении максимального давления в пневматической системе тепловоза релейный автоматический регулятор (фактически двухпредельное реле) давления подает сжатый воздух в цилиндр привода золотника управления наполнением гидродинамической муфты привода поршневого компрессора, золотник перемещается в положение, при котором прекращается подача масла в полость гидродинамической муфты [1, с.308; с.127, 218]. По мере опорожнения гидродинамической муфты компрессор замедляет ход и, наконец, останавливается. При достижении давления воздуха в главных воздушных резервуарах (в пневматической системе) тепловоза минимально допустимого значения релейный автоматический регулятор давления прекращает подачу сжатого воздуха в цилиндр привода золотника управления наполнением муфты, и возвратная пружина золотника перемещает его в положение, при котором осуществляется подача масла в полость гидродинамической муфты. Гидродинамическая муфта заполняется маслом, и вал компрессора вращается с максимальной скоростью. Это наиболее близкий аналог.

Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе с механическим или гидродинамическим приводами компрессора имеет малую монтажную гибкость из-за наличия валопровода между тепловым двигателем и компрессором. Для значительного увеличения монтажной гибкости применяют электрические (в основном, постоянного тока) приводы компрессоров. Однако все автоматические системы регулирования давления в пневматической системе тяговых транспортных средств с электрическим приводом компрессоров - релейного действия. Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе непрерывного действия позволяет не только значительно уменьшить скорость износа деталей цилиндро-поршневой группы и расход смазки, но имеет большую монтажную гибкость, что очень важно для облегчения размещения оборудования.

Задача заявленного изобретения - уменьшить износ деталей цилиндро-поршневой группы компрессора и уменьшения расхода смазки.

Сущность заявленного изобретения состоит в том, что

- вал компрессора соединен с валом асинхронного двигателя, статорная обмотка которого подключена к синхронному генератору, приводимому от вала теплового двигателя, а роторная обмотка посредством выпрямителя подключена к якорной обмотке регулирующей машины постоянного тока, обмотка возбуждения которой соединена с первым блоком управления, соединенным с первым цифроаналоговым преобразователем, подключенным к первому выходу микропроцессорного контроллера, к первому входу которого посредством первого аналого-цифрового преобразователя подключен датчик давления в пневматической системе, а ко второму входу микропроцессорного контроллера посредством второго аналого-цифрового преобразователя подключен датчик скорости вращения вала компрессора, второй выход микропроцессорного контроллера посредством второго цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления контактора подключения асинхронного двигателя к синхронному генератору, а третий выход микропроцессорного контроллера посредством третьего цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления тяговым транспортным средством;

- в нагнетательный канал компрессора включен разгрузочный клапан, соединенный посредством четвертого цифроаналогового преобразователя с четвертым выходом микропроцессорного контроллера;

- статорная обмотка асинхронного двигателя подключена к машинному расщепителю фаз, соединенному с понижающим трансформатором, или к преобразователю напряжения и частоты постоянных значений, питающему вспомогательное оборудование;

- асинхронный двигатель и регулирующая машина постоянного тока выполнены в виде однокорпусного агрегата, на валу которого смонтирован между ротором и кольцами асинхронного двигателя якорь регулирующей машины постоянного тока, а в общей станине смонтированы статоры асинхронного двигателя, регулирующей машины постоянного тока и выпрямителя.

На фиг.1 показана статическая характеристика релейного автоматического регулятора давления.

В пневматической системе при работе автоматической системы регулирования давление ρ_к изменяется в пределах от ρ_к1 до ρ_к2. Компрессор включается при ρ_к=ρ_к1 и отключается при ρ_к=ρ_к2. При этом компрессор работает с максимальной подачей сжатого воздуха Q_{2 макс} и максимальной скоростью вращения вала ω_{к макс}.

На фиг.2 - статические характеристики автоматического регулятора давления непрерывного действия.

Статическая характеристика 1 - при увеличении давления сжатого воздуха в пневматической системе от ρ_к1 до ρ_к2 скорость вращения вала компрессора уменьшается от ω_кмакс до ω_к=0.

Статическая характеристика 2 - при увеличении давления сжатого воздуха в пневматической системе от ρ_к1 до ρ_к2 скорость вращения вала компрессора уменьшается от ω_{к макс} до ω_к2=(0,12-0,17)ω_{к макс}.

На фиг.3 представлена принципиальная схема автоматической системы регулирования давления в пневматической системе дизельного тягового транспортного средства, где показаны: 1 - компрессор; 2 - асинхронный двигатель; 3 - регулирующая машина постоянного тока; 4 - синхронный генератор; 5 - тепловой двигатель (дизель); 6 - выпрямитель; 7 - пневматическая система; 8 - датчик давления; 9 - первый аналого-цифровой преобразователь; 10 - программируемый микропроцессорный контроллер; 11 - датчик скорости вращения; 12 - второй аналого-цифровой преобразователь; 13 - первый цифроаналоговый преобразователь; 14 - первый блок управления; 15 - обмотка возбуждения регулирующей машины постоянного тока; 16 - второй цифроаналоговый преобразователь; 17 - второй блок управления; 18 - контактор; 19 - третий цифроаналоговый преобразователь; 20 - третий блок управления.

На фиг.4а показана линией 1 зависимость относительной мощности компрессора от относительной скорости вращения вала компрессора.

На фиг.4б показана зависимость относительного вращающего момента на валу компрессора от относительной скорости вращения вала компрессора.

На фиг.4в линии 3, 4 и 5 соответственно показывают зависимости относительной мощности компрессора, относительной мощности скольжения асинхронного двигателя и относительной мощности на валу асинхронного двигателя от относительной скорости вращения вала компрессора и скольжения асинхронного двигателя.

На фиг.5 представлена конструктивная схема комплексного агрегата, объединяющего в одном корпусе асинхронный двигатель, регулирующую машину постоянного тока и выпрямитель, где 21 - статор асинхронного двигателя; 22 - ротор асинхронного двигателя; 23 - якорь регулирующей машины постоянного тока; 24 - обмотка возбуждения регулирующей машины постоянного тока; 25 - коллектор регулирующей машины постоянного тока; 26 - щетки регулирующей машины постоянного тока; 27 - выпрямитель; 28 - контактные кольца; 29 - щетки асинхронного двигателя; 30 - станина (корпус) агрегата; 31 - вал агрегата.

На фиг.6 представлена принципиальная схема автоматической системы регулирования давления в пневматической системе дизельного тягового транспортного средства с разгрузочным клапаном, где 1 - компрессор; 2 - асинхронный двигатель; 3 - регулирующая машина постоянного тока; 4 - синхронный генератор; 5 - тепловой двигатель (дизель); 6 - выпрямитель; 7 - пневматическая система; 8 - датчик давления; 9 - первый аналого-цифровой преобразователь; 10 - программируемый микропроцессорный контроллер; 11 - датчик скорости вращения; 12 - второй аналого-цифровой преобразователь; 13 - первый цифроаналоговый преобразователь; 14 - первый блок управления; 15 - обмотка возбуждения регулирующей машины постоянного тока; 16 - второй цифроаналоговый преобразователь; 17 - второй блок управления; 18 - контактор; 19 - третий цифроаналоговый преобразователь; 20 - третий блок управления; 32 - разгрузочный клапан; 33 - четвертый цифроаналоговый преобразователь.

Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства работает следующим образом. При ρ_к ниже ρ₁ (см. фиг.2 и 3) ток возбуждения регулирующей машины постоянного тока 3 равен нулю и валы асинхронного двигателя 2, регулирующей машины постоянного тока 3 и компрессора 1 вращаются со скоростью ω_{к макс}, компрессор имеет подачу Q_{2 макс} и давление ρ_к повышается. При достижении ρ_к значения ρ_к1 начинается регулирование ω_к изменением тока возбуждения регулирующей машины постоянного тока 3. Если при установившейся скорости ω_к увеличить ток возбуждения регулирующей машины постоянного тока, то возрастет ее ЭДС, что приведет к уменьшению тока в цепи выпрямителя 6 и в роторной обмотке асинхронного двигателя 2. В результате уменьшится вращающий момент асинхронного двигателя и скорость ω_к начнет уменьшаться. Уменьшение ω_к происходит до тех пор, пока момент, развиваемый асинхронным двигателем и регулирующей машиной постоянного тока, не возрастет до значения момента сопротивления компрессора 1 и ток в выпрямительной цепи не достигнет установившегося значения. При этом ω_к будет меньше, чем до увеличения тока возбуждения регулирующей машины постоянного тока. Наоборот, при уменьшении тока возбуждения регулирующей машины постоянного тока ω_к увеличится. Повышение ρ_к приводит к увеличению тока возбуждения регулирующей машины постоянного тока, уменьшению ω_к и подаче компрессора Q₂. Когда подача компрессора Q₂ станет равной расходу Q₁, наступит установившийся режим работы автоматической системы регулирования давления и ρ_к будет постоянным.

Если ρ_к становится равным ρ_к2, ток возбуждения регулирующей машины постоянного тока становится максимальным, компрессор останавливается и подача его становится равной нулю. Таким образом, при разных расходах воздуха из пневматической системы тягового транспортного средства автоматическая система регулирования давления всегда будет поддерживать подачу Q₂, равную расходу Q₁, при изменении давления в диапазоне от ρ_к1 до ρ_к2.

Управляющая программа бортового микропроцессорного контроллера 15 содержит требуемый алгоритм работы автоматического регулятора давления. Например, программа может содержать такое задание: при скорости уменьшения ρ_к больше заданного значения микропроцессорный автоматический регулятор давления должен быстро увеличить ω_к и подачу компрессора Q₂ до максимальных значений. Эта функция не может быть реализована в известных автоматических системах регулирования давления в пневматических системах тяговых транспортных средств.

Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства является замкнутой автоматической энергетической системой. Известно, что такие системы при определенном сочетании значений статических и динамических параметров их элементов, условий и режимов работы могут работать некачественно и даже неустойчиво, например в режиме автоколебаний. Задачи обеспечения устойчивости и качественной работы микропроцессорных систем решаются программными средствами с использованием методов теории автоматических систем.

В предлагаемой автоматической системе регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства с электрическим приводом компрессора непрерывного действия (см. фиг.3) компрессор 1 приводится от вала асинхронного двигателя 2, соединенного с валом регулирующей машины постоянного тока 3 (фиг.4). Статорная обмотка асинхронного двигателя 2 подключена к статорной обмотке синхронного генератора 4, приводимого от вала теплового двигателя 5, а роторная обмотка асинхронного двигателя 2 подключена к выпрямителю 6. Давление ρ_к в пневматической системе 7 измеряется датчиком давления 8, подключенным посредством первого аналого-цифрового преобразователя (АЦП1) 9 к первому входу микропроцессорного программируемого контроллера 10. Скорость вращения вала асинхронного двигателя 2, регулирующей машины постоянного тока 3 и компрессора 1 ω_к измеряется датчиком скорости вращения 11, подключенным посредством второго аналого-цифрового преобразователя (АЦП2) 12 ко второму входу микропроцессорного программируемого контроллера 10. Микропроцессорный программируемый контроллер 10 посредством первого цифроаналогового преобразователя (ЦАП1) 13 соединен с первым блоком управления 14, подключенным к обмотке возбуждения 15 регулирующей машины постоянного тока 3, посредством второго цифроаналогового преобразователя 16 - со вторым блоком управления 17 контактором 18, и посредством третьего цифроаналогового преобразователя 19 - с третьим блоком управления 20 теплового двигателя 5.

Анализ отдельных видов потерь в тормозных компрессорах тяговых транспортных средств и обобщение результатов экспериментальных исследований показывают, что при работе поршневых компрессоров с переменной ω_к и постоянным ρ_к характеристики их имеют вид, представленный на фиг.4 (зависимости относительных мощности компрессора - линии 1 и 3, момента - линия 2, мощности скольжения асинхронного двигателя - линия 4 и мощности на валу асинхронного двигателя - линия 5, от относительной ω_к). Из чертежа видно, что мощность, потребляемая компрессором, пропорциональна ω_к и в диапазоне относительно ω_к=(0-0,17)ω_{к макс} она практически равна нулю. Максимальная мощность скольжения асинхронного двигателя при S=0,4 и она в пять раз меньше номинальной мощности компрессора. Мощность скольжения асинхронного двигателя возвращается на вал компрессора с помощью регулирующей машины постоянного тока, поэтому мощность на валу асинхронного двигателя изменяется по характеристике 5. При относительных ω_к, близким к 1,0, момент на валу компрессора создается главным образом асинхронным двигателем, но по мере снижения ω_к все большую часть нагрузки воспринимает регулирующая машина постоянного тока. Однако, так как с уменьшением ω_к уменьшается мощность компрессора, то мощность скольжения асинхронного двигателя и мощность регулирующей машины постоянного тока уменьшаются.

Предлагаемый электрический привод компрессора характеризуется рядом положительных качеств: 1) этот привод представляет собой привод переменного тока, т.е. подключается непосредственно к источнику переменного тока без промежуточных преобразователей; преобразователи в роторной цепи служат лишь для регулирования скорости вращения; 2) основу привода составляет асинхронный двигатель, более простой, надежный и не требующий такого ухода в эксплуатации, как машины постоянного тока; 3) этот привод экономичен, поскольку КПД асинхронного двигателя несколько выше КПД машины постоянного тока, а преобразованию подвергается лишь часть энергии, пропорциональная скольжению; 4) привод обеспечивает плавное регулирование скорости и момента и не требует большого количества силовой контактной аппаратуры; 5) привод имеет малую мощность управления, легко поддается автоматизации, обладает хорошими динамическими качествами; КПД и коэффициент мощности такого привода мало зависят от ω_к, а определяются главным образом моментом компрессора; при изменении ω_к в рабочем диапазоне эти коэффициенты изменяются в пределах 0,80-0,85.

Предлагаемый электрический привод компрессора значительно выигрывает по своим техническим и эксплуатационным качествам, если асинхронный двигатель, регулирующая машина постоянного тока и выпрямитель выполняются в виде одного комплексного агрегата, конструктивная схема которого приведена на фиг.5.

С целью уменьшения времени разгона при пуске электрического привода компрессора в микропроцессорной автоматической системе регулирования давления применен разгрузочный клапан 32, подключенный посредством четвертого цифроаналогового преобразователя (ЦАП4) 33 к четвертому выходу микропроцессорного контроллера 10 (см. фиг.6). При включении с помощью контактора 16 электрического привода компрессора включается клапан 32 и соединяет нагнетательную полость компрессора 1 с атмосферой. При достижении ω_к, например, значения ω_к=(0,13-0,17)ω_{к макс} клапан 32 выключается и компрессор подает сжатый воздух в пневматическую систему 7. Однако несмотря на применение в релейных автоматических системах регулирования давления разгрузочных клапанов, наблюдается большое число выходов из строя электрических приводов компрессора на электровозах по причине сгорания обмоток электродвигателей [2].

Технический результат от применения предлагаемой непрерывной автоматической системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства заключается также в значительном уменьшении скорости износа деталей цилиндро-поршневой группы компрессора и уменьшении расхода смазки при непрерывном регулировании давления ρ_к наиболее эффективным способом - плавным изменением скорости вращения вала компрессора ω_к, при этом уменьшается время работы компрессора при максимальной скорости вращения ω_{к макс} и максимальном давлении ρ_{к макс}.

Источники информации

1. Тепловозы. Конструкция, теория и расчет. / Под ред. Н.И.Панова. - М.: Машиностроение, 1976. - 544 с.

2. Маныпин А.П. Обобщение опыта эксплуатация быстроходных транспортных компрессоров. Труды ВНИТИ, 1973, Вып.38.

1. Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства, содержащая компрессор, соединенный с валом регулирующей машины постоянного тока, отличающаяся тем, что вал компрессора соединен с валом асинхронного двигателя, статорная обмотка которого подключена к синхронному генератору, приводимому от вала теплового двигателя, а роторная обмотка посредством выпрямителя подключена к якорной обмотке регулирующей машины постоянного тока, обмотка возбуждения которой соединена с первым блоком управления, соединенным с первым цифроаналоговым преобразователем, подключенным к первому выходу микропроцессорного контроллера, к первому входу которого посредством первого аналого-цифрового преобразователя подключен датчик давления в пневматической системе, а ко второму входу микропроцессорного контроллера посредством второго аналого-цифрового преобразователя подключен датчик скорости вращения вала компрессора, второй выход микропроцессорного контроллера посредством второго цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления контактора подключения асинхронного двигателя к синхронному генератору, а третий выход микропроцессорного контроллера посредством третьего цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления тяговым транспортным средством.

2. Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что в нагнетательный канал компрессора включен разгрузочный клапан, соединенный посредством четвертого цифроаналогового преобразователя с четвертым выходом микропроцессорного контроллера.