Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства

Изобретение относится к системе автоматического регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства. Система содержит компрессор, управляющий орган непрерывного действия, регулирующий золотник, мембранный пружинный привод. Вал компрессора приводится во вращение от вала гидрообъемного двигателя. Гидрообъемный двигатель связан трубопроводами с гидрообъемным насосом, регулирующим золотником, масляным баком и фильтром масла. Гидрообъемный насос связан трубопроводом с охладителем масла. Охладитель масла связан с регулирующим золотником, с фильтром масла и масляным баком. Технический результат заключается в улучшении качества работы системы регулирования давления. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

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

Известна автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства с регуляторами непрерывного действия [1], в которой функции исполнительного механизма выполняет электрический привод компрессора. Эта система регулирования давления имет два существенных недостатка. Электрический привод компрессора обладает значительной массой и значительной стоимостью.

Известна автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства [2], содержащая пневматическую систему, соединенную с компрессором, приводимым от вала теплового двигателя посредством механического редуктора и гидродинамической муфты переменного наполнения, вход которой соединен с регулирующим золотником подачи масла в гидродинамическую муфту, отличающаяся тем, что в ней применен управляющий орган непрерывного действия, регулирующий золотник которого связан с мембранным пружинным одностороннего действия приводом, имеющим регулировочную гайку и соединенным трубопроводом с пневматической системой тягового транспортного средства.

В этой автоматической системе регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства функции исполнительного механизма выполняет гидродинамический привод компрессора, содержащий гидродинамическую муфту переменного наполнения. Эти известные системы регулирования давления имеют два существенных недостатка. Гидродинамический привод компрессора обладает малой монтажной «гибкостью» из-за наличия водопровода, связывающего вал компрессора с валом теплового двигателя, что затрудняет компоновку оборудования тягового транспортного средства. Гидродинамический привод компрессора обладает большой инерционностью, обусловленной инерционностью процессов наполнения и опорожнения гидродинамической муфты переменного наполнения, что отрицательно сказывается на устойчивости и качестве работы автоматической системы регулирования давления.

Задача изобретения - повышение показателей качества работы автоматической системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства с автоматическим регулятором давления непрерывного действия.

Указанная задача достигается тем, что предлагаемая автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства, содержащая пневматическую систему, соединенную с компрессором, управляющий орган непрерывного действия, регулирующий золотник которого связан с мембранным пружинным одностороннего действия приводом, имеющим регулировочную гайку и соединенным трубопроводом с пневматической системой тягового транспортного средства, отличается тем, что вал компрессора приводится во вращение от вала гидрообъемного двигателя, связанного трубопроводами с гидрообъемным насосом, регулирующим золотником, масляным баком и фильтром масла, причем гидрообъемный насос, вал которого приводится от вала теплового двигателя, связан трубопроводом с охладителем масла, связанным в свою очередь с регулирующим золотником, с фильтром масла и масляным баком, этим поддерживается постоянным давление сжатого воздуха в пневматической системе тягового транспортного средства. Вал гидрообъемного насоса соединен с валом теплового двигателя, а вал компрессора с валом гидрообъемного двигателя посредством зубчатых редукторов.

На дизельном тяговом подвижном составе применяются следующие приводы компрессоров: механический неотключаемый от главного теплового двигателя; электрический привод, управляемый релейно; гидродинамический с нерегулируемой муфтой, гидродинамический с регулируемой муфтой, гидрообъемный привод, управляемый релейно; привод от вспомогательного теплового двигателя (неотключаемый) [3].

Эксплуатация компрессорных установок на локомотивах значительно отличается от эксплуатации их в стационарных условиях. Из-за специфики поездной работы, конструкционных особенностей локомотивов и типов привода компрессоров это отличие характеризуется переменными скоростью вращения вала, давлением нагнетания, температурными условиями, частыми пусками и остановками или сменами рабочего и холостого хода [4].

На фиг.1 изображена функциональная схема автоматической системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства, на фиг.2 - статическая характеристика автоматического релейного регулятора давления, на фиг.3 - статические характеристики автоматического регулятора давления непрерывного действия: 1 - при выключении привода компрессора при ω_к=0; 2 - при выключении привода компрессора при ω_к=(0,13-0,17)ω_{к макс}, на фиг.4 - принципиальная схема автоматической системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства, на фиг.5 - принципиальная схема автоматической системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства при наличии зубчатых редукторов в приводах насоса и компрессора.

Известно, что из всех применяемых способов изменения подачи сжатого воздуха Q₂ и давления p_к компрессоров способ изменения их путем изменения скорости вращения вала компрессора ω_к является наиболее эффективным. Однако для поддержания давления воздуха p_к в пневматической системе тягового транспортного средства широко применяются релейные автоматические системы регулирования давления (АСРД), в которых функции исполнительно-регулирующих устройств (ИРУ), т.е. исполнительных механизмов (ИМ) в совокупности с регулирующими органами (РО), выполняют привод компрессора и собственно компрессор (см. фиг.1). Сама пневматическая система тягового транспортного средства является объектом регулирования давления (ОРД). Автоматический регулятор давления (АРД) содержит кроме исполнительно-регулирующего устройства еще управляющий орган (УО), состоящий из измерительного устройства (ИУ), задающего (ЗУ), сравнивающего (СУ) и усилительно-преобразующего (УУ) устройств [5, с.342-368].

На объект регулирования давления действуют внешние возмущающие воздействия: расход воздуха из пневматической системы Q₁(λ₁), температура T_а(λ₂) и давление p_a(λ₃) атмосферного (всасываемого) воздуха. Для поддержания регулируемой величины - давления p_к(φ) в заданном диапазоне автоматический регулятор давления изменяет регулирующее воздействие - подачу воздуха Q₂(µ) в пневматическую систему. Автоматический релейный регулятор давления имеет статическую характеристику в виде петли (см. фиг.2.), и при работе автоматической системы регулирования давления величина p_к изменяется в пределах от p_к1 до p_к2. Повышение давления величины p_к от p_к1 до р_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 [6]. Результаты испытаний показывают, что скорость износа деталей компрессора возрастает как с увеличением ω_к, так и с увеличением p_к, причем более сильное влияние на увеличение скорости износа оказывает давление p_к. При увеличении p_к в 1,4 раза (с 0,7 до 1,0 МПа) скорость износа шатунных шеек возрастает в 3,2 раза, тогда как при увеличении ω_к в 1,4 раза (с 1170 до 1640 об/мин) - только в 1,2 раза. Наиболее интенсивно скорость износа начинает увеличиваться при p_к более 0,6-0,7 МПа [7].

Изменение режимов работы компрессора оказывает существенное влияние не только на скорость износа деталей цилиндропоршневой группы, но и на расход смазки. С повышением ω_к и давления нагнетания p_к расход смазки увеличивается. Например, при испытаниях компрессора на номинальном скоростном режиме с серийными поршневыми кольцами увеличение p_к от 0 до 0,6, 0,8 и 1,0 МПа привело к увеличению расхода смазки соответственно в 1,8, 2,7 и 3,0 раза. При уменьшении скорости вращения вала компрессора ω_к с 1450 до 710 об/мин расход смазки снижался примерно в 6 раз [6]. Для уменьшения износа деталей цилиндропоршневой группы компрессора и уменьшения расхода смазки необходимо применять непрерывное регулирование давления воздуха p_к наиболее эффективным способом - плавным изменением ω_к, при котором уменьшается время работы компрессора при ω_{к макс} и p_{к макс}. Автоматические системы регулирования давления непрерывного действия содержат автоматические регуляторы давления, статические характеристики которых имеют вид, показанный на фиг.3. Анализ свойств автоматических регуляторов давления релейного и непрерывного действия показывает, что при непрерывном регулировании давления компрессор работает больше времени при пониженной ω_к и пониженном p_к, что способствует уменьшению скорости износа деталей цилиндропоршневой группы и уменьшению расхода смазки (стоимость которой на порядок выше стоимости дизельного топлива).

Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства с автоматическим регулятором давления непрерывного действия (см. фиг.4) содержит компрессор 1, приводимый от вала гидрообъемного двигателя 2, питаемого от гидрообъемного насоса 3, вал которого соединен с валом теплового двигателя 4. Расходом масла через двигатель 2, а значит, и частотой вращения его вала и вала компрессора 1 ω_к управляет регулирующий золотник 5, положение которого зависит от давления воздуха p_к в камере под мембраной 6 и силы измерительной пружины 7. Силу затяжки измерительной пружины 7 можно изменять с помощью регулировочной гайки 8. Давление в полость под мембраной 6 подводится из пневматической системы 9 тягового транспортного средства, расход воздуха из которой Q₁ зависит от режимов работы пневматических устройств тягового транспортного средства. Мембрана 6, измерительная пружина 7, регулировочная гайка (гайка задания) 8, регулирующий золотник 5 и корпус 10 образуют управляющий орган автоматического регулятора давления. Гидрообъемный привод компрессора содержит также охладитель масла 11, фильтр масла 12 и масляный бак 13.

В случае необходимости иметь частоту вращения вала насоса 3, отличную от частоты вращения вала теплового двигателя 4, или иметь частоту вращения вала компрессора 1, отличную от частоты вращения вала двигателя 2, применяются зубчатые редукторы (см. фиг.5).

Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства работает следующим образом. При p_к ниже р_к1 (см. фиг.3 и 4) пружина 7 удерживает регулирующий золотник 5 в крайнем нижнем положении. Отверстие для подачи масла G₁ на перепуск мимо двигателя 2 полностью закрыто регулирующим золотником 5. Все масло от насоса 3 подается в двигатель 2, его вал и вал компрессора 1 вращаются с максимальной частотой. Компрессор 1 имеет подачу Q_{2 макс}, и давление p_к повышается. После достижения p_к значения p_к1 сила давления воздуха p_к на мембрану 6 управляющего органа становится больше силы измерительной пружины 7. Мембрана 6 начинает прогибаться вниз и регулирующий золотник 5 начинает открывать отверстие для подачи масла G₁ на перепуск мимо двигателя 2. Это приводит к уменьшению расхода масла через двигатель 2, к уменьшению частоты вращения ω_к и подачи Q₂ компрессора 1. Когда подача Q₂ компрессора 1 станет равной расходу Q₁, наступит установившийся режим работы автоматической системы регулирования давления и p_к будет постоянным. Если p_к становится равным p_к2 регулирующий золотник 5 обеспечивает полную подачу масла G₁ на перепуск мимо двигателя 2, компрессор 1 останавливается и подача его Q₂ становится равной нулю. Поскольку компрессор 1 дает заметную подачу при частоте вращения ω_к>(0,13-0,17)ω_{к макс}, то автоматическую систему регулирования давления можно настраивать так, чтобы регулирующий золотник 5 открывал подачу масла G₁ на перепуск мимо двигателя 2 при достижении этой минимальной частоты вращения (см. фиг.3). Таким образом, при разных расходах воздуха из пневматической системы тягового транспортного средства автоматическая система регулирования давления всегда будет поддерживать подачу Q₂ компрессора 1, равную расходу Q₁ из пневматической системы при изменении давления в диапазоне от p_к1 до p_к2.

Технический результат - улучшение показателей качества работы автоматической системы регулирования давления сжатого воздуха в пневматической системе тягового транспортного средства и технико-экономических показателей.

Предлагаемая автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства отличается от известных систем тем, что в ней с помощью автоматического регулятора давления, содержащего регулируемый гидростатический (гидрообъемный) привод компрессора, поддерживается постоянным давление сжатого воздуха в пневматической системе тягового транспортного средства, а не подача компрессора. Это обеспечивает значительно меньший износ деталей компрессора и меньший расход масла компрессором. Гидрообъемный привод компрессора обладает большой монтажной «гибкостью», очень малой инерционностью, значительно меньшей массой и стоимостью, чем электрический привод компрессора.

Автоматический регулятор давления непрерывного действия, примененный в предлагаемой автоматической системе регулирования давления, является статическим, имеет простую схему и конструкцию, в котором функции датчика давления выполняют мембрана 6 и измерительная пружина 7 управляющего органа. Этот датчик давления преобразует изменение регулируемой величины - давления p_к в изменение перемещения регулирующего золотника 5.

Технический результат достигается за счет того, что автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства содержит пневматическую систему, соединенную с компрессором, управляющий орган непрерывного действия, регулирующий золотник которого связан с мембранным пружинным одностороннего действия приводом, имеющим регулировочную гайку и соединенным трубопроводом с пневматической системой тягового транспортного средства; вал компрессора приводится от вала гидрообъемного двигателя, связанного трубопроводами с гидрообъемным насосом, регулирующим золотником, масляным баком и фильтром масла; гидрообъемный насос, вал которого приводится от вала теплового двигателя, связан трубопроводом с охладителем масла, связанным в свою очередь с регулирующим золотником, с фильтром масла и масляным баком; вал гидрообъемного насоса с валом теплового двигателя, а вал компрессора с валом гидрообъемного двигателя соединяются посредством зубчатых редукторов; этим поддерживается постоянным давление сжатого воздуха в пневматической системе тягового транспортного средства.

Источники информации

1. Патент РФ 2254249. Система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства / Н.М.Луков, О.Н.Ромашкова, А.С.Космодамианский, И.А.Алейников. - Опубл. 20.06.05, БИ №17.

2. Патент РФ 2239220. Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства/ Н.М.Луков, О.Н.Ромашкова, А.С.Космодамианский, И.А.Алейников. - Опубл. 27.10.04, БИ №30.

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

4. Шарунин А.А. Эксплуатационные испытания локомотивных компрессоров ПК-35 и ПК-3,5. Труды ЦНИИ МПС, 1970, Вып. 413.

5. Луков Н.М., Космодамианский А.С. Автоматические системы управления локомотивов: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007. - 429 с.

6. Банников В.А., Маньшин А.П. Влияние режимов работы компрессоров на износ деталей цилиндропоршневой группы и расход смазки. - Коломна: Труды ВНИТИ, 1983, Вып. 58.

7. Цыкунов Ю.И. Результаты испытаний на износ компрессоров ПК-35 и ПК-3,5. - М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, Транспортное машиностроение, 1968, Вып. 13.

1. Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства, содержащая пневматическую систему, соединенную с компрессором, управляющий орган непрерывного действия, регулирующий золотник которого связан с мембранным пружинным одностороннего действия приводом, имеющим регулировочную гайку и соединенным трубопроводом с пневматической системой тягового транспортного средства, отличающаяся тем, что вал компрессора приводится во вращение от вала гидрообъемного двигателя, связанного трубопроводами с гидрообъемным насосом, регулирующим золотником, масляным баком и фильтром масла, причем гидрообъемный насос, вал которого приводится от вала теплового двигателя, связан трубопроводом с охладителем масла, связанным в свою очередь с регулирующим золотником, с фильтром масла и масляным баком, этим поддерживается постоянным давление сжатого воздуха в пневматической системе тягового транспортного средства.

2. Система по пункту 1, отличающаяся тем, что вал гидрообъемного насоса соединен с валом теплового двигателя, а вал компрессора - с валом гидрообъемного двигателя посредством зубчатых редукторов.