.
Все для туризма со скидкой 5% по промокоду 7DW9FA6V Посмотреть
Категории сайта

Основы взаимодействия дизеля и устройств автоматического регулирования

Понятие о судовом дизеле как объекте регулирования частоты вращения. К основным параметрам судового дизеля, которые необходимо стабилизировать с помощью автоматических регуляторов, относятся частота вращения, температура охлаждающей воды и масла. Требования, предъявляемые к регуляторам, определяются статизмом регуляторной характеристики (степенью неравномерности регулирования и динамическими отклонениями упомянутых параметров от статических характеристик в переходных режимах (см. “Классификация систем автоматики. Основы теории взаимодействия дизеля и устройств автоматического регулирования“).

Рассмотрим особенности дизеля как объекта регулирования частоты вращения.

Уравнение вращения коленчатого вала дизеля с присоединенными к нему массами поступательно движущихся деталей, а также валопроводом и винтом с общим моментом инерции I можно упрощенно представить при отклонениях параметров от установившихся режимов в виде:

I·d(Δω1)=MeMнагр,(*)

где:

  • Me=Me0+ΔMe, Mнагр=Mнагр0+ΔMнагрΔMe

     

    – отклонение эффективного момента от исходного значения 

    Me0

    ;

  • ΔMнагр

     – отклонение момента нагрузки от исходного значения

    Mнагр0

    ;

  • Δω

     – изменение частоты вращения.

Примем допущение, что приращение эффективного момента

ΔMe

 пропорционально приращению хода рейки топливных насосов дизеля 

Δhp

 и не зависит от ω, а приращение момента нагрузки при работе на винт с фиксированным шагом определяется по зависимости:

Mнагр=cω2,ΔMнагр=Δ(cω2)=c·2ω0·Δω0

Тогда уравнение (*) приводим к виду:

Tadφdτ+βφ=μλ, (**)

где:

  • T0=1·ω0Mнагрc

     – время разгона;

  • β=2cω02Mнагр

     – самовыравнивание объекта;

  • φ=Δωω0

     – относительное изменение приращения частоты вращения коленчатого вала дизеля.

μ=(ΔMe/Me0)

 – относительное изменение эффективного момента, принимаемого пропорциональным относительному изменению хода рейки топливных насосов:

z=Δh/Δhp0

Me0=Mнагр0

 – моменты эффективный и нагрузки на исходном установившемся режиме. Величина, обратная времени разгона 

Ta

, характеризует важные свойства объекта – чувствительность объекта к возмущению.

Предположим, что относительный ход Топливные насосы золотникового типарейки топливных насосов и, поэтому, эффективный момент μ изменяется на единицу, а величина 

β=0

, величина 

φ=0

.

Тогда:

dφ=dτTa

Через время 

τ=Ta

  величина φ изменится на единицу

ω на ωном

.

Чем меньше время

Ta

,

 тем быстрее будет изменяться частота вращения дизеля, тем большие требования необходимо предъявлять к конструкции регулятора скорости с тем, чтобы он был более быстродействующим. Обычно с увеличением форсировки дизеля растут величины φ и 

Mнагр0

, поэтому величина

Ta

 может уменьшиться.

Если значение 

β>0

, то решение уравнения (*) примет вид:

φ=1β1e τTa при τ=,φ=1/β

С течением времени, при 

τ=

  коленчатый вал дизеля увеличит свою частоту вращения, которая примет новую, вполне определенную, постоянную величину, отличаю-щуюся от начальной на значение 

1/β

. Таким образом ω не изменяется до бесконечности, а происходит самовыравнивание процесса или саморегулирование дизеля (без воздействия регулятора скорости). Чем больше величина β, тем меньше конечное изменение частоты вращения дизеля.

Величина β зависит не только от свойств нагрузки дизеля, но и от зависимости эффективного момента от ω.

Совместное действие регулятора скорости и дизеля. Рассмотрим как взаимодействуют регулятор скорости и дизель в установившихся и переходных режимах на примере регулятора непрямого действия с жесткой обратной связью. На рис. 1, а представлена схема регулятора скорости непрямого действия с жесткой обратной связью, подобная схеме “Рис. 1 Схема уровня воды“.

Регулятор скорости непрямого действия
Рис. 1 Схема регулятора скорости и его характеристики

Чувствительный элемент частоты вращения в виде вращающихся центробежных грузов 1 передает усилие от центробежной силы грузов на пружину 2. В случае повышения ш под действием разности сил грузов и пружины, золотник 3 перемещается влево и открывает окно 4 в подвижной втулке 5. Масло, подающееся шестеренным насосом, попадает в цилиндр под сервопоршень 6, который передвигаясь, сжимает пружину 7 и передвигает рейку топливных насосов 9 дизеля 10 на уменьшение подачи топлива. В результате частота вращения дизеля ω восстанавливается. Одновременно сервопоршень 6 с помощью рычага жесткой обратной связи 7 передвигает втулку в направлении движения золотника, которая прикрывает окно 4 и способствует устойчивости системы.

В случае, если происходит наброс нагрузки и Реверс дизельного двигателячастота вращения дизеля увеличивается, то процессы в системе регулятор скорости — дизель, идут в обратном направлении. Сервопоршень движется под действием пружины и масло сбрасывается через окно 4.

Дифференциальные уравнения системы регулирования (включающей объект регулирования дизель, и регулятор скорости). Уравнение вращения коленчатого вала дизеля представим в упрощенном виде, пренебрегая самовыравниванием 

(β=0)

:

Tadφdτ=μλ,          Форм. 1

где:

  • λ – относительное изменение момента нагрузки.

Уравнение движения чувствительного элемента при малых изменениях ш можно получить, пренебрегая силами инерции грузов в виде:

Δx=кч.э.Δω,

где:

  • кч.э.

    — коэффициент передачи чувствительного элемента обратно пропорционален жесткости пружины 2.

В относительных единицах это уравнение примет вид:

ζ=кч.э.φ          Форм. 2

где:

  • ζ=Δx/x0.

Уравнение движения сервомотора можно получить. Пренебрегая силами инерции и силами, действующими на сервопоршень извне, из уравнения расходов жидкости через окно и при движении сервопоршня:

Qж=F·dΔZdτμист·fΔρρ

(общий перепад давления 

Δp

 делится на 2 — для каждого окна), где:

  • μист

     – коэффициент истечения через окно;

  • p – плотность жидкости, 

    f=bxy

    ;

  • b – ширина окна.

В результате преобразований получим:

Tx·dzdτ=ζn,        Форм. 3

где:

  •  n=ΔY/X0;
  • Z=ΔZ/Z0;
  •  Ts=F·Z0μист·bΔ3ρ·X0

    – время сервомотора.

Уравнение жесткой обратной связи:

Y=Kос·Z,

где:

  • Kос=BO/AO

(см. схему рис. 1, а).

Предлагается к прочтению: Современные транспортные суда различного назначения

Уравнение основной обратной связи, характеризующее назначение регулятора, стабилизирующего какой-либо параметр путем уменьшения (или увеличения) подвода энергии:

μ=Z

Зависимость наклона регуляторной характеристики и устойчивости от параметров системы. Предположим, что при работе на холостом ходу, когда

λ=μ=0,

то и

φ=0.

Увеличим нагрузку λ на относительную единицу. Тогда из уравнений на установившемся режиме, когда все производные в уравнениях равны 0

xy=0 или Kч.э.φ+Kосμ=0 или φ=KосKч.э.·μ

Величина

δ=Kос/Kч.э.

 – характеризует наклон характеристики и называется также степенью неравномерности. На рис. 1, б показаны статическая характеристика системы. 

Если

Kос

 увеличить передвигая опору с шарниром вниз, то

Kос

 и δ – возрастут.

Таким образом, изменяя положение шарнира 0 настраивает наклон статической характеристики системы.

Если увеличить жесткость пружины чувствительного элемента, то

Kч.э.

 уменьшится, а наклон статической характеристики увеличится.

Рассмотрим динамику системы например при внезапном увеличении нагрузки на единицу.

Читайте также: ТОП 5 самых больших танкеров в мире

В момент

τ=0

 уравнение объекта примет вид:

Tadφdτ=μ1

Tsdμdτ=Kч.э.φ+Kосμ

продифференцируем второе уравнение, определим из него

dφ/dτ

 и подставим в первое уравнение, получим:

TaTsd2μdτ2+TaKосdμdτ+Kч.э.μ=Kч.э.

Характеристическое уравнение для определения корней примет вид:

TaTsp2+TaKосp+Kч.э.=0

корни характеристического уравнения равны:

P1.2=Kос2Ts±Kос24Ts2KчэTaTs

Решение дифференциального уравнения при условии, что подкоренное выражение корней имеет отрицательный знак, получим:

μ=ceKос2TsτcosΩτ+γ,

  • где

Ω=Kос2/4Ts2(Kчэ/TaTs)

Вид решения представлен на рис. 1, в. Решение представлено в виде затухающих колебаний. Амплитуда колебаний уменьшается по экспоненте

eKос2Tsτ.

Пунктиром показаны линии для случая уменьшенного значения Kос.

Чем больше Kос тем быстрее затухает переходный процесс, чем меньше Kос тем медленнее затухает Требования и процесс регулирования судовой автоматикипереходный процесс и колебательность системы больше, что нежелательно.

Вывод из приведенного анализа: следует, что стремление стабилизировать регулируемую величину и уменьшить значение δ приводит к колебательности системы регулирования, к ухудшению устойчивости. Для решения вопроса применяют устройства, которые позволяют временно увеличить наклон регуляторной характеристики и улучшить устойчивость в переходных режимах. Эти устройства не влияют на значение δ на установившихся режимах. К таким устройствам относятся упруго присоединенные катаракты регуляторов прямого действия и изодромные (гибкие) обратные связи регуляторов непрямого действия.

Классификация регуляторов скорости и требования к ним

Регуляторы классифицируются по ряду признаков. Некоторые из них:

  1. Прямого и непрямого действия.
  2. По конструктивному исполнению чувствительных усилительных и исполнительных элементов: гидромеханические, электрические, электронные.
  3. По наклону регуляторной характеристики: астатические и статические.
  4. По диапазону регулирования δ (ОРЛиОРН) подразделяются на однорежимные для дизель-генераторов, предназначенные для работы в узком диапазоне изменения скоростей, всережимные ВРП и ВРН, обеспечивающие заданные параметры в диапазоне от минимальной до номинальной скорости, применяемые для транспортных дизелей; двух- и трехрежимные, применяемы, например, в зонах минимального и максимального Указатели угловой скорости поворотазначения скорости; предельные, применяемые для ограничения скорости. Регуляторы должны оборудоваться устройствами для выполнения следующих операций: дистанционной настройки скорости, регулировки наклона статической характеристики, местного и дистанционного выключения подачи топлива, исполнение команд по аварийным сигналам, автоматического ограничения подачи топлива (по заданной программе, в функции от скорости вращения или давления наддува) и др.
Точность САРС
Класс точности САРС1234
φ %57,51015
τn C23510

Должна быть предусмотрена возможность регулирования наклона регуляторной характеристики, как правило, от 0 до 6 %. Однорежимные регуляторы могут быть разбиты на 4 класса по точности регулирования. 1-ый класс — самая высокая точность; 2, 3 и 4 — соответственно ниже.

Краткие сведения о дизеле, как объекте управления пуском. Понятие автоматическое управление является более общим, чем автоматическое регулирование. В случае автоматизации дизельных установок в качестве систем управления будем понимать системы, осуществляющие автоматизированный (часто часто операции выполняются человеком) или автоматический пуск, прогрев и выход на режим дизеля (ДГ), остановку, реверсирование, разгон, поддержание дизеля в состоянии горячего резерва, обслуживание во время работы.

Как правило, системы ДАУ построены на логических элементах, в основе соединения которых лежит алгоритм, соответствующий выполняемой операции.

Рассмотрим в качестве примера последовательность основной операции — пуска. Обслуживающие системы главного дизеляПуск и прогрев дизеля требует тщательного соблюдения последовательности включения и выключения вспомогательных устройств и изменения частоты вращения при прогреве. При пуске дизеля путем постепенного изменения числа оборотов необходимо добиться снижения вредного влияния:

  • трения из-за повышения вязкости масла на износ деталей;
  • повышенных тепловых напряжений в деталях цилиндро-поршневой группы вследствие перерегулирования тепловых напряжений на 30 % и более;
  • уменьшения зазоров между поршнем и втулкой, приводящего к заклиниванию поршня при прогреве и остановке из-за неодновременного изменения температуры поршня и втулки. Одновременно необходимо обеспечить надежное выполнение операций пуска и остановки в установленное время.

Время пуска и приема нагрузки для прогретого дизеля зависит обычно от мощности и лежит от 50 °С для агрегатов Pe до 50 кВт до 60 °С для агрегатов от 500 до 1 000 кВт с воздушным пуском, и 80 °С для агрегатов свыше 1 000 кВт.

При пуске и прогреве дизеля автоматические операции должны обеспечиваться датчиками, контролирующими температуру охлаждающей воды и масла, частоту вращения, давление пускового воздуха, наличие топлива, масла, уровня воды и другие параметры (например при работе на тяжелом топливе — вязкость топлива) и т. д.

Технологическая последовательность операций при пуске включает перепусковые операции:

  • предварительная прокачка системы смазки (контролируется время прокачки и давление масла);
  • предварительная прокачка системы топливоподачи;
  • предварительное включение свечей накаливания (на двигателях с внутрикамерным смесеобразованием).

Монтаж судовых двигателей внутреннего сгоранияПусковые операции начинаются после завершения предпусковых. По импульсу, поступающему в схему автоматики от реле давления, контролирующего окончание предпусковой прокачки малом, включается стартер или разрешающий пусковой воздушный клапан.

Для двигателей со стартерным пуском пусковая схема предусматривает несколько попыток раскрутки с промежутками (паузами) между ними.

В случае удавшегося пуска схема автоматики отключается по импульсу от реле скорости вращения. Хороший двигатель после пуска выходит на режим прогрева на холостом ходу и пониженной частоте вращения. Реле контроля температуры масла может включить двигатель под нагрузку лишь после прогрева масла до температуры 35-40 °С. Регулятор снабжается серводвигателем, перемещающим орган задания по команде от системы автоматики. По импульсу от реле скорости происходит включение нагрузки (ДГ) или ввод ДГ в параллельную работу.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Сентябрь, 07, 2021 1447 0
Добавить комментарий

Читайте также

Текст скопирован
Пометки
Избранные статьи
Loading

Здесь будут храниться статьи, сохраненные вами в "Избранном". Статьи сохраняются в cookie, поэтому не удаляйте их.

Статья добавлена в избранное! Перезагрузка...
Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить