Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и здачи исследования
1.1. Анализ существующих методов оценки и расчета работоспособности . 7
1.2. В ы в од ы Ю
1.3. Цели и задачи исследования II
2. Разработка математической модели системы . автоматического регулирования .скорости.
2.1. Методики математического моделирования систем.автоматического регулирования скорости дизеля 14
2.2. Функциональная схема системы автоматического регулирования скорости дизеля. 24
2.3. Математическая модель регулятора скорости 27
2.3.1. Уравнение центробежного измерителя скорости 27
2.3.2. Уравнение движения серводвигателя с учетом перестановочных усилий . . 29
2.3.3. Уравнение изодромной силовой обратной связи 35
2.3.4. Уравнение пружинно-гидравлического демпфера 36
2.4. Уравнение привода регулятора скорости 37
2.5. Математическая модель дизеля 45
2.5.1. Уравнение собственно дизеля 46
2.5.2. Уравнение турбокомпрессора 48
2.5.3. Уравнение топливоподающей аппаратуры 51)
2.5.4. Дифференциальное уравнение впускного коллектора 51
2.5.5. Уравнение выпускного коллектора 53
2.5.6. Уравнение-нагрузки 55
2.6. Уравнения системы автоматического регулирования скорости дизеля с турбонаддувом 56
3. Расчетно-аналитическое исследование динамических свойств системы автоматического регулирования скорости . дизеля
3.1. Расчет коэффициентов модели САРС с учетом реальной неравномерности вращения и перестановочных усилий . на рейке ТНВД . 58
3.2. Влияние перестановочных усилий на время.серводвига- . теля ,.. * 85
3*3* Методика расчета переходных процессов 8^
3.4. Влияние на динамические показатели САРС параметров . дизеля и его агрегатов ,..' .«*.*... 90
3.5. Результаты теоретического исследования ЮО
4. Экспериментальное исследование динамических и статических характеристик системы автоматического . регулирования скорости дизеля
4.1. Принципиальные и конструктивные, особенности регулятора переменной работоспособности . ^3
4.2. Экспериментальные методы исследования.систем автоматического, регулирования скорости и регуляторов скорости 106
4.3. Экспериментальная установка
4.3.1. Устройство сопряжения и применяемая аппаратура
4.4. Экспериментальное исследование регуляторов скорости на моделирующем стенде 137
4.5. Анализ результатов эксперимента 149
4.6. Основные результаты экспериментального исследования. 4;7. Погрещности измерений и расчетов 158
4.8. Оценка экономической эффективности внедрения результатов работы 160
Заключение 165
Литература
- Анализ существующих методов оценки и расчета работоспособности
- Методики математического моделирования систем.автоматического регулирования скорости дизеля
- Расчет коэффициентов модели САРС с учетом реальной неравномерности вращения и перестановочных усилий . на рейке ТНВД
- Принципиальные и конструктивные, особенности регулятора переменной работоспособности
Введение к работе
Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981 и 1985 годы и на период до 1990 года, намеченные ХХУТ съездом КПСС [і] , предусматривают дальнейшее расширение производства дизельных двигателей с высокими технико-экономическими показателями. Возрастающие потребности народного хозяйства в дизелях объясняются их. высокой экономичностью и надежностью. Наряду с увеличением выпуска высокооборотных автотракторных, дизелей, -возрастает, выпуск- средне и малооборотных дизелей,, применяющихся как на различных.видах транспорта, так ив стационарных, энергетических установках.. Существенные различия характеристик энергопотребителей приводят к необходимости увеличения номенклатуры ..выпускаемых дизелей .и их модификаций. Одним из основных агрегатов, определяющих качество, работы дизельного двигателя, является. регулятор скорости. Большинство крупных стационарных и транспортных дизелей в настоящее время оборудуются регуляторами скорости непрямого действия, которые, в соответствии с принятой классификацией [23 J. разделяются по. своей работоспособности. Изменение работоспособности регулятора скорости, обусловленное отличиями перестановочных усилий для топливной аппаратуры дизелей различных типов, приводит к необходимости существенного изменения конструкции всего регулятора скорости даже при условии сохранения его принципиальной схемы. Вместе с тем ХХУТ съезд КПСС среди важнейших задач по развитию науки и ускорению технического прогресса поставил и следующую [2] : "Широко применять при создании новых машин, оборудования, аппаратуры и приборов модульный принцип с использованием унифицированных узлов и агрегатов".
В данной работе предлагается регулятор скорости непрямого действия с переменной работоспособностью. Переменная работоспособность данного регулятора позволяет значительно расширить степень его унификации, применяя на дизелях с топливной аппаратурой, имеющей очень широкий диапазон изменения перестановочных усилий. С целью исследования регулятора скорости переменной работоспособности в лабораторных и заводских условиях была разработана математическая модель САРС дизеля, с газотурбинным наддувом, имеющая, ряд отличительных особенностей.от ранее применявшихся, разработаны моделирующий.стенд.и. методика динамического моделирования, позволяющая производить оценку качества работы различных типов-регуляторов скорости.. Методика динамического, моделирования, при. исследовании.регуляторов скорости,.дает возможность значительно, ускорить проведение, данных работ, снизить затраты при проведении.доводочных работ по отработке конструкций новых регуляторов скорости и их узлов.
Анализ существующих методов оценки и расчета работоспособности
Потребная работоспособность регуляторов скорости определяется перестановочными усилиями, необходимыми для перемещения органов топливоподачи. При проектировании нового двигателя необходимая работоспособность регулятора скорости обычно определяется по выражению вида [23J где In - количество цилиндров двигателя; VL - полный объем цилиндра; \н - степень наддува; ( - коэффициент пропорциональности.
Как видно из данного выражения, при выборе работоспособности не учитывают самих перестановочных усилий на-рейке ТНВД. Данное обстоятельство приводит к тому, что регуляторы скорости непрямого действия, как правило,-имеют очень большой запас по максимальному перестановочному усилию. Наличие большого запаса по работоспособности чаще всего приводит к увеличению.габаритов регулятора скорости. Выбор размеров.рабочих органов регулятора осуществляется на основе зависимости [23J 8=..Ее-У а,г) где Uc - средняя сила, развиваемая за ход серводвигателя; Ун «номинальный ход серводвигателя. В развернутом шде выражение (1.2) можно представить как R--Ppb$Hy (1-3)» где Гр - давление масла в гидросистеме регулятора; До - рабочая площадь поршня серводвигателя; П - полный ход поршня серводвигателя; П - коэффициент использования полного хода серводвигателя. Анализ данной формулы показывает, что увеличение любого из сомножителей ведет к повышению работоспособности регулятора скорости. Наиболее простым и приемлемым, на первый взгляд путем повышения работоспособности является повышение давления масла. Но у этого способа есть и существенные недостатки: повышение утечек масла через зазоры в узлах регулятора, ведущее к снижению установленного давления на малых частотах вращения, повышение температуры масла и всего регулятора, повышение мощности, необходимой для привода регулятора скорости.
Как показывают проведенные экспериментальные исследования, результаты которых приведены в приложении, базовая модель регулятора PH-IOO имеет довольно высокую тепловую напряженность. Так в зонах-золотника задания-скоростного.режима, нагнетания маслонасоса,. слива аккумулятора-масла и золотниковой втулки, температуры до с ти гаят.. 90С. через 1,5.часа работы регулятора. Повышение давления масла при.той.же производительности маслонасоса, естественно, вызовет повышение температуры всего регулятора, что в данном случае неприемлемо. ...... Изменение конструктивных параметров серводвигателя приводит, в сущности, к.необходимости разработки-нового регулятора скорости и отказу-от унификации с базовой моделью.
Проведенный-обзор отечественной и-зарубежной научно-технической и патентной информации [86, 87, 88, 90, 91J показывает, что других путей повышения работоспособности в регуляторострое-нии не имеется. Вместе с тем перестановочное усилие на рейке ТНВД, даже на одном и том же дизеле, не остается постоянным, а меняется в зависимости от множества факторов: режима работы дизеля, состояния топливоподающей аппаратуры, скорости перемещения органов топливоподачи. Как следует из результатов работы Дико-ваВ.А.[19] , увеличение скорости перемещения вызывает повышение перестановочных усилий. Наибольшая скорость перемещения рейки ТНВД, а следовательно и наибольшее перестановочное усилие, соответствуют переходному процессу при полном сбросе или приеме нагрузки. Работа дизеля при постоянном скоростном режиме, в большинстве случаев, сопровождается снижением перестановочного усилия, в то время как работоспособность регулятора скорости остается в любом случае постоянной, рассчитанной на максимальные перестановочные усилия. Данное обстоятельство приводит к выводу, что принципиально необходимо иметь такой регулятор скорости, который бы мог приспосабливаться к работе в условиях переменных перестановочных усилий, или иметь самонастройку по перестановочному усилию. Наличие такого регулятора позволит значительно расширить-возможности его унификации, снизить тепловые, нагрузки регулятора-скорости, сохранить быстродействие серводвигателя при увеличении перестановочных усилий.
Методики математического моделирования систем.автоматического регулирования скорости дизеля
Математические методы исследования САРС дизеля и особенно комбинированного двигателя получили наиболее существенное развитие в течение последних двух десятилетий. Усложнение конструкции дизеля, применение дополнительных агрегатов наддува и охлаждения наддувочного воздуха определяют повышенное внимание вопросам, посвященным переменным режимам работы двигателей с газотурбинным наддувом. Так, в книге А.С.Эпштейна [бО] рассматриваются различные схемы наддува, дается графоаналитический метод определения режимов совместной работы двигателя и агрегатов газотурбинного наддува. Далее приводятся рассчетные и экспериментальные данные по расчету работы дизеля по внешней и частичным скоростным характеристикам. Регулятор скорости и динамику САРС автор не рассматривает,
В работе [5J С.А.Антонович описывает динамику дизеля с турбонаддувом, используя параметры рабочего процесса дизеля и турбокомпрессора, что, по мнению автора, позволяло проводить ис следование динамических характеристик еще на стадии проектирова ния. Однако при изучении динамики САРС автор ограничивается применением системы линейных дифференциальных уравнений четвер того порядка, что значительно ограничивает возможности примене ния .данной методики. .. - Работа [52 посвящается.исследованию переходных режимов, работы, дизеля ІД-6 в системе привода .экскаватора. САРС исследуется путем электронного моделирования. Упрощенное-уравнение двигателя .и дифференциальное-уравнение регулятора.скорости первого порядка приводят к системе трех уравнений второго порядка. Для повышения точности при моделировании на АВМ используются 3 блока, нелинейности: первый блок служит для задания нагрузки дизеля, второй - осуществляет корректировку характеристики дизеля и третий блок включен в модель регулятора скорости. Данная модель -фактически может служить только для качественного анализа САРС, что. и делается.автором путем выявления влияния постоянной времени чувствительного элемента регулятора и момента инерции двигателя на время переходного процесса.
В дальнейших работах основное внимание начинает уделяться исследованию САРС дизелей с газотурбинным наддувом. Так в работе [38j приводятся результаты экспериментальных исследований переходных процессов дизеля с турбонаддувом. Нагрузкой дизеля ІД6Н является гидротормоз. Для исключения влияния регулятора скорости на перемещения рейки топливного насоса высокого давления применялся электромагнит с регулируемым упором. Нагрузка дизеля менялась по винтовой характеристике при постоянном заполнении гидротормоза.
Проведенные эксперименты показали, что во время переходных процессов двигатель работает при недостаточном ОС и с повышенным удельным расходом топлива. Крутящий момент дизеля при этом принимает меньшие значения, чем при работе по внешней скоростной характеристике. В работе делается вывод об увеличении продолжительности переходных процессов дизеля с газотурбинным наддувом.. С целью.учета влияния наддува на динамику в работе [37] CAPG дизеля рассматривается уравнением вида: 2dV dt..0idt D? где Ар» Ар AQ» %» % " линейные коэффициенты, учитывающие . динамические свойства дизеля.турбокомпрессора, впускного и выпускного коллекторов и регулятора скорости прямого действия. .
В дальнейшем работой [4б] производилась оценка возможности применения линейных дифференциальных уравнений для расчета переходных процессов дизелей с газотурбинным наддувом. Особенностями моделирования являлось то, что переходный процесс разбивался на три участка: I - от начала переходного процесса до выхода рейки ТНВД на упор; П - протекание переходного процесса при положении рейки ТНВД на упоре и Ш - работа .дизеля до выхода на предельную регуляторную характеристику.
На первом участке в моделировании используется вся модель САРС с регулятором скорости. Регулятор скорости при этом описывается линейным дифференциальным уравнением второго порядка. Данная модель даже для регулятора прямого действия представля ется значительно упрощенной.
На втором участке моделирование происходит без учета уравнения регулятора скорости, а на третьем данное уравнение используется лишь частично.
Экспериментальная проверка подтвердила пригодность данной методики только для малых отклонений регулируемого параметра Св пределах 10$). Увеличение отклонения регулируемого параметра до 22,8$ вызывало ошибку в моделировании до 50$.
В.работе Г73 1 рассматривается.упрощенная модель дизеля с двухступенчатым наддувом и регулятором скорости непрямого действия.-Математическое описание объекта состоит.из дифференциальных уравнений движения ротора турбокомпрессора, коленчатого вала дизель-ігенератора и регулятора скорости. Регулятор представлен, тремя дифференциальными уравнениями:, центробежного измерителя скорости, серводвигателя и обратной связи. Вместе с тем для упрощения моделирования предлагается в ряде случаев.регулятор скорости моделировать заданием функции, haft) Как и в работе [46] , с целью упрощения математического описания, переходный процесс разбивается на три участка. Работа дизеля на первом и третьем участках моделируется без учета изменения частоты вращения ротора турбокомпрессора,- на втором участке не учитывается работа.регулятора скорости. Последовательное рассмотрение переходного процесса по периодам упрощает решение системы дифференциальных уравнений и при моделировании позволяет ограничиваться минимальным количеством решающих блоков.
Расчет коэффициентов модели САРС с учетом реальной неравномерности вращения и перестановочных усилий . на рейке ТНВД
Разработанная математическая модель САРС может быть использована при анализе динамических свойств системы, состоящей из дизеля с нерегулируемым турбокомпрессором и регулятором скорости непрямого действия с жесткой и изодромной обратными связями силового типа. В качестве объектов моделирования были приняты: дизель бЧН 21/21, экспериментальный регулятор и регулятор скорости: типа РН-30 .
Дизель 6ЧН 21/21 производства; Балаковского машияострои -тельвого завода им. Ф.Э.Дзержинского предназначен для широкого круга потребителей: нефтебуровых установок, маневровых тепловозов, судов, дизель-электрических агрегатов, тяжелых самосвалов. В зависимости от модификации номинальная частота вращения ко -ленча того вала данных дизелей составляет П = 1500 мин. или П = 1400 мин. , а мощность покрывает диапазон Ne от 368 квт до 736 квт .
Расчет коэффициентов дифференциальных уравнений ( 2.46 $ 2.54;2.63;2.68;2.85) проводился по статическим характеристикам дизеля, снятым в процессе определения параметров дизеля 6ЧН 21/21 при искусственной коррекции внешних характеристик до запаса крутящего момента 1,15 1,25 , а также при определении зависимости хода рейки ТНВД и цикловой подачи от нагрузки и: частоты вращения коленчатого вала, (таблицы П.2 - П.5 в приложении , по данным завода Ф Э.Дзержинского) . На рис. 3.1 и 3«2 представлены зависимости крутящего момента і от цикловой подачи топлива и от частоты вращения коленчатого вала дизеля.
Как следует из данных рисунков величина крутящего момента прямо пропорциональна цикловой подаче топлива и практически не зависит от частоты вращения коленчатого вала. Вместе с тем следует отметить, что данные характеристики были получены при статических режимах работы дизеля, коэффициент избытка воздуха при этом изменяется в пределах 0 s 5,5 1,55 . Во время же переходных процессов пределы изменения o(f, значительно расширяются,, достигая, для дизель-генератора, предельных значений CXg =5,5 0,8. Для дизелей с неразделённой камерой сгорания начало дымления, соответствующее концу полного сгорания, появ ляется при ОС = 1,300 1,400. Из экспериментальных дан ных можно определить зависимость П = \ (CLU) на различных скоростных режимах. Эта зависимость в виде графика представле на на рис. 3.3. Как видно из данного рисунка с уменьшением ци кловой подачи падает и П , и при П = 0,05 0,07 ц , П = 0. Объясняется это тем, что с уменьшением нагрузки на ди зеле всё большую-долю в энергетическом балансе начинают приобре тать потери на трение и привод вспомогательных агрегатов. Умень шение скоростного режима в.пределах от 1500 мин до 1200 мин вызывает-некоторое увеличение О , вместе.с.тем для дизель генератора это влияние будет еще менее заметно. На рис. ЪЛ представлена- зависимость у = т-(0 -/ построенная для дизеля бЧН 21/21 при работе по нагрузочной характеристике и с различ ной коррекцией крутящего момента. Как видно из данного рисунка работа дизеля по нагрузочной характеристике и при различных степенях коррекции существенного влияния на П не оказывает, коэффициент избытка воздуха изменяется в пределах 1,96 1,55 Дальнейшее снижение ОС ведет к тому, что ухудшается процесс сгорания и падает коэффициент полезного действия дизеля, что особенно важно учитывать при анализе динамических свойств агре гата. Как следует из многочисленных экспериментальных данных 77І осредненная зависимость относительных величин коэффициента полезного действия от коэффициента избытка воздуха для большинства дизелей имеет однозначный характер. Данная характеристика, приведенная к начальным условиям, соответствующим дизелю бЧН 21/21 представлена также на рис. 3.4. Как видно из данного рисунка изменение коэффициента избытка воздуха оказывает существенное влияние на П дизеля, что, в свою очередь, приво
Принципиальные и конструктивные, особенности регулятора переменной работоспособности
Одним из основных параметров регулятора скорости непрямого действия является время серводвигателя, определяемое для серийного и экспериментального регуляторов скорости выражениями (2.13) и (2.21) соответственно. Используя данные.выражения, можно определить расчетную зависимость времени серводвигателя от перестановочного усилия для серийного.регулятора скорости и регулятора с переменным.давлением масла. На рис. 3.21 представлены .данные зависимости. При расчетах за единичное перестановочное усилие р принято максимальное расчетное перестановочное усилие серийдого регулятора РН-ЗО.
Как следует из рис. 3.21, время серводвигателя.серийного регулятора скорости существенно зависит от перестановочных усилий. Так, при значении р =0,6 время серводвигателя увеличивается в 1,6 раза, при р = 0,8 значение с« возрастает в 2,2 раза. Дальнейшее увеличение перестановочных усилий приводит к очень быстрому увеличению времени серводвигателя и при Г = I / = о , что означает прекращение его перемещений. Снижение времени серводвигателя должно приводить к ухудшению динамики GAPG. Для того, чтобы обеспечить надежную работу регулятора скорости, обычно работоспособность регулятора скорости выбирают таким образом, чтобы влияние перестановочных усилий не сказывалось на динамике CAPG.
Регулятор с переменной работоспособностью обеспечивает повышение давления масла в соответствии с реальным перестановочным усилием. Степень повышения давления зависит от коэффициента пропорциональности - К. Расчетные зависимости времени серводви гателя с переменным давлением масла от перестановочного усилия, для различных значений К, представлены на рис. 3.21. Анализ данных кривых показывает, что коэффициент пропорциональности К является существенным параметром регулятора скорости переменной работоспособности и определяет его динамические характеристики. Значения К могут быть выбраны из следующих соображений: в случае К s I характеристика данного регулятора будет приближаться к обычному регулятору,-при К=1 время серводвигателя практически не зависит от нагрузки, значения К 1 приводят, к уменьшению времени серводвигателя при появлении-нагрузки на штоке серводвигателя. Уменьшение времени серводвигателя, при прочих равных условиях, приводит к увеличению скорости его перемещения, а увеличение скорости перемещения повышает перестановочное усилие, (см.выражение 2.IO) за счет возрастания инерционной составляющей и сил гидравлического сопротивления. Такое воздействие соответствует воздействию положительной обратной связи, что приведет к релейному, а нетпропорциональному закону возрастания давления масла в гидравлической системе регулятора скорости, что нежелательно. Наиболее приемлемым является значение К=І. В этом случае серводвигатель регулятора будет инвариантным по перестановочным усилиям. Скорость перемещения поршня серводвигателя будет зависеть только от положения золотника ЦИС. Перестановочными усилиями для такого регулятора скорости, при расчете динамики САГС, можно пренебречь.
Использование ЭВМ при расчетах переходных процессов в САРС дизель-генератора позволяет с наименьшими затратами получить полное представление об изменении во времени всех расчитываемых параметров двигателя, регулятора скорости, нагрузки и определить их влияние на динамические показатели системы. Проведение расчетов на любой стадии проектирования или доводки САРС позволяет наметить наиболее рациональные пути улучшения её динамических характеристик.
Разработанная математическая модель САРС дизель-генератора состоит из системы дифференциальных уравнений 12 порядка. За ос нову, при составлении программы расчета, следует принять стан дартную подпрограмму интегрирования систем дифференциальных уравнений методом Рунге-Кута. На каждом шаге интегрирования не обходимо вычислять значения меняющихся параметров, производить анализ величин, имеющих ограничения, .и времени интегрирования с целью вывод а. на печать текущих значений параметров САРС и определения окончания, расчета
Составленная программа расчета переходных процессов учитывает следующие особенности системы: 1) изменение коэффициентов усиления по давлению наддува и по подаче-топлива в зависимости от коэффициента избытка воздуха; 2) ограничение по перемещению рейки ТНВД; 3) ограничение по перемещению золотника центробежного измерителя регулятора скорости; 4) Изменение времени серводвигателя в зависимости от перестановочного усилия; 5) Учет неравномерности вращения приводного вала регулятора скорости.
