Упругая (гибкая) обратная связь в регуляторе непрямого действия. Изодромный регулятор

Между точкой А и серводвигателем разместим небольшой цилиндрик с поршеньком (рис, 88). Как видно, в поршеньке сделаны маленькие калиброванные отверстия, сообщающие противоположные полости цилиндрика. В обеих полостях находится масло.

Рис. 88. Схема регулятора с гибкой обратной связью

Цилиндрик присоединен к поршню серводвигателя, а поршенек цилиндрика — к рычагу АО В жесткой обратной связи. Но не только этим отличается схема рис. 88 от схемы рис. 87. Мы видим еще пружину, прикрепленную к рычагу АОВ. Это пружина-компенсатор (Компенсатор — от латинского слова compenso, что значит уравновешиваю, возмещаю).
Что же нового вносит это устройство в работу регулятора? А то, что жесткая обратная связь превращается в упругую (гибкую). До начала перемещения силового поршня в серводвигателе и в первый момент этого перемещения работа регулятора подобна работе регулятора с жесткой обратной связью, так как поршенек и его цилиндрик движутся совместно. Это объясняется тем, что перетекание масла из одной полости в другую происходит с большим трудом и очень медленно из-за значительных сопротивлений в маленьких отверстиях поршенька. Поэтому золотник после впуска масла в одну из полостей серводвигателя возвращается в среднее положение, останавливая движение поршня серводвигателя, как описано выше. Немного ранее того момента, как золотник возвратится в среднее положение, масло в цилиндрике под влиянием пружины-компенсатора, действующей на поршенек, преодолевая сопротивление в цилиндрике, начинает переходить из одной полости в другую, и поршенек перемещается. Перемещение поршенька вызывает перемещение муфты регулятора (точка О), которая возвращается в свое первоначальное положение. Благодаря этому при новой нагрузке грузы регулятора также займут снова первоначальное положение, при котором равновесие наступит в тот момент, когда частота вращения вала станет прежней.
Таким образом, при наличии гибкой обратной связи удается сохранить постоянной частоту вращения вала дизеля при разных нагрузках. В технической литературе поршенек с цилиндриком и компенсирующей пружиной, превращающей жесткую обратную связь в гибкую, называется изодромом (Слово «изодром» происходит от сочетания двух греческих слов: isos — равный и dromos — скорость (бег), а сам регулятор — изодромным.
На тепловозных дизелях устанавливаются в основном изодромные регуляторы непрямого действия с обратной связью. Изодромный регулятор частоты вращения дизеля 2Д100 представлен в разрезе на рис. 89.

Рис. 89. Всережимный регулятор частоты вращения дизеля 2Д100

Чувствительный элемент этого регулятора, как и обычно, состоит из двух грузов. Грузы выполнены в виде гаек, навернутых на L-образные рычаги. Грузы на шариковых подшипниках установлены в специальном корпусе, напрессованном на буксу. Букса представляет собой втулку с кольцевыми каналами и радиальными отверстиями для прохода масла. Букса, а следовательно, и грузы получают вращение через зубчатую передачу от коленчатого вала дизеля. Грузы воздействуют на золотник, имеющий три пояска, средний из которых является рабочим. Центробежные силы, возникающие при вращении грузов, уравновешиваются конической пружиной, которая называется всережимной. Средний поясок золотника управляет доступом масла под силовой поршень серводвигателя, который связан с рейками топливных насосов. Масло поступает сюда по внутренним каналам в корпусе от масляного насоса самого регулятора. При увеличении нагрузки на дизель частота вращения коленчатого вала и грузов регулятора в первый момент снижается, грузы несколько сходятся и золотник опускается вниз. Открывается доступ масла от насоса под силовой поршень регулятора. Поршень поднимается вверх, воздействует на топливный насос, который увеличивает подачу топлива до величины, обеспечивающей заданную частоту вращения коленчатого вала. При уменьшении нагрузки на дизель в первый момент частота вращения коленчатого вала и грузов несколько увеличивается, грузы расходятся, поднимают своими рычагами золотник. Средний поясок золотника, поднявшись, открывает выход масла из-под силового поршня в масляную ванну регулятора. Масло начинает уходить из-под силового поршня, а поршень опускается вниз, при этом топливные насосы уменьшают подачу топлива в цилиндры дизеля и частота вращения коленчатого вала приводится в норму.
Роль изодрома в этом регуляторе выполняют: компенсирующий поршень (который насажен на шток силового поршня серводвигателя), поршень золотниковой втулки, пружина-компенсатор, игольчатый клапан, частично закрывающий проход масла из канала, соединяющего указанные поршни с масляной ванной регулятора. Масло из-под силового поршня серводвигателя может выходить еще через один канал, который при нормальной работе дизеля плотно закрыт клапаном. Клапан удерживается блокировочным электромагнитом. Для остановки дизеля достаточно разомкнуть цепь питания катушки электромагнита. Тогда клапан, больше ничем не удерживаемый, открывается давлением масла. Масло уходит, силовой поршень быстро опускается вниз, передвигая рейки насосов в положение нулевой подачи.
Этот регулятор дизеля тепловоза является всережимным (а вернее, многорежимным). Это значит, что он может поддерживать постоянными разные скоростные режимы дизеля по воле машиниста. Для этой цели служит управляемый машинистом (посредством рукоятки контроллера) электропневматический механизм
(рис. 90) управления всережимной пружиной регулятора, состоящий из четырех электропневматических вентилей, которые открываются с помощью электромагнитов. Электропневматические вентили расположены против четырех колодцев с поршнями.

Рис. 90. Механизм управленияч регулятора дизеля 2Д100

При открытии каждого вентиля сжатый воздух поступает под поршень, который поднимает соответствующий рычаг, связанный с тягой регулятора. Тяга поворачивает зубчатый сектор и увеличивает затяжку
всережимной пружины. Электропневматические вентили включаются в определенной последовательности, благодаря чему обеспечивается 16 различных ступеней затяжки всережимной пружины регулятора и, следовательно, 16 разных скоростных режимов дизеля.
Всем хорош описанный регулятор, но он решает только одну проблему: поддерживает постоянным скоростной режим дизеля, автоматически уменьшая или увеличивая подачу топлива в его цилиндры в соответствии с меняющейся нагрузкой.
Но существует еще и вторая не менее важная проблема: создание такого регулятора, который бы наряду с регулированием подачи топлива в дизель поддерживал нагрузку дизеля на заданном уровне. Дело в том, что колебания температуры обмоток электрических машин и мощности, расходуемой на вспомогательные нужды тепловоза, могут сильно изменить нагрузку дизеля, привести к нарушению нормального режима работы силовой установки, ухудшению рабочего процесса дизеля и понижению скорости движения. Чтобы не допустить этого, на тепловозе ТЭЗ имеется специальное устройство АРМ (автоматическое регулирование мощности).
На дизелях 10Д100, 11Д45, 14Д40, 5Д49, Д70 (тепловозов 2ТЭ10В, ТЭП60, М62, 2ТЭ116 и др.) для этой цели применен объединенный регулятор (регулятор частоты вращения и регулятор нагрузки), смонтированный в один узел.

ОБЪЕДИНЕННЫЙ РЕГУЛЯТОР

Понять сущность работы и необходимость объединенного регулятора помогут нам следующие рассуждения. Предположим, что рейки топливных насосов находятся в положении максимальной подачи топлива в цилиндры дизеля, а нагрузка на дизель по каким-либо причинам увеличилась сверх того, что он может обеспечить при данном положении реек, В этом случае один регулятор частоты вращения бессилен поддерживать скоростной режим дизеля постоянным, так как все резервы увеличения подачи топлива в цилиндры исчерпаны (рейки доведены до упора). В результате из-за чрезмерной нагрузки дизель начинает снижать частоту вращения, коптит, работает неэкономично с недопустимо высокими температурой и давлением в цилиндрах. Возникает вопрос: можно ли в этих условиях не допустить падения частоты вращения вала дизеля и снять перегрузку с дизеля?
Вспомним, что такое реостат. Реостат — это электрический аппарат, предназначенный для регулирования величины тока, проходящего по проводнику (проволоке). Действие реостата основано на изменении длины проволоки. Чем короче проволока, по которой проходит ток /, тем меньше ее сопротивление, а чем он длиннее, тем оно выше. Следовательно, сопротивление увеличится во столько раз, во сколько раз при неизменной величине напряжения уменьшится сила тока (закон Ома). А что, если включить реостат в цепь обмотки возбуждения генератора? Тогда, чтобы увеличить нагрузку на тяговый генератор, а значит, и на дизель, надо передвинуть ползунок реостата в сторону уменьшения сопротивления (см. рис. 91).

Рис.91. Упрощенная схема объединенного регулятора частоты вращения (внизу) и нагрузки (вверху)

И наоборот, чтобы уменьшить нагрузку на генератор, надо передвинуть ползунок реостата в сторону увеличения его сопротивления. Искусственно уменьшая с помощью реостата нагрузку на дизель, можно добиться того, что частота вращения вала дизеля будет поддерживаться постоянной. В этом случае, как мы знаем, дизель будет отдавать мощность, соответствующую заданной для каждого скоростного режима дизеля.
Известно, что вентилятор холодильника тепловоза и тормозной компрессор то включается, то выключается, поэтому мощность дизеля, необходимая на привод этих машин, то высвобождается, то полностью используется. На тепловозе 2ТЭ10В это составляет около 95 — 110 кВт (130 — 150 л. с.) на каждый дизель на 15-й позиции контроллера машиниста.
Допустим, компрессор или вентилятор выключился. Чтобы полнее использовать мощность дизеля, надо переложить эти 95—ПО кВт на плечи другого потребителя — тягового генератора. Тогда мощность дизеля, отдаваемая потребителям, сохранится неизменной и, таким образом, будет использована полностью. «Перекладку» мощности осуществляет мощностная часть объединенного регулятора.
Чтобы понять принцип действия объединенного регулятора, обратимся к рис. 91. В нижней части рисунка представлена схема знакомого нам регулятора частоты вращения, в верхней части — схема регулятора нагрузки. Мы видим, что механизм управления нагрузкой соединяется с помощью жесткого рычага СД с механизмом управления частотой вращения. В регуляторе нагрузки так же, как и в регуляторе частоты, есть серводвигатель регулятора нагрузки (будем его дальше называть верхним). Он используется для изменения сопротивления реостата. Есть и золотник (условимся называть его верхним), который управляет подачей масла через каналы в силовой серводвигатель (золотник регулятора нагрузки).
Если рукоятка контроллера машиниста находится в неизменном положении, а установившийся режим работы дизель-генератора нарушился, например выключился компрессор или вентилятор и началось боксование колесных пар, то произойдет следующее: частота вращения увеличится, грузики (рис. 91) разойдутся, точка В рычага АО В поднимется, нижний золотник переместится вверх и откроет доступ масла под поршень силового серводвигателя — подача топлива уменьшится. Но при этом переместится и верхний золотник, открывая доступ масла в подпоршневое пространство верхнего серводвигателя. Поршень верхнего серводвигателя поднимется и своим штоком передвинет подвижной контакт реостата (увеличит возбуждение тягового генератора). Нагрузка увеличится, а частота вращения вала дизеля уменьшится. Тотчас чувствительный регулятор частоты вращения увеличит подачу топлива и возвратит верхний золотник, управляющий нагрузкой, в первоначальное положение перекрыши, соответствующее установившемуся режиму работы дизель-генератора.
Пользуясь схемой (см. рис. 91) и рассуждая аналогично, нетрудно уяснить, как будет протекать работа объединенного регулятора при возрастании нагрузки (включение вентилятора холодильника и др.). Таким образом, при данной нагрузке и частоте вращения вала подача топлива насосами в цилиндр дизеля не будет изменяться, так как перераспределения нагрузок между тяговым генератором, с одной стороны, и, скажем, компрессором и вентилятором, с другой стороны, дизель не почувствует и благодаря объединенному регулятору вся мощность дизеля будет использоваться для работы тепловоза при разных условиях движения. Однако и этот регулятор можно улучшить.