Автоматическое регулирование. системы зашиты и аварийно-предупредительной сигнализации
АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ.
Автоматическое регулирование работы судовых силовых установок (ССУ) и автоматическое управление ими повышает производительность и облегчает условия труда членов машинной команды судна.
Автоматическое регулирование увеличивает надежность работы ССУ и их экономичность.
РЕГУЛЯТОРЫ.
С помощью устройства, которое называется РЕГУЛЯТОРОМ, поддерживается заданное значение какого-либо параметра: температуры циркуляционного масла, охлаждающей воды, числа оборотов двигателя, давления пара в котле, уровня воды в котле и т. д.
Регулятор состоит из следующих основных элементов:
1 - чувствительного элемента (иначе - измерителя, датчика);
2 - усилителя;
3 исполнительного механизма;
4 - регулирующего органа.
Чувствительные элементы можно подразделить на:
а) чувствительные элементы давления;
б) чувствительные элементы - расхода;
в) чувствительные элементы уровня;
г) чувствительные элементы - температуры;
д) чувствительные элементы - скорости (числа оборотов).
Различают регуляторы ПРЯМОГО и НЕПРЯМОГО действия. На рис. I показана схема регулятора числа оборотов действия.
От вала двигателя через коническую зубчатую передачу вращение передается измерителю (центробежному чувствительному элементу). При установившемся режиме работы двигатели центробежная сила, развиваемая грузами 2, уравновешивается натяжением пружины 1. Топливная рейка 5, связанная рычагом 4 с шарнирной муфтой 3, будет неподвижна. Количество подаваемого топлива соответствует нагрузке двигателя и обороты двигателя равны заданному значению.
При увеличении нагрузки на двигатель обороты его будут уменьшаться. Центробежная сила грузов будет уменьшаться, и под действием пружины муфта будет перемешаться вниз. При перемещении муфты топливная рейка будет передвиганья в сторону увеличения подачи топлива, восстанавливая обороты двигателя. В результате наступит равновесие при новом установившемся режиме, соответствующем новой нагрузке двигателя.
В этом регуляторе регулирующий орган - топливная рейка - перемещается в результате прямого воздействия на нее усилия,
развиваемого измерителем, поэтому регулятор называется регулятором ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ.
На рис. 2 показана схема РЕГУЛЯТОРА НЕПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ. В таких регуляторах между чувствительным элементом и регулирующим органом имеется УСИЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО (УСИЛИТЕЛЬ) и ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ (СЕРВОМОТОР). Усилителем здесь является гидравлический золотник 4, а исполнительным механизмом - гидравлический поршневой сервомотор 5. Сервомотор связан с регулирующим органом - топливной рейкой 6. К усилительному золотнику подводится масло под давлением и от него к верхней и нижней полостям сервомотора 5. Когда обороты двигателя равны заданному значению, окна золотника усилителя, сообщающие его с полостями сервомотора, перекрыты и поршень сервомотора неподвижен. В этом установившемся режиме количество подаваемого топлива соответствует нагрузке двигателя. При уменьшении нагрузки на двигатель обороты будут увеличиваться. В результате этого грузы 2 центробежного измерителя начнут расходиться, сжимая пружину 1, и через муфту 3 и рычаг будут опускать золотник 4. Через открывающееся нижнее окно усилителя масло начнет поступать в полость под поршнем 5 серво мотора, перемещая его вниз, а топливную рейку 6 в направлении уменьшения подачи топлива. Одновременно с этим масло из-под поршня сервомотора через открытое верхнее окно усилителя будет выходить на слив. Когда обороты уменьшатся до первоначального значения, золотник 4, возвращаясь вверх, закроет окна усилителя, и перемещение поршня сервомотора прекратится. Топливной рейкой будет установлена уменьшенная подача топлива, соответствующая меньшей нагрузке двигателя. В новом равновесном режиме обороты двигателя вновь станут заданными.
РЕГУЛЯТОРЫ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ.
Обратная связь оказывает стабилизирующее воздействие, заданное значение регулируемой величины поддерживается более точно, с меньшими колебаниями. Обратная связь может быть ЖЕСТКОЙ или ГИБКОЙ.
На рис. 3 показана схема центробежного регулятора НЕПРЯМОГО действия с ЖЕСТКОЙ обратной связью.
В отличие от регулятора без обратной связи (рис. 2) здесь шток сервомотор 2 при помощи рычага ЖЕСТКО соединен с золотником усилителя 1.
При изменении нагрузки и, как следствие, числа оборотов двигателя центробежный измеритель повернет рычаг ABC вокруг точки С, что приведет к перемещению точки В и с ней золотника усилителя I. Масло начнет поступать в соответствующую полость сервомотора 2. Двигаясь, поршень сервомотора будет изменять, перемещая рейку 3, количество подаваемого топлива и одновременно перемещать точку С, а вместе с ней и рычаг ABC вокруг точки А в противоположном направлении. В результате точка В возвратится в исходное положение и золотник перекроет подачу масла к сервомотору. Поршень сервомотора и рейка установятся в новое положение так, что количество подаваемого топлива будет соответствовать новой нагрузке.
При уменьшении нагрузки рычаг ABC займет положение А1ВС1, при увеличении нагрузки - А2ВС2.
Регуляторы с жесткой обратной связью редко применяются на дизелях из-за недостаточной точности регулирования.
На рис. 4 показана схема центробежного регулятора НЕПРЯМОГО действия с ГИБКОЙ обратной связью. Между поршнем сервомотора 7 и рычагом 3 обратной связи находится ИЗОДРОМ
5, представляющий собой цилиндр с поршнем. Обе полости цилиндра заполнены маслом и сообщены между собой через игольчатый клапан
6, Цилиндр изодрома жестко связан со штоком сервомотора
7, поршень изодрома - с рычагом 3 обратной связи, конец которого подвешен на пружине 4 изодрома. Эта пружина, работающая как на сжатие, так и на растяжение, при установившемся режиме всегда разгружена.
При уменьшении нагрузки число оборотов двигателя увеличивается. Муфта 1 центробежного измерителя числа оборотов, перемещаясь вверх и поворачивая рычаг ABC вокруг точки С, поднимет золотник усилителя 2. Масло начнет поступать в верхнюю полость сервомотора 7, и его поршень, опускаясь, будет перемещать топливную рейку 8 в направлении уменьшения подачи топлива. Одновременное поршнем сервомотора будет перемещаться вниз и цилиндр изодрома 5. В начальный момент благодаря вязкости масла и малому проходному сечению дроссельного клапана 6 поршень и цилиндр изодрома перемещаются как одно целое, поворачивая рычаг ABC вокруг точки А по часовой стрелке и растягивая пружину 4. Золотник усилителя 2 придет в среднее положение и поршень сервомотора остановится. Однако гак как пружина изодрома в данный момент растянута, то под действием ее силы упругости поршень изодрома начнет перемешаться вверх. 11ри этом рычаг ABC получает дополнительное перемещение вокруг точки А - на этот раз против часовой стрелки. Золотник усилителя поднимается вверх и подает дополнительную порцию масла для опускания поршня сервомотора и дальнейшего уменьшения подачи топлива. Число оборотов двигателя уменьшается до первоначального значения, муфта регулятора отпускается, рычаг ABC возвращается в исходное положение и золотник прекращает подачу масла к сервомотору. Переходный процесс заканчивается, когда вся система приходит в равновесие на новом установившемся режиме.
11родолжительноегь переходного процесса зависит от величины открытия дроссельного клапана изодрома. Если закрыть дроссельный клапан, то получится регулятор с жесткой обратной связью: если клапан открыть полностью, то получится регулятор непрямого действия без обратной связи.
Регуляторы с гибкой обратной связью применяют для регулирования любых объектов с быстро изменяющейся нагрузкой, требующих высокой точности поддержания регулируемой величины.
Такие регуляторы используют для автоматического регулирования числа оборотов дизель-генераторов, где требуется поддерживать постоянное чисто оборотов при изменении нагрузки, а также для регулирования вязкости топлива, давления пара в котлах и т.д.
Режим работы главного двигателя зависит от сопротивления движению судна. Если регулятор будет поддерживать постоянные обороты при увеличении сопротивления, двигатель может быть перегружен. Если сопротивление уменьшается, может быть превышено число оборотов (крайний случай - оголение винта на волне, потеря винта). Поэтому на главных двигателях ограничивается подача топлива и число оборотов двигателя. Воздействием на регулятор изменяется режим работы двигателя (малый, средний, полный ход). Поэтому центробежные регуляторы главных двигателей имеют дополнительные устройства и называются ВСЕРЕЖИМНО-ПРЕДЕЛЬНЫМИ.
Выше на примере центробежных регуляторов числа оборотов были показаны принципы действия регуляторов ПРЯМОГО и НЕПРЯМОГО действия, с ЖЕСТКОЙ и ГИБКОЙ обратной связью.
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ.
Чувствительные элементы также называют измерителями, что лучше определяет их роль в регуляторе. В измерителе вырабатывается импульс, зависящий от параметров регулируемого объекта, и этот импульс вызывает действие последующих элементов и устройств рс1улятора, что в конечном счете приводит к перестановке в новое положение регулирующего органа, например, перепускного клапана в системе охлаждения.
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДАВЛЕНИЯ.
МЕМБРАННЫЙ чувствительный элемент (рис. 5а). Под действием давления диск со штоком перемещается, перемещение передается следующему элементу регулятора. Применяются для измерения разряжения, давления, разности давлений воздуха или газов от 0 до 1600 мм вод. ст.
СИЛЬФОНЫ (рис. 56) - гофрированные металлические тонкостенные цилиндры. Сильфон соединяется с донышком и корпусом пайкой. Применяются для измерения давления от 0,1 до 125 кг/см2. В зависимости от измеряемого давления и необходимой величины хода сильфоны делают одно-, двух-, трех- и четырехсложными.
МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТРУБЧАТЫЕ (рис. 5в) - трубки эллиптического или овального сечения, изогнутые по дуге окружности и запаянные с одной стороны. Запаянный конец трубки свободен, и его перемещения (угол до 10°), передаваемые следующему элементу регулятора, пропорциональны величине измеряемого давления.
Применяются для измерения давления от I до 500 кг/см2 и более..
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ УРОВНЯ (рис. 6а, б, в, г).
ПОПЛАВКОВЫЕ чувствительные элементы (рис. 6а) имеют большую нечувствительность, в условиях качки лают ложные срабатывания; применяются главным образом в регуляторах прямого действия.
ТЕРМОСТАТИЧЕСКИЙ чувствительный элемент (рис. 66) представляет собой установленную наклонно металлическую трубку 2. Нижний коней трубки укреплен жестко и соединен с водяным объемом барабана неизолированной трубкой. Верхний конец, соединенный с паровым объемом хорошо изолированной трубкой, свободен и воздействует на рычаг 1, передающий сигнал следующему элементу. На его работу влияет температура окружающей среды.
ТЕРМОГИДРАБЛИЧЕСКИЙ чувствительный элемент (рис. 6в) состоит из ребристой трубки 1, внутри которой помешена трубка 2, соединенная с паровым и водяным пространствами пароводяного барабана котла. Кольцевое пространство между трубками, а также трубка 3, соединяющая его с мембранным исполнительным механизмом, заполняется дистиллированной водой. При изменении уровня в барабане и трубке 2 изменяется давление в межкольцевом пространстве, которое воздействует на мембрану исполнительного механизма.
МЕМБРАННЫЙ чувствительный элемент (рис. 6г) изготавливается из тонкого прорезиненного полотна. Принцип действия основан на сравнении измеряемого уровня с постоянным уровнем в конденсационном сосуде 1. Элемент имеет хорошую чувствительность (1 мм вод. ст. при площади мембраны 80 см2), безынерционный, на него не влияет температура окружающей среды.
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕМПЕРАТУРЫ. На рис. 7 показано устройство регулятора температуры прямого действия с ВСТРОEHНЫМ ПАРОЖИДКОСТНЫМ чувствительным элементом. Такие регуляторы применяются в системах охлаждения и смазки дизелей разной мощности.
В корпусе 7 расположен термобаллон 4 с припаянными к нему верхним и нижним клапанами 5. Внутри термобаллона находится сильфон 6. Пространство между стенками термобаллона и сильфоном заполнено кипящей при низкой температуре жидкостью и ее паром. Шток 3 жестко соединен с донышком сильфона гайкой 1 и упирается во втулку 8 со стержнем 9. Пружина 2 прижимается к нерабочему торцу нижнего клапана.
При увеличении температуры отходящих от дизеля воды или масла давление в полости между стенками термобаллона 4 и сильфоном 6 повышается. Это давление воздействует на нижний торец термобаллона, и термобаллон с клапанами перемешается вниз. В результате этого увеличивается поток к холодильнику. При уменьшении температуры подъем термобаллона происходит за счет упругости возвратной пружины 2.
Настройка регулятора производится вращением головки 10. Если необходимо снизить температуру, то вращением головки перемещают стержень 9 и с ним шток 3 сильфона вниз. Благодаря этому давление в термобаллоне повышается и термобаллон 4 с клапанами перемещается вниз.
Ручное управление при необходимости осуществляется головкой 10.
На рис. 8 показано устройство регулятора температуры ПРЯМОГО ДИСТАНЦИОННОГО действия с ЖИДКОСТНЫМ чувствительным элементом. Применяются в системах охлаждения, смазки дизелей.
По сравнению с парожидкостными жидкостные чувствительные элементы создают большее перестановочное усилие.
Регулятор состоит из чувствительного элемента, исполнительного механизма и регулирующего органа (клапана), соединенных между собой. Термобаллон 7 заполнен глицерином и соединен капилляром 6 с корпусом 4 исполнительного механизма. В обойме 3 перемещается поршень 10, который связан со штоком 15 регулирующего органа - клапана 17. Пружины 13 и 16 являются возвратными. Место выхода штока из области высокого давления уплотняется сальником 12, нагруженным пружиной 11. Фиксатор 14 служит для разборки регулятора.
При повышении температуры охлаждающей воды глицерин в термобаллоне расширяется, что вызывает перемещение поршня 10 вниз. Вместе с ним, преодолевая сопротивление пружин, опускается шток 15 и закрепленный на нем регулирующий клапан 17. В результате этот количество воды, направляемое в холодильник (полость А), увеличивается, а мимо холодильника (полость Б) - уменьшается. При понижении температуры объем глицерина уменьшается и за счег силы упругости пружин 13 и 16 регулирующий клапан поднимается, уменьшая поток воды, идущей к холодильнику.
Для компенсации усилий, возникающих при перегреве термобаллона, когда регулирующий клапан уже упирается в нижнее седло, но происходит дальнейшее расширение глицерина, служит пружина 8. При этом начинает перемещаться вверх обойма 3 вместе со стаканом 9 и крышкой 5, пружина 8 будет сжиматься, воспринимая возникшее от расширения глицерина усилие. Сила упругости пружины X больше, чем пружин 13 и 16.
Регулировка температуры воды может производиться в диапазоне 40 90° вращением крышки 5. При этом обойма 3 вместе с поршнем 10 перемешается вверх или вниз, и меняя зазор между поршнем и промежуточным штоком. Температура устанавливается по шкале с указателем I. Неравномерность регулятора 10°С.
Ручное аварийное управление осуществляется вращением крышки S или с помощью специального приспособления.
На рис. 9 показано устройство регулятора температуры НЕПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ для регулирования температуры воды и масла главных двигателей.
Регулятор состоит из блока управления, куда входит чувствительный элемент, усилителя (мембранного сервомотора и регулирующего органа (двухседельного клапана). В качестве вспомогательной энергии применяется сжатый воздух давления М 4 кг/см2 или жидкость (вода, масло) давлением 1,5 - 10 м/ см*.
Термобаллон 17 заполнен расширяющейся жидкостью. К донышку сильфона 16 прикреплен шток 14, перемени пи которого через рычаг 15 изменяет затяг пружины 13. Пружина 13 прижимает мембрану 18 к соплу 19 трубопровода слива. Воздух поступает по трубопроводу 9 в камеру золотника усилителя 21 и одновременно через дроссель 10 в камеру 11 блока управления 12. В зависимости от величины зазора между мембраной 18 и соплом 19 изменяется количество воздуха, стравливаемого в атмосферу, и, соответственно, давление командного воздуха, поступающего по трубопроводу 20 в усилитель 21. Давление командного воздуха, воздействующей) на мембрану 7 усилителя, уравновешивается силой упругости пружины 6. При изменении давления командного воздуха золотник 8, связанный с мембраной 7, перемещается, изменяя проходное сечение канала, по которому рабочий воздух из камеры золотника 8 стравливается в атмосферу. От этого зависит давление в рабочей полости 4 сервомотора и положение регулирующего органа 1. Через сектор 5 изменяется затяг пружины 6 обратной связи.
При повышении температуры увеличивается объем жидкости в термобаллоне 17, за счет чего шток 16 перемешается вверх. Через рычаг 15 ослабляется затяг пружины 13, в связи с чем увеличивается количество воздуха, стравливаемого в атмосферу. Давление командного воздуха в полости под мембраной 7 уменьшается, и золотник 8 перемещается вправо, стравливая воздух из полости 4 сервомотора. Под действием пружины шток, а с ним и регулирующий орган 1, поднимаются, увеличивая проток воды, направляемой в холодильник. Одновременно через сектор 5 ослабляется затяг пружины 6 обратной связи. Когда сила упругости пружины 6 уравновесится давлением командного воздуха на мембрану 7, перемещение регулирующего органа прекратится.
В случае понижения температуры произойдет увеличение давления командного воздуха над мембраной 3, что вызовет перемещение вниз регулирующего органа и уменьшение количества воды, идущей на холодильник.
Настройка регулятора на требуемую температуру производится вращением штока 14, что изменяет объем жидкости в термобаллоне 17. Регулировка неравномерности может производиться в пределах 6 - 12°С. Ручное аварийное управление регулятором осуществляется с помощью рукоятки 2. При этом воздух на регулятор должен быть закрыт.
УСИЛИТЕЛИ.
Усилители вырабатывают усилие, необходимое для перестановки регулирующего органа. Усилитель состоит из СЕРБОМОТОРА (исполнительного механизма) и УПРАВЛЯЮЩЕГО УСТРОЙСТВА (ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ).
На рис. 10 показана схема пневматического преобразователя типа сопло-заслонка, работающего по принципу дросселирования. Заслонка перемещается под воздействием измерителя. К преобразователю подводится рабочий воздух с постоянным давлением Рвх — 4 кг/см2.
При удалении заслонки от сопла увеличивается количество выпускаемого в атмосферу воздуха и уменьшается давление на выходе Рвых. С уменьшением зазора между соплом и заслонкой давление Рвых будет увеличиваться. Воздух давлением Рвых поступает к сервомотору, который производит необходимую перестановку исполнительного органа (напр., клапана) в соответствии с импульсом, полученным от измерителя.
Величина командного (выработанного преобразователем давления) изменяется от 0,2 до 1,0 кг/см2 .
Повысить точность поддержания регулируемого параметр I можно введением в преобразователь сильфонной обратной связи, воздействующей на заслонку в сторону, обратную действию измерителя (рис. 11). Сигнал действительное значения регулируемого параметра воздействует на один конец рычажной заслонки, преодолевая при этом затяжку пружины регулирующего устройства, по которой определяется заданное значение сигнала. На другой конец рычажной заслонки передается воздействие от сильфонной обратной связи и сопла.
Если под действием измерителя заслонка приближается к соплу, то значение Рвых увеличивается. Увеличивается при этом и давление воздуха в сильфоне обратной связи, благодаря чему возникает противодействие перемещению заслонки к соплу, что приводит к ограниченному перемещению заслонки относительно сопла, т. е. обратная связь отрицательная. Равновесие системы наступает при изменении Рвых на меньшее значение.
СЕРВОМОТОРЫ - ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ (рис. 12).
Сервомоторы, или исполнительные механизмы, по виду используемой среды бывают гидравлическими, пневматическими и электрическими. Гидравлические и пневматические сервомоторы бывают поршневые, одно — (рис. 12а) и двустороннего действия (рис. 126, в), а также мембранные (рис. 12г) и электрические (рис. 12д).
ВРЕМЯ СЕРВОМОТОРА - время, необходимое для перемещения регулирующего органа из одного крайнего положения в другое при максимальном воздействии управляющего устройства, когда поршень сервомотора перемешается с максимальной скоростью; обычно составляет для гидравлических сервомоторов от долей до десятков секунд, для пневматических 5 сек, для электрических - от 10 до 120 сек.
СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ температуры охлаждающей воды дизеля (рис. 13).
С помощью трехпроточного клапана, установленного на трубопроводе охлаждающей воды, обеспечивается подключение обводного контура водоохладителя. Водоохладитель прокачивается нерегулируемым потоком забортной воды. Сигнал, пропорциональный температуре охлаждающей воды на выходе из двигателя, поступает к регулятору. В регуляторе этот сигнал сравнивается с заданным значением и при наличии рассогласования появляется выходной сигнал, который поступает к трехпроточному регулируемому клапану.
Если температура начнет повышаться, то меньшее количество воды будет перепускаться, минуя охладитель, увеличится расход воды через охладитель, и температура будет уменьшаться.
