Регулятор типа Д50

1.2. Регулятор типа Д50

Регулятор Д50 и его модификации успешно эксплуатируются на отечественных тепловозах с начала 50-х годов прошлого века. Ими оборудовались и оборудуются в настоящее время все модификации дизеля Д50 (ПД1М) тепловозов ТЭ1, ТЭ2, ТЭМ1, ТЭМ2. Имеющий аналогичную конструкцию регулятор 2Д100 применялся на дизеле 2Д100 тепловоза ТЭ3. Не смотря на свою относительную простоту, конструкция этого регулятора обеспечивает реализацию достаточно эффективного даже по современным меркам закона регулирования и может рассматриваться в качестве классической для регуляторов тепловозных дизелей. Она была положена в основу конструкций практически всех последующих типов регуляторов.

Конструктивно регулятор частоты вращения типа Д50 состоит из трёх чугунных корпусов, соединённых между собой винтами и шпильками.

Нижний корпус снабжён квадратным фланцем, посредством которого остов регулятора крепится четырьмя шпильками к картеру топливного насоса. Внутри корпуса смонтирован вал привода регулятора. Вал опирается на шариковый подшипник, снабжённый самоуплотняющимся сальником. На нижний конец вала напрессована коническая шестерня. Верхний конец вала привода снабжён специальными вырезами, которыми он при помощи рессорных пластин соединён со шлицевым валом. Последний в свою очередь соединён с буксой. Соединение вала и буксы рессорными пластинами обеспечивает плавную передачу крутящего момента от кулачкового вала топливного насоса к буксе регулятора. Смазка шарикового подшипника осуществляется маслом, поступающим по наклонному отверстию, просверленному в корпусе.

Средний корпус регулятора установлен на фланец нижнего корпуса и укреплён на последнем восемью шпильками. Внутри среднего корпуса расположена система каналов, необходимых для подвода и отвода масла от гидравлического сервомотора. В этом же корпусе размешены два колодца, внутри которых смонтированы поршни, нагруженные пружинами. В одном из колодцев имеется боковое отверстие, закрытое поршнем. При увеличении давления масла свыше 0,34 МПа поршень, преодолевая усилие пружин, перемешается вниз и открывает отверстие. Избыток масла перетекает в полость низкого давления (масляную ванну) регулятора, благодаря чему в масляной системе регулятора поддерживается постоянное давление масла (0,34 ... 0,4 МПа). Масляная ванна регулятора образована свободными полости, имеющимися внутри среднего корпуса. Уровень масла которого определяется по маслоуказательному стеклу, установленному на внешней стороне корпуса.

Внизу корпуса смонтирован масляный насос, состоящий из двух цилиндрических шестерён. Одна из шестерён насоса укреплена коническими винтами на хвостовике буксы и является ведущей. Другая шестерня (ведомая) помещена в выточке корпуса на запрессованной в него оси.

Золотниковая часть регулятора состоит из буксы, отлитой из чугуна марки СЧ 24-44 и предназначенной для монтажа всех деталей, входящих в золотниковую часть регулятора. По всей длине буксы сделаны кольцевые выточки и просверлены отверстия, необходимые для сообщения внутренней ее полости с каналами корпуса, по которым подводится и отводится масло от гидравлического сервомотора в ванну регулятора. На верхнюю часть буксы напрессована траверса, на которой смонтированы рычаги с грузами. Рычаги грузов качаются на осях в шарикоподшипниках. Их качание ограничено сверху ограничителями и снизу фланцем. На рычаги навинчено по две гайки. Рычаги с гайками отбалансированы на специальных весах по эталонному рычагу.

Верхний корпус регулятора установлен на средний корпус и закреплён на нём через внутреннюю полость четырьмя винтами. В полости верхнего корпуса размещена всережимная пружина, опирающаяся своими нижними витками на тарелку.

В приливах верхнего корпуса смонтирован механизм затяжки всережимной пружины. Механизм состоит из зубчатой втулки, установленной в центральном отверстии корпуса. Втулка входит в зацепление с зубчатым сектором, который своими цапфами опирается на два игольчатых подшипника, смонтированных в приливах корпуса. Поворотом сектора производится затяжка или ослабление всережимной пружины.

С левой стороны корпус имеет чисто обработанную поверхность, на которой установлен и укреплён четырьмя шпильками гидравлический сервомотор (гидроцилиндр). В корпусе сервомотора, разделённом перегородкой на две полости, установлена поршневая пара, нагруженная сверху пружиной, затянутой колпаком. Поршневая пара состоит из силового поршня и компенсирующего поршня. Оба поршня напрессованы на общий шток. Шток уплотнён в крышке сальником и имеет внизу серьгу, посредством которой он соединен с рычажной системой привода реек секций топливного насоса высокого давления. Корпус сервомотора в плоскости крепления его к корпусу имеет систему каналов, по которым осуществляется подвод и отвод масла, необходимого для работы.

С левой стороны корпуса сервомотора укреплён винтами корпус с золотником автоматического выключения, служащий для остановки двигателя. Остановка двигателя осуществляется перепуском масла из полости под силовым поршнем сервомотора в полость над этим поршнем, которая постоянно соединена с масляной ванной регулятора. Над золотником установлен электромагнит, закрытый кожухом. При замыкании цепи катушки электромагнита хвостовик его сердечника опускает золотник вниз и его цилиндрическая головка запирает выход масла из-под силового поршня. При пуске двигателя цепь питания электромагнита создаётся блокировочным контактом пускового контактора. После пуска двигателя цепь питания катушки электромагнита создаётся блокировкой реле давления масла. При понижении давления масла и масляном трубопроводе двигателя ниже 0,16 МПа или при остановке двигателя выключением автоматического выключателя «Топливный насос» цепь электромагнита размыкается. Золотник давлением масла поднимается вверх и перепускает масло из полости под силовым поршнем в полость над силовым поршнем и далее в масляную ванну регулятора. При этом регулирующие рейки секций топливного насоса, связанные рычажной передачей со штоком сервомотора, устанавливаются в положение нулевой подачи, и двигатель останавливается.

Действие регулятора. На тарелку плунжера действуют сила упругости всережимной пружины 13, зависящая от позиции контроллера машиниста, и центробежная сила грузов 15 центробежного измерителя, величина которой определяется текущим значением частоты вращения коленчатого вала дизеля (буксы регулятора). В установившемся режиме работы дизеля эти силы взаимно уравновешиваются, вследствие чего плунжер 17 золотниковой части регулятора занимает среднее положение, в котором его средний (рабочий) диск перекрывает средний ряд отверстий во втулке 27.

Взаимодействие элементов регулятора в различных режимах его работы удобно проследить и изучить с помощью схемы.

На рисунке схематически изображено взаимное расположение основных деталей регулятора в установившемся режиме работы дизеля и регулятора. Усилие затяжки всережимной пружины 13 равно силе, действующей на тарелку 14 плунжера со стороны горизонтальных плеч рычагов 15, вследствие чего плунжер 17 и втулка 27 неподвижны, причем средний ряд отверстий во втулке перекрыт средним пояском плунжера, вследствие чего масло из от шестеренчатого насоса 23 не может поступать под силовой поршень 3 сервомотора и отводится в масляную ванну регулятора через отверстие в колодце поршня аккумулятора 20 по каналу 21. Усилие, развиваемое пружиной 5 сервомотора, не может переместить силовой поршень 3, так как масло под ним не имеет выхода.

При уменьшении нагрузки на двигатель (при неизменном положении рукоятки контроллера) частота вращения коленчатого вала двигателя возрастут, так как подача топлива топливным насосом в этот момент не уменьшилась. Грузы 15 вследствие увеличения действующей на них центробежной силы разойдутся и угловыми рычагами через шарикоподшипник 10 поднимут плунжер 17. Рабочий диск плунжера поднимется и сообщит пространство под силовым поршнем 3 сервомотора с масляной ванной через канал 7, средний ряд отверстий втулки 27, внутреннюю полость втулки, нижний ряд отверстий втулки и канал 18. Поршень 3 под воздействием пружины 5 начнёт опускаться, а так как шток 1 связан с рейками топливных насосов высокого давления, то и подача топлива в цилиндры двигателя начнет уменьшаться.

Компенсирующий поршень 2 сервомотора, опускаясь одновременно с силовым поршнем 3, создаёт над собой (в канале 6) и над поршнем 26 втулки 27 разрежение, под действием которого поршень 26 и втулка 27 будут перемещаться вверх, догоняя золотник и сжимая при этом компенсирующую пружину 25 ее нижней тарелкой. Средний ряд отверстий втулки 27 «надвигается» на рабочий поясок плунжера 17, вследствие чего слив масла из-под силового поршня 3 сервомотора и его движение на уменьшение подачи топлива прекращается (рис.1.8, в). Поскольку давление в канале 6 ниже, чем в масляной ванне 22 регулятора, масло из масляной ванны через игольчатый клапан 28 будет поступать в канал 6 и в полость над поршнем 26 втулки 27. Разрежение над ним уменьшается и поршень 26 вместе с втулкой 27 под действием силы упругости компенсирующей пружины 25 движется вниз, т. е. возвращается в исходное (нейтральное) положение.

Одновременно начинает снижаться частота вращения коленчатого вала (конечно, при условии, что уменьшения подачи топлива достаточно для ее снижения), вследствие чего грузы 15 сходятся, тарелка 14 с плунжером 17 опускаются, т. е. движутся в том же направлении, что и втулка 27. Таким образом, механизм регулятора возвращается в исходное состояние, но при изменившемся (в сторону уменьшения подачи топлива) положении штока 1 сервомотора. Если уменьшения подачи топлива недостаточно для снижения частоты вращения коленчатого вала, тарелка 14 с плунжером 17 останутся в верхнем положении, в то время, как втулка 27 с поршнем 26 будут опускаться вследствие перетекания масла через игольчатый клапан 28 и уменьшения разрежения над поршнем 26. Средний ряд отверстий втулки «сползает» со среднего диска плунжера, вновь открывая слив масла из-под силового поршня 3 сервомотора.

Под действием силы упругости пружины 5 поршень 3 приходит в движение в сторону уменьшения подачи топлива, вместе с ним движется компенсирующий поршень 2, вновь создавая разрежение над поршнем 26 втулки 27. Втулка 27 перемещается вверх, догоняя плунжер и перекрывая слив масла из-под поршня 3, что приводит к остановке штока 1 сервомотора и т. д. Процесс будет повторяться до тех пор, пока при очередном уменьшении подачи топлива частота вращения не начнет снижаться, что приведет к возвращению тарелки 14 с плунжером 17 в исходное состояние.

Увеличение нагрузки на двигатель вызовет снижение частоты вращения коленчатого вала (а, следовательно, и вала регулятора),так как положение реек топливных насосов высокого давления (цикловая подача топлива) в первый момент времени остаются неизменными. Центробежная сила, действующая на грузы 15, уменьшается, что, при неизменной затяжке всережимной пружины 13, приведет к сближению грузов 15 и опусканию тарелки 14 с плунжером 17. Его средний диск смещается ниже среднего ряда отверстий втулки 27, сообщая полость под поршнем 3 силового сервомотора с масляными аккумуляторами 20 по каналу 19, через внутреннюю полость втулки 27 и далее по каналу 7. Масло под давлением из масляных аккумуляторов 20 поступает под силовой поршень 3 сервомотора, поднимая его и увеличивая тем самым выход реек топливных насосов высокого давления. Вместе с силовым поршнем 3 поднимается и компенсирующий поршень 2. Вытесняемое им масло не успевает перетекать в масляную ванну по каналу игольчатого клапана 28, поэтому над поршнем 26 золотниковой втулки 27 создается избыточное давление, под действием которого поршень 26 и втулка 27 опускаются вниз, догоняя плунжер 17 и сжимая компенсирующую пружину 25 (на этот раз ее верхней тарелкой 29). Средний ряд отверстий втулки 27 «надвигается» на средний диск плунжера 17, вследствие чего поступление масла под силовой поршень 3 сервомотора прекращается, его шток 1 останавливается, увеличение подачи топлива прекращается. Вследствие перетекания масла из полости над поршнем 26 в масляную ванну 22 регулятора через игольчатый клапан 28 избыточное давление над поршнем 26 уменьшается. Под действием силы упругости компенсирующей пружины 25 поршень 26 и золотниковая втулка 27 начинают подниматься, возвращаясь в исходное положение.

Если увеличившейся подачи топлива достаточно для восстановления (повышения ) частоты вращения, последняя начинает возрастать, вследствие чего грузы 15 расходятся, поднимая тарелку 14 всережимной пружины с плунжером 17. Таким образом, плунжер 17 и втулка 27 возвращаются в исходное состояние одновременно, при увеличенной подаче топлива.

Если увеличения подачи топлива недостаточно для увеличения частоты вращения, плунжер 17 остается в нижнем положении, в то время, как втулка 27 возвращается в исходное состояние (поднимается) вследствие перетекания масла через игольчатый клапан 28. Средний ряд отверстий втулки 27 «сползает» с среднего диска плунжера 17, масло вновь начинает поступать под поршень 3 сервомотора, перемещая его и компенсирующий поршень 2 вверх в сторону увеличения цикловой подачи топлива. Над поршнем 26 втулки 27 вновь создается избыточное давление, под действием которого поршень 26 и втулка 27 опускаются вниз, догоняя плунжер и перекрывая средний ряд отверстий во втулке, останавливая тем самым перемещение штока 1 сервомотора и т. д. Процесс будет повторяться до тех пор, пока при очередном увеличении цикловой подачи топлива частота вращения коленчатого вала не начнет увеличиваться.

При увеличении позиции контроллера машиниста комбинация включенных вентилей электропневматического механизма регулятора изменяется таким образом, что затяжка всережимной пружины 13 регулятора увеличивается. Поскольку частота вращения коленчатого вала в первый момент остается неизменной, увеличившаяся сила упругости всережимной пружины, действующая сверху на тарелку 14 плунжера 17, превышает центробежную силу грузов 15, действующую на тарелку 14 снизу. В результате тарелка 14 с плунжером 17 перемещается вниз, т. е. механизм регулятора переходит в такое же положение, как и при увеличении нагрузки. Дальнейшая его работа также протекает описанным выше порядком. По окончании переходного процесса механизм регулятора возвращается в исходное состояние, но при увеличенной подаче топлива (поднятом поршне 3 сервомотора) и повышенной частоте вращения коленчатого вала.

При уменьшении позиции контроллера изменение комбинации включенных вентилей электропневматического механизма регулятора приводит к уменьшению затяжки его всережимной пружины 13. Сила, действующая на тарелку 14 плунжера 17 сверху, уменьшается, в то время, как центробежная сила грузов 15, приложенная к тарелке снизу, в первый момент остается неизменной. В результате грузы 15 расходятся, тарелка 14 вместе с плунжером начинает перемещаться вверх, т. е. механизм регулятора устанавливается в такое же положение, как и при уменьшении нагрузки. Дальнейшая работа протекает описанным выше для этого случая порядком.

При пуске дизеля уровень затяжки всережимной пружины 13 регулятора соответствует частоте вращения холостого хода дизеля. В тоже время действительная частота вращения коленчатого вала в период прокрутки его при пуске существенно ниже частоты вращения холостого хода. В результате при пуске сила затяжки всережимной пружины 13 превышает центробежную силу грузов 15, что приводит к перемещению тарелки 14 и плунжера 17 в крайнее нижнее положение. По мере увеличения давления масла в системе регулятора силовой поршень 3 сервомотора перемещается вверх, перемещая рейки топливных насосов высокого давления на увеличение подачи топлива и облегчая тем самым пуск дизеля.