Регулятор типа 1-7РС2

1.4. Регулятор типа 1-7РС2

Регуляторы Д50 и Д100 зарекомендовали себя как относительно простые и достаточно надежные в эксплуатации регуляторы, что и обусловило их успешную работу на отечественных тепловозах уже в течение более чем 40 лет без существенных изменений конструкции. Вместе с тем большой опыт эксплуатации регуляторов выявил ряд недостатков их конструкции. Наиболее серьезными из них - сложность регулировки золотниковой части при сборке регулятора и повышенные требования к вязкости масла, от которой зависят динамические характеристики изодромной обратной связи. Увеличение мощности и уровня форсирования по давлению наддува современных тепловозных дизелей, прежде всего дизелей типа Д49, предъявляют повышенные требования к статическим и динамическим характеристикам их работы.

Следующим шагом в развитии конструкции отечественных гидромеханических регуляторов дизелей явилась разработка регуляторов типа 7РС. Работа над ним шла параллельно с работой по созданию дизелей типа Д49. В настоящее время все модификации дизелей Д49, устанавливаемые на тепловозы, оборудуются различными модификациями регуляторов типа 7РС.

Регуляторы типа 7РС представляют собой гидромеханические регуляторы непрямого действия, обеспечивающие одновременное регулирование частоты вращения коленчатого вала и нагрузки дизеля.

Конструктивно этот регулятор представляет собой блок из трех стянутых болтами корпусов: верхнего, среднего и нижнего. В нижнем чугунном корпусе расположен шестеренный масляный насос, стальная ведущая шестерня которого выполнена заодно с приводным валом. На наружном конце этого вала насажена на шлицах полумуфта для соединения с приводом от вала дизеля. В чугунной плите установлены четыре шариковых клапана, обеспечивающие работу масляной системы регулятора при любом направлении вращения его приводного вала.

В среднем корпусе размещены два аккумулятора, каждый из которых имеет стальной поршень, нагруженный пружинами. Колодец одного из поршней имеет боковое отверстие для перепуска на слив лишнего масла при полностью заполненных аккумуляторах.

В верхнем корпусе размещены основные механизмы регулятора: измеритель частоты вращения, золотниковая часть, силовой и дополнительный поршни управления подачей топлива и обратной связи, а также рычажная передача механизма обратной связи.

Рассмотрим работу регулятора частоты вращения коленчатого вала на примере регулятора 1-7РС2.

В установившемся режиме работы дизеля силовой поршень 1 находится в положении, соответствующем фактической подаче топлива. Плунжер золотника 25 удерживается в среднем по высоте положении находящимися в равновесии сил центробежных грузов 19 и затяжки всережимной пружиной 28 и своим верхним пояском перекрывает окно во втулке 24, соединенное с управляемой полостью Б дополнительного поршня 29 обратной связи. Дополнительный поршень 29 неподвижен и находится по высоте в таком положении относительно силового поршня 1, при котором подвижная втулка 27, связанная с этими двумя поршнями суммирующими рычагами 2, находится также в своем среднем положении, в котором второй снизу поясок находящегося в среднем положении плунжера золотника 25 перекрывает окно также и в подвижной втулке 27. Канал от окна подвижной втулки 27, соединенный с управляемой полостью А, закрыт и силовой поршень также неподвижен.

Увеличение нагрузки дизеля на небольшую величину приводит к снижению частоты вращения коленчатого вала и, в связи с пропорциональным ей уменьшением центробежной силы грузов 19 измерителя, золотник 25 начнет смещаться вниз под действием пружины 28. Сместившись вниз, плунжер своим нижним рабочим пояском откроет окно во втулке 27 на слив. При этом окно во втулке 24 будет пока оставаться закрытым, так как ширина верхнего рабочего пояска плунжера превышает ширину окна. Силовой поршень быстро пойдет вниз на увеличение подачи топлива, выжимая на слив масло из камеры А, и остановится в положении, в котором связанная с ним рычагами подвижная втулка 27, двигаясь вниз, догонит плунжер 25 и перекроет окно. Таким образом, каждому положению плунжера 25 будет соответствовать определенное положение силового поршня 1, т. е. при неподвижном дополнительном поршне 29 механизм кинематической обратной связи работает как следящий механизм, обеспечивая жесткую кинематическую связь между силовым поршнем 1 и плунжером 25 золотниковой части регулятора. Наличие такой связи является характерным для статических регуляторов. Соответственно, данный регулятор в таком режиме тоже работает с определенной степенью неравномерности. Если увеличение подачи топлива оказалось достаточным, то в этот момент частота вращения перестанет падать, двигатель будет работать с повышенной нагрузкой на пониженной частоте. Если подача топлива увеличилась недостаточно, частота вращения коленчатого вала будет падать до тех пор, пока подача его не достигнет нужного значения. Если же увеличение подачи оказалось больше необходимого, то частота вращения коленчатого вала начнет расти, плунжер золотника 25 под действием увеличившейся центробежной силы грузов 19 пойдет вверх, и, следуя за ним, силовой поршень 1 будет уменьшать подачу топлива, пока между моментами дизеля и нагрузки не наступит равновесие и золотник 25 не остановится.

При большом увеличении нагрузки переходной процесс вначале будет протекать описанным выше порядком, так как частота вращения коленчатого вала при неизменной в первый момент цикловой подаче топлива начнет быстро снижаться. Вместе с плунжером золотника 25 силовой поршень 1 сервомотора также быстро будет перемещаться вниз, увеличивая подачу топлива. Однако теперь этого увеличения будет уже недостаточно для стабилизации частоты вращения коленчатого вала, поэтому наступит такой момент, когда верхняя кромка верхнего рабочего пояска плунжера начнет открывать окно в неподвижной втулке 24 буксы, соединяя через него полость Б под дополнительным поршнем 29 сервомотора с масляным аккумулятором 21. Масло под давлением начинает поступать в полость Б и дополнительный поршень 29 перемещается вверх, смещая посредством рычажной передачи 2 вверх также и подвижную втулку 27. В этом случае окно в ней вновь соединится со сливной полостью, силовой поршень с большой скоростью начнет смещаться вниз, дополнительно увеличивая подачу топлива и возвращая втулку 27 вновь в положение перекрыши. Однако, поскольку дополнительный поршень 29 через те же рычаги перемещает втулку 27 вверх, состояния перекрыши не наступает.

На этом этапе регулирования силовой поршень 1 будет перемещаться вниз на увеличение подачи пропорционально движению дополнительного поршня 29 вверх. Такой процесс продолжался бы до выхода обоих поршней в крайние положения, если бы плунжер золотника 25 оставался неподвижным, поскольку окно во втулке 24 оставалось бы открытым. Ввиду увеличившейся подачи топлива наступает новая фаза процесса: частота вращения вала дизеля растет и плунжер золотника 25 под действием центробежной силы грузов 19 начинает двигаться вверх, навстречу втулке 27, прекращая слив масла из полости А. Силовой поршень 1 остановится, а, поскольку окно во втулке 24 остается пока открытым, дополнительный поршень 29 будет продолжать движение вверх, перемещая за собой и втулку 27. Дальнейшее протекание процесса регулирования будет определяться динамическими свойствами дизеля. Если частота вращения коленчатого вала увеличивается быстро, плунжер 25 будет быстро возвращаться в исходное состояние, опережая перемещение втулки 27 и соединяя полость А с масляными аккумуляторами 21. Силовой поршень 1 начнет перемещаться вверх, уменьшая тем самым с некоторым опережением подачу топлива в цилиндры. Если же частота вращения коленчатого вала увеличивается медленно, движение плунжера 25 будет отставать от движения втулки 27, что приведет к дополнительному увеличению подачи топлива. В момент, когда частота вращения коленчатого вала будет близка к заданной верхний поясок плунжера 25 перекроет окно во втулке 27. Дополнительный поршень 29 остановится, поэтому дальнейшее движение плунжера 25 вверх будет сопровождаться соответствующим движением силового поршня 1, которое приведет к некоторому снижению подачи топлива и уменьшению перерегулирования частоты вращения коленчатого вала.

Таким образом, обратная связь полностью компенсирует неравномерность регулирующего звена и обеспечивает изодромный характер регулирования частоты.

Сходимость процесса регулирования и требуемое качество переходного процесса обеспечиваются выбором конструктивных форм и соотношений управляющих элементов. Окно во втулке 27 выполнено прямоугольным, а взаимодействующий с ним поясок плунжера 25 имеет ту же высоту. Это обеспечивает максимальное быстродействие силового сервомотора.

Ширина пояска плунжера 25, перекрывающего окно в неподвижной втулке 24, несколько больше высоты прямоугольного окна во втулке 27. Такое соотношение размеров окна и пояска плунжера способствует минимальной колебательности переходных процессов при небольших возмущениях, поскольку в этом случае механическая обратная связь либо вообще не вступает в работу, либо действует с минимальной скоростью, так как открываемые пояском площади сечения малы. Наоборот, в случае резкого увеличения нагрузки или большого изменения затяжки всережимной пружины ввиду резкого и большого смещения золотника окна во втулках 24 и 27 одновременно откроются на большее сечение и оба поршня – силовой 1 и дополнительный 29 – начнут быстрое перемещение в противоположные стороны. Ввиду этого втулка 27 в этот период почти не смещается и подача топлива увеличится сразу на значение, превышающее требуемое для новой нагрузки. Благодаря этому дизель быстро изменяет вращающий момент, первоначальное отклонение частоты вращения коленчатого вала будет минимальным.

Управление частотой вращения коленчатого вала дизеля осуществляется машинистом тепловоза с помощью контроллера и электрогидравлического механизма ступенчатого управления. Принцип его действия и конструкция основных узлов аналогичны соответствующему механизму регулятора 10Д100. Отметим лишь, что в регуляторах типа 7РС этот механизм дополнен обратным клапаном 23, а также включенным параллельно этому клапану регулируемым дросселем, состоящим из шестерни, вращаемой шестерней привода регулятора, и неподвижной червячной шестерни 20, зафиксированной в определенном положении червяком. Масло из напорной магистрали регулятора поступает в две точки механизма управления: к золотнику 15 напрямую и в буферную (нижнюю) полость поршня управления затяжкой пружины 28 через каналы корпуса, неподвижной червячной шестерни 20 и вращающейся шестерни. Система каналов выполнена так, что при каждом обороте шестерни эти каналы совмещаются и пропускают масло. Площадь сечения канала для прохода масла регулируется поворотом червяка шестерни 20. Таким образом, система каналов образует регулируемый дроссель. Такая конструкция имеет весьма важное преимущество перед другими видами дросселей — высокую стабильность, меньшую чувствительность к загрязнениям и изменениям вязкости масла. При перемещении поршня сервомотора затяжки пружины 28 в сторону увеличения частоты вращения коленчатого вала обратный клапан 23 закрывается, а масло вытесняется в напорную магистраль через регулируемый дроссель, который и будет определять скорость перемещения поршня затяжки всережимной пружины. При обратном движении поршня управления затяжкой пружины 28 масло поступает в его буферную полость через открытый клапан 23, вследствие чего скорость движения поршня не зависит от положения червяка 20 регулируемого дросселя. Так обеспечивается плавный набор частоты вращения коленчатого вала, необходимый для уменьшения дымления дизеля, снижения тепловых перегрузок на детали цилиндропоршневой группы и перерасхода топлива в переходных режимах работы. В тоже время скорость уменьшения частоты вращения коленчатого вала не ограничивается.

Стоповое устройство регулятора включает золотник 17 на линии подвода масла к золотнику 15 и электромагнит МР6, управляющий золотником 17. Пока МР6 включен, золотник 17 смещен вниз и пропускает масло под давлением к золотнику 15. При обесточивании МР6 золотник 17 отжимается пружиной вверх, перекрывает масляный аккумулятор 21 и соединяет золотник 15 со сливом. Так как оба входных канала золотника 15 оказываются соединенными со сливной полостью - давление в камере сервомотора 14 управления затяжкой всережимной пружины 28 снижается, а поршень 14 поднимается вверх. Своим верхним торцом поршень 14 упирается в регулируемый упор и поднимает вверх золотник 25 регулятора частоты вращения коленчатого вала. При этом силовой поршень 1 перемещается вверх до упора и выключит подачу топлива, дизель останавливается.

Измерительным элементом регулятора мощности является система дифференциальных рычагов, соединяющих в единую кинематическую цепь вал 3 управления подачей топлива, поршень 14 управления затяжкой всережимной пружиной и золотник 9, являющийся суммирующим элементом. Этот золотник управляет через поршень 5 сердечником индуктивного датчика 6, включенного в систему автоматического регулирования напряжения тягового генератора. При установившемся режиме золотник 9 находится в среднем положении, перекрывая канал управления поршнем 5. Пружина, действующая на плунжер 9, отжимает его вверх, выбирая зазоры в рычажной передаче и прижимая ролик к рычагу механизма управления, соединенному со штоком поршня 14 сервомотора управления затяжкой всережимной пружины 28. Любое повышение нагрузки (поворот вала против часовой стрелки) или уменьшение затяжки всережимной пружины 28 приводит, к смещению золотника 9 от среднего положения вниз. При этом поршень 5 перемещается вверх, вдвигая сердечник во внутрь катушки индуктивного датчика 6. Индуктивное сопротивление катушки датчика возрастет, через автоматическую систему регулирования напряжения ток обмотки возбуждения тягового генератора уменьшится, а нагрузка на дизель снижается. Вал 3 под действием регулятора частоты вращения коленчатого вала повернется в сторону уменьшения подачи топлива и через рычаг 7 вернет золотник 9 в положение перекрыши. В момент перекрытия золотником 9 окна во втулке 8 поршень 5 остановится. Если нагрузка дизеля окажется в точности соответствующей требуемому выдвижению тяг управления подачей топлива – механизм остановится в этом положении. Если выявится несоответствие, золотник 9 окажется в положении, отличном от среднего, и вновь приведет в действие поршень 5, пока не наступит новый равновесный режим. При снижении нагрузки дизеля или увеличении затяжки пружины 28 процесс будет идти аналогично. Поскольку процесс регулирования заканчивается только после возвращения золотника в одно и то же положение перекрыши, то в результате действия регулятора каждому положению поршня 14 затяжки всережимной пружины 28 будет соответствовать только одно равновесное положение вала 3, иными словами, каждой заданной частоте вращения коленчатого вала дизеля будет соответствовать один строго определенный выход реек топливных насосов высокого давления.

Механизм гибкой обратной связи по скорости перемещения поршня 5 состоит из подвижной втулки 8, удерживаемой в среднем положении двумя пружинами 10, дроссельной иглы 4, камеры В в сервомоторе привода индуктивного датчика. При увеличении внешней нагрузки поршень 5 двигаясь вверх, забирает масло в камеру В из камеры под втулкой 8, сместившись под действием разрежения втулка 8, перемещается в одном направлении с золотником 9, что вызывает перекрышу окна втулки 8 пояском золотника 9 и остановку движения поршня 5. Далее одновременно протекают два процесса: уменьшение подачи топлива регулятором частоты вращения (поворот вала 3 и перемещение плунжера 9 вверх) и перемещение втулки 8 вверх под действием нижней пружины со скоростью, определяемой величиной открытия иглы 4, которая дросселирует масло, подсасываемое в камеру В из масляной ванны 1 регулятора. Настройка этой иглы подбирается так, чтобы в результате совместных перемещений всех узлов и с учетом инерции агрегата процесс регулирования нагрузки происходил с минимальным перерегулированием и быстро затухал. Как видно из описанной схемы, процесс регулирования завершится лишь тогда, когда давление в камерах будет равно атмосферному, втулка 8 и золотник 9 остановятся в среднем положении.

Регулятор типа 1-7РС2 имеет механизм отключения регулятора мощности. Этот механизм состоит из золотника 18 и управляющего им электромагнита МР5. Через золотник 18 масло из напорной магистрали регулятора поступает к золотнику 9 регулятора мощности. При включении магнита МР5 золотник 18 перемещается вниз и соединяет напорную линию регулятора мощности со сливом. В этом случае поршень 5 быстро переходит в крайнее верхнее положение, устанавливая максимальное сопротивление катушки индуктивного датчика и минимальную мощность тягового генератора.

Разбивка частоты вращения коленчатого вала по позициям контроллера для регуляторов типа 7РС2

Позиция контроллера	Включение электромагнитов регулятора	Частота вращения, об/мин
МР1	МР2	МР3	МР4	1-7РС2*	2-7РС2
0, 1	-	-	-	- (+)**	350±15	350±15
2	+	-	-	+	395±15	575±15
3	+	-	-	-	445±15	608±15
4	-	+	-	+	490±15	640±15
5	-	+	-	-	535±15	673±15
6	+	+	-	+	575±15	706±15
7	+	+	-	-	630±15	738±15
8	-	-	+	+	675±15	771±15
9	-	-	+	-	720±15	804±15
10	+	-	+	+	770±15	837±15
11	+	-	+	-	815±15	869±15
12	-	+	+	+	860±15	902±15
13	-	+	+	-	910±15	935±15
14	+	+	+	+	955±15	967±15
15	+	+	+	-	1000+10/-5	1000±15

_____________________________
* Аналогично для регуляторов типа 3-7РС2 и 4-7РС2.
** Для регуляторов 2-7РС2.