Таким образом, разработка комбинированных связанных АСРТ воды и масла дизелей маневровых тепловозов с применением автоматического межконтурного перепуска воды дизеля в контуры охлаждения и подогрева масла и наддувочного воздуха и электронных цифровых регуляторов температуры, алгоритмы работы и программы которых могут быть включены в пакет прикладных программ тепловозной бортовой управляющей микро-ЭВМ_, позволяет существенно повысить экономичность и надежность дизелей и их систем охлаждения и подогрева теплоносителей.

Следует отметить, что для реализации автоматического межконтурного перепуска ЛТЗ и МИИТ разработан трехходовый перепускной клапан с поворотным распределителем, отличающийся более высокой надежностью и долговечностью по сравнению с известными перепускными клапанами тарельчатого типа. Для электронных цифровых регуляторов температуры МИИТ-ом выбраны и разработаны серийные устройства сопряжения аппаратных средств микро-ЭВМ.

2. Совершенствование систем охлаждения и регулирования температур теплоносителей дизеля

2.1 Совершенствование систем охлаждения дизеля

Выполненный в первой главе настоящей работы анализ принципов построения, функциональных и принципиальных схем АСРТ дизелей тепловозов, показал, что наиболее просто, прежде всего технологически и конструктивно, модернизировать релейную АСРТ дизеля тепловоза ЧМЭЗ, в которой функцию ИУ выполняет гидродинамическая муфта переменного наполнения с регулированием потока рабочей жидкости (смазочного масла) на входе в рабочую полость.

Разрабатываемая непрерывная АСРТ В содержит (рис.2.1) УО, предназначенный для преобразования Т'_в в пневматический сигнал Р₂ и состоящий из измерительного ИУ, сравнивающего СУ, задающего ЗУ и усилительного УУ устройств; ИМ, функцию которого выполняет ГДВП; РО - осевой ВО и ОР - ВВСО дизеля тепловоза ЧМЭЗ. Отличительной особенностью разрабатываемой АСРТ В является то, что пропорциональный АРТ, образованный УО, ИМ и РО, обеспечивает плавное (непрерывное) изменение частоты вращения n_в и, следовательно, подачи ВО G_вз в зависимости от изменения регулируемого параметра - Т'_в.

Модернизированная АСРТ В дизеля тепловоза ЧМЭЗ содержит как ОР температуры Т'_в и пропорциональный АРТ В (рис.2.2). ВВСО содержит дизель 1 К65310БЕ, нагружаемый генератором 2;воздушноводяные секции радиатора 3, водяной насос 4, трубопроводы (не показаны).

Непрерывный АРТ содержит УО 5, дросселирующий золотник .2 мембранным приводом 7, гидродинамическую муфту переменного наполнения 8 с регулированием потока на входе, вентилятор охлаждения 9, повышающий 10 и понижающий 11 зубчатые редукторы.

АСРТ В работает следующим образом: когда температура воды на выходе из дизеля Т' _в ниже нижнего диапазона регулирования давление на выходе УО Р₂ и мембранной полости привода 7 равно нулю, а золотник 6 находится в положении, при котором подача масла G_М1 равна нулю, рабочая полость гидромуфты оказывается полностью опорожненной, вследствие чего частота вращения турбинного колеса , рабочего колеса ВО n_в и его подача G_вз равны нулю.

При повышении Т'_в нижнего диапазона регулирования вследствие увеличения N_д и Т'_вз давление Р₂ на выходе УО 5 возрастает, золотник 6 под действием силы давления воздуха P₂ перемещается, что приводит к увеличению расхода масла G_M1, круг циркуляции гидромуфты 8 начинает заполняться, что приводит к увеличению , n_в и подачи ВО G_вз, при этом рост T'_в прекращается.

При достижении Т' _в верхнего диапазона регулирования давление воздуха Р₂ на выходе УО 5 становится максимальным, это приводит к увеличению расхода G_М1 и полному заполнению круга циркуляции гидромуфты 8, вследствие чего частоты вращения , n_в и подача G_вз ВО достигают максимальных значений. *

При снижении Т'_в из-за уменьшения N_д и Т'_вз Р₂ на выходе УО, расход G_М1 и соответственно и n_в уменьшаются, что приводит к снижению подачи G_вз. Снижение Т'_в при этом прекращается.

Рис.2.1 Функциональная схема модернизированной непрерывной АСРТ воды дизеля тепловоза.

Рис.2.2 Принципиальная схема модернизированной непрерывной статической системы регулирования температуры воды дизеля тепловоза

Разработанная связанная АСРТ воды и масла дизеля тепловоза ЧМЭЗ состоит (рис.2.3) из АРТВ, и АРТМ, содержащей два РО: ТХПК с мембранным приводом 9 и ВО 10 с ЭПВ 19, УО непрерывного действия типа ДТПМ2 и релейный (штатный) УО (термореле) 22. Принцип работы модернизированной АСРТМ следующий.

Выходной пневматический сигнал Р₃, УО типа ДТПМ 21, пропорциональный Т'_м, поступает на привод 9 ТХПК 8. Выходный сигнал термореле 22 также зависит от Т' _м при определенном ее значении поступает на катушку 24 контактора. Когда Т'_м имеет низкое значение, величина сигнала Р₃ такова, что распределитель ТХПК 8 находится в положении при котором перепуск полностью откроет, и часть G_к охлаждающей воды ВВСО минуя радиатор 7, через клапан 8 по перепускному трубопроводу поступает на вход насоса 6 контура ВВМСО, а такой же расход воды по турбопроводу через обратный клапан 20 поступает из ВВМСО в ВВСО. Таким образом, часть горячей воды дизеля поступает в ВВМСО, подогревая масло и наддувочный воздух. При повышении Т'_м давление Р₃ выходе УО 21 увеличивается, в результате чего перемещается шток пневмопривода, поворачивая распределитель ТХПК, и расход воды на перепуск уменьшается. При достижении Т' _м верхнего диапазона регулирования ( 343 К) перепуск прекращается. Если Т' _м поднимается еще выше и достигнет верхней границы

интервала регулирования ( 358 К) срабатывает рмореле 22, подается питание на катушку 24, при этом замыкается контакт 25 в цели питания ЭПВ 19 ВО 10 ВВМСО. ВО начинается вращаться с максимальной n_в, продувая воздух со скоростью U₂ через секции 7, и Т'_м и Т_s начинает снижается. При достижении Т" _м нижней границы регулирования ( 348 К) срабатывает реле 22, что приводит к размыканию цепи питания ЭДП ВО 19. ВО 10 останавливается, снижение Т' _м и Т_s прекращается.

Рис.2.3 Принципиальная схема модернизированных непрерывных статических систем регулирования температур воды и масла дизеля тепловоза ЧМЭ3

Исследование статических характеристик АСРТ тепловозных ДВС показывает, что обеспечение рационального температурного режима связано с рядом трудностей, так как уменьшение неравномерности (увеличение коэффициента передачи) статических АРТ приводит к существенному ухудшению показателей качества работы АСРТ вплоть до потери ее устойчивости. Анализ расчетных статических и динамических характеристик ВВСО дизеля тепловоза ЧМЭЗ , а также ряда других расчетных и экспериментальных статических характеристик СО показывает, что коэффициент передачи СО по регулирующему воздействию во всем диапазоне изменения N_д и Т'_вз изменяется в 100 и более раз, причем с уменьшением N_д, Т'_вз и увеличением значений регулируемых температур Т_р, существенно возрастают, приводит к значительному уменьшению фактора запасов устойчивости АСРТ. Поэтому обычно применяемые на тепловозах статические АСРТ, имеющие оптимальную настройку на номинальном или близком к нему режиме, работают неудовлетворительно или оказываются вовсе неработоспособными при работе дизеля на режимах долевых нагрузок N_д (n_д) и низких Т'_вз. Из расчетных частотных характеристик разомкнутой АСРТВ дизеля тепловоза видно, что наименьший запас устойчивости система имеет при минимальной частоте n_д = 350 об/мин, при этом точка пересечения (А) АФЧХ системы, соответствующей данному режиму работы дизеля с отрицательной полуосью действительных чисел (Rе), ближе всего расположена к точке с координатами (-1, j 0). Уменьшение статической неравномерности АСРТ. достигаемое, как правило, за счет увеличения коэффициента передачи АРТ (К_рт), противоречит условию устойчивости -так как годограф АФЧХ АСРТ дополнительно сдвигается к точке(-1,j0). Причем, если стремиться обеспечить заданный запас ;устойчивости АСРТ при всех N_д (n_д) и Т'_вз, то необходимо выдать минимальный К_рт, при этом значение статической неравномерности АСРТ (ДТ_Р) будет максимальным. Следовательно, можно сделать вывод, что при статических П-регуляторах простейших схем, обычно применяемых в АСРТ тепловозных ДВС, невозможно обеспечить поддержание оптимального температурного режима ДВС и тем более получить отрицательную неравномерность АСРТ.

Стремление повысить качество работы тепловозных АСРТ за счёт введения в закон работы АРТ интегральной и дифференциальной составляющих и разработке ПИД- регуляторов температуры привело к использованию в АРТ функциональных блоков, построенных на базе элементов промышленной пневмоавтоматики и комплекса элементов минипневмоавтоматики КЭМП . Блоки управления на базе элементов этих систем используют пневматический сигнал давления от 20 до 100 КПа. Пропорциональные АРТ, в УО которых использованы пневматические преобразователи температуры расходного типа и блоки управления на элементах УСЭППА, применяются в АСРТ ДВС тепловозов типа 2ТЭ121 и опытного тепловоза ТЭ136 с ЭПВПП. В таил АРТ имеется возможность вручную изменять коэффициент передачи УО. Эта возможность может быть использована при сезонной настройке АРТ, что позволяет обеспечить требуемую статическую неравномерность АСРТ как при низких, так и при высоких Т'вз. Такого изменения коэффициента передачи УО также недостаточно для обеспечения показателей качества работы АСРТ во всем диапазоне режимов и условий работы СО ДВС. К тому же, опыт эксплуатации таких АРТ показал, что блоки на элементах УСЭППА имеют нестабильные характеристики из-за засорения узла типа "сопло-заслонка", что отрицательно сказывается на качестве работы таких АСРТ.

Введение в закон работы АРТ, кроме пропорциональной, ещё и интегрирующей составляющей (ПИ-регулятор) позволяет реализовать астатическую АСРТ ДВС. Такая АСРТ характеризуется нулевой статической неравномерностью, т.е. при всех режимах и условиях работы СО ДВС температура Т_р поддерживается на уровне одного заданного значения.

Введение в астатический АРТ (ПИ-регулятор) дополнительно дифференцирующей составляющей (ПИД-регулятор) позволяет при нулевой статической неравномерности АСРТ получить более высокое по сравнению с П- и ПИ-регуляторами качество работы АСРТ.

Астатические ПИ- и ПИД АРТ, реализованные на основе блоков управления на базе элементов УСЭППА и КЭМТ, применялись на опытных тепловозах 2ТЭ121 с ЭПВ на переменном токе.

Постоянство основных параметров настройки К_р, а также постоянных времени Т_и и Т_д астатических АРТ, рассчитанных для определенных условий работы СО дизеля, не позволяет обеспечить при всех возможных режимах и условиях работы ДВС высокие показатели качества работы АСРТ ДВС, значительно отличающихся от расчетных, не обладают преимуществом в качестве переходных процессов АСРТ перед более простыми АСРТ с П-регуляторами/4/.

Одним из способов достаточно простого и эффективного повышения качества работы АСРТ, а значит и ее экономичности является использование принципа инвариантности, то есть независимости Т_р от основных возмущающих воздействий N_д и Т'_вз /. Суть принципа заключается в том, что для улучшения качества работы АСРТ влияние замкнутого контура регулирования по отклонению дополняется непосредственным влиянием основных возмущений: N_д и Т'_вз (рис.2.4) Введение компенсирующих связей позволяет использовать компенсаторы по N_д и Т'_вз( дополнительные сигналы управления б₁ иб₂) как своеобразные компенсирующие звенья, позволяющие помимо уменьшения зоны статической неравномерности АСРТ повысить устойчивость замкнутого контура регулирования. Это достигается тем, что от АРТ по отклонению можно не требовать для обеспечения минимальной зоны неравномерности большого коэффициента передачи, К_рт так как значительная часть возмущения будет компенсироваться регулятора (компенсатором) по нагрузке. При этом за cчет уменьшения К_рт можно

Рис.2.4 Функциональная схема КРТ теплоносителей дизеля тепловоза

повысить запас устойчивости и качество работы замкнутого контура системы регулирования.

Трудности реализации условия инвариантности, связанные с несовершенством компенсаторов и действием неизмеряемых возмущений и т. д. позволяют реализовать только частичную инвариантность. Такие АСРТ, в которых реализуются принципы регулирования по отклонению и по возмущению, получили название комбинированных АСРТ Недостаток известных КРТ с сигнальной компенсацией N_д , содержащих ВО с ИМ терморегулятор ОУ, датчик и компенсатор мощности дизеля связанный кинематически с его органом топливоподачи, сумматор, выход которого пневматически подключен к ИМ , а входы - к датчику мощности и УО, заключается в том, что при понижении температуры Т'_вз качество работы АСРТ ухудшается, что сопровождается значительными динамическими забросами температуры Т_р после изменения N_д. В установившемся режиме наблюдается значительное отклонение температуры Т_р от заданного значения, что приводит к переохлаждению дизеля и, следовательно, к снижению топливной экономичности тепловоза .

Этот недостаток устраняется в КРТ с сигнальной компенсацией Nд и Т'_вз. Известны два способа суммирования сигналов управления: применение многомембранных блоков привода ИМ и сумматоров пневматических сигналов.

На рис.2.5 приведена принципиальная схема КАСРТ с сигнальной компенсацией Nд и Т'_вз при суммировании сигналов в сумматорах С1 и С2.

Рис.2.5Принципиальная схема модернизированных непрерывных связанных АСРТ воды и масла дизеля тепловоза ЧМЭ3

Поддержание Т`_в при фиксированных N_д и Т'_вз предлагается осуществлять с помощью КАСРТВ непрерывного действия, в АРТ которой вместо термореле используется серийный пневматический преобразователь температуры типа ДТПМ 11, управляющий приводом 18 двухходового перепускного клапана 17 ГДПВ.

Принцип работы предлагаемой КАСРТМ следующий.

Выходной пневматический сигнал Р₆ преобразователя температуры типа ДТПМ 21. пропорциональный величине Т'_M, поступает через сумматор С2-31 на привод 9 ТХПК 8. Одновременно с этим выходной сигнал термореле 22 тоже зависит от величины Т'_м и при определенном ее значении поступает на катушку 24 контактора.

Когда Т'_м имеет низкое значение, величина сигналов Р₆ и Р₇ такова, что распределитель ТХПК 8 установлен в положение, при котором перепуск полностью открыт и часть воды из ВВСО, минуя радиаторы 13, через перепускной клапан 8 по перепускному трубопроводу поступает на вход насоса 6 ВВМСО, а такой же расход воды по трубопроводу через обратный клапан 20 поступает из ВВМСО в ВВСО. Таким образом, часть горячей воды дизеля поступает в ВВМСО, подогревая масло и наддувочный воздух.

При повышении значения Т' _м давление Р₆ на выходе преобразователя 21 увеличивается, в результате чего перемещается шток пневмопривода 9, поворачивая распределитель ТХПК, и расход воды на перепуск уменьшается. По достижении Т'_м значения 343 К АРТМ устанавливает поворотный распределитель ТХПК 8 в положение, при котором перепуск воды между контурами закрывается.

Если Т'_м поднимется еще выше и достигнет верхней граниты интервала регулирования (358 К) выходной сигнал термореле достигнет значения, при котором контактор срабатывает, замыкая свой контакт 25 в цепи питания электродвигателя 19 привода ВО 10 ВВМСО. ВО начинает вращаться, продувая воздух со скоростью u₂ секции радиаторы 7 и Т'_м и Т₃ начинают снижатьcя. Когда Т'_м снизится до нижней границы интервала регулирования (348 К), сработает (выключится) термореле 22. Контакт 25 разомкнётся и разорвет цепь питания электродвигателя 19, 30 10 остановится.

При увеличении N_д и Т'_вз увеличивается, соответственно, зыходной сигнал компенсаторов N_д - 29 и Т'_вз-30 и выходной сигнал сумматоров 28 контура регулирования Т'_вз и 31 контура регулирования Т'_м. В КАСРТВ при этом при неизменной Т'_в увеличивается n_в. а в КАСРТМ при неизменной Т'_м уменьшается расход воды на перепуск. Таким образом предполагаемое увеличение Т'_в и Т'_м при увеличении N_д и Т'_вз не происходит. При выборе определенной степени компенсация N_к, при увеличении N_д и, соответственно, Р₃ выходные сигналы С1 и С2 будут таковы, что приведут к снижению Т'_в и Т'_м, то есть обеспечивается отрицательная статическая неравномерность КАСРТВ и М по N_д. При выборе определенной степени компенсации Т'_вз возможно обеспечить нулевую статическую неравномерность по Т'_вз.

Таким образом, в предлагаемых непрерывных КАСРТВ и КАСРТМ теплоносителей дизеля регулирование Тв осуществляется непрерывно ВО, а Т`_M непрерывно ТХПК и релейно ВО. Применение в качестве одного из регулирующих воздействий изменения расхода воды на перепуск между контурами СО позволяет значительно уменьшить статическую неравномерность АСРТМ то есть поддерживать температуру Т'_м на требуемом уровне во всем диапазоне изменений N_д при всех значениях и, соответственно, снизить расход топлива дизелем и повысить его надежность. Одновременно с этим повышение температуры воды ВВМСО обеспечивает повышение надежности радиаторов в зимнее время, когда возможно их замерзание, а перераспределение теплоотводов между контурами СО позволяет повысить надежность приводов ВО и снизить затраты мощности на охлаждение.

Таким образом, рассмотренный КРТ, в котором используется принцип сигнальной компенсации основных возмущений -N_д(n_д), Т'_вз, позволяет существенно улучшить характеристики АСРТ: исключить переохлаждение теплоносителя дизеля, повысить надежность СО, улучшить показатели качества работы КАСРТ, обеспечить отрицательную по N_д и нулевую по Т'_вз неравномерность КАСРТ.

2.2 Совершенствование автоматического регулятора температуры воды дизеля

С целью упрощения решения задачи создания непрерывной статической АСРТ В дизеля тепловоза ЧМЭЗ в разрабатываемой АРТ воды предлагается максимально использовать серийные элементы, выпускаемые российской промышленностью. В частности, в качестве УО предлагается использовать серийный пневматический преобразователь температуры типа ДТПМ, а для регулирования расхода масла G_м1 на входе в рабочую полость гидромуфты - дросселирующий золотник с мембранным исполнительным механизмом, конструкция которого разработана ПО "Людиново-тепловоз". Многолетний опыт эксплуатации указанных элементов на тепловозах стран СНГ показал их высокую надежность и ремонтнопригодность (Рис.2.6).

УО типа ДТПМ является безрасходным пневматическим пре-образователем температуры.

Статические характеристики УО - зависимость давления выходного сигнала Р₂ от температуры наполнителя Т_н, в равновесном режиме равной регулируемой температуре Т_п - практически линейны.

Дросселирующий золотник с мембранным приводом функционально представляет собой блок, входной величиной которого является давление воздуха Р₃, в выходной - расход рабочей жидкости (масла) G_М1. При проектировании АРТ, содержащего ГДМ переменного наполнения, окну золотника управления можно придать требуемую форму и получить любую заданную зависнуть G_М1 = G_М1(hз), где hз - перемещение золотника. При заданной форме окна золотника требуемую статическую характеристику G_М1 = G_М1(Pз) можно получить за счет подбора характеристики мембранного привода h₃ = h₃(Р₃).

Рис.2.6 Принципиальная схема автоматического статического пневмогидравлического регулятора температуры воды дизеля 6ЧН31/36 тепловоза ЧМЭЗ непрерывного действия 1 и 7 - редукторы зубчатые; 2 - пневматический УО -преобразователь температуры типа ДТПМ; 3 - привод клапана; 4 - клапан двухходовой; 5 - узел подачи масла; 6 - гидромуфта; 8 - вентилятор

На тепловозе ЧМЭЗ функцию ИМ выполняет проточная гидродинамическая муфта (ГДМ), в которой регулирование частоты вращения турбинного колеса достигается изменением степени наполнения рабочей полости путем регулирования потока жидкости на входе в рабочую полость.

Регулирование изменением степени наполнения приводит как бы к различным очертаниям рабочей полости с размерами, отличающимися друг от друга, и, следовательно, к различньм характеристикам ГДМ. Если при полном наполнении форма потока целиком определяется границами рабочей полости, то при частичном наполнении жидкость может принимать очертания в зависимости от действующих в потоке сил, обусловленных режимами работы. При прочих равных условиях чем меньше степень напол-нения, тем меньше момент М_т, передаваемый ГДМ при данном пе-редаточном отношении , при полностью опорожненной ГДМ момент М_т практически равен нулю, так как обусловлен только механическими и вентиляционными потерями.

2.3 Совершенствование автоматического регулятора температуры масла дизеля

Автоматический пропорциональный (статический) пневматический регулятор температуры масла (АРТМ) непрерывного действия (риc.2.7), содержит пневматический преобразователь температуры типа ДТПМ 1 и перепускной клапан 3 с приводом 2 поворотного распределителя потоков воды. Привод 2 является серийным узлом - пневмокамерой от автобуса серии ЛиАЗ/3/.

Регулятор температуры масла действует следующим образом. При низкой температуре масла на выходе из дизеля Т'_м давление воздуха Р₂ ниже 1 кг/см², шток пневмокамеры находится в крайнем верхнем положении, распределитель находится в положении, при котором отверстие на перепуск горячей воды дизеля в ВВМСО открыто полностью, идет интенсивный подогрев масла при включенном вентиляторе ВВМСО. При этом отверстие клапана на подачу воды в радиаторы ВВСО закрыто не полностью. При температуре Т'_м, соответствующей температуре воды в ВВМСО 65°С, Р₂ = 1 кг/см² , при увеличении Т'_м шток пневмокамерны начинает перемещаться, распределитель - поворачиваеться и закрывает отверстие на перепуск воды дизеля в ВВМС0 и открывает отверстие на подачу её в радиаторы ВВСО. После увеличения Т'_м на 7°С Р₂= 4 кг/см², шток пневмокамеры находится в крайнем нижнем положении, распределитель закрывает отверестие на перепуск воды дизеля в ВВМСО, отверстие на подачу воды дизеля в радиаторы ВВСО открыто полностью. Подогрев масла прекращен. В результате при изменении Т_м непрерывно изменяется давление Р₂, положение распределителя, перепуск воды дизеля в ВВМСО и Т'_м поддерживается постоянная на соответствующем уровне в диапазоне статической неравномерности регулятора температуры, равной 7°С.

Рис.2.7 Принципиальная схема автоматического статического пневматического регулятора температуры масла дизеля 6ЧН31/36 тепловоза ЧМЭЗ непрерывного действия

1 - пневматический УО - преобразователь температуры типа ДТПМ;

2 - пневматический мембранный привод клапана; 3 - клапан трехходовой перепускной

2.4 Испытания элементов регулятора температуры воды и масла дизеля

Статические и динамические характеристики АСРТ и ее элементов, полученные аналитически и экспериментально в стендовых условиях, являются необходимыми, но не достаточными данными для получения оптимальной АСРТ. Данные, полученные в условиях эксплуатации АСРТ, являются достаточными/5/.

Необходимые для расчетов АСРТ динамические характеристики объекта и вероятностные характеристики действующих на объект возмущений, как правило, приходится получать экспериментально. Обусловлено это тем, что аналитические методы расчета динамических параметров объектов обычно позволяют определить лишь их приближенные значения. Что касается вероятностных характеристик возмущений, то они по самой своей природе не могут быть получены аналитическим путем и могут быть определены лишь обработкой реализации возмущений, снятых на объекте в процессе его эксплуатации.

Порядок проведения экспериментов по оценке динамических характеристик объекта непосредственно следует из определения этих характеристик. Для нахождения переходной характеристики объекта по регулирующему каналу необходимо установить равновесный режим работы объекта и затем с помощью РО ступенчато воздействовать и зарегистрировать изменение во время регулируемой темпера туры. Для определения частотной характеристики этого канала следует подавать гармонические воздействия различных частот и, зарегистрировав в каждом случае установившиеся колебания регулируемой температуры, вычислить отношение амплитуд и фазовый сдвиг между выходным и входным сигналами и т.д. Таким образом, при определении динамических характеристик в общем случае нарушается нормальный режим работы объекта, и для того, чтобы это нарушение было достаточно малым, приходится уменьшать амплитуды испытательных воздействий, что снижает точность результатов эксперимента.

Опыт показывает, что система регулирования, полученная в результате синтеза, выполненного на основании математической модели объекта, определенной аналитически или постановкой эксперимента на еще неавтоматизированном объекте, чаще всего далека от оптимальной системы. Обусловлено это, прежде всего, неполнотой информации о динамике объекта, заложенной в полученной таким способом его модели. Кроме того, начальная информация о динамике аппаратуры реально функционирующих АСРТ является неполной, так как во всякой технической конструкции регуляторов заданный закон регулирования реализуется лишь приближенно.

Соответственно синтез АСРТ по заранее заданным динамическим характеристикам объекта в общем случае должен рассматриваться как начало построения оптимальной системы. Обычно на этом этапе синтеза удается только наметить общую структуру системы регулирования, окончательно количественные значения параметров системы выбираются уже непосредственно на действующей АСРТ в процессе ее наладки и пробной эксплуатации.

Во время наладки АСРТ можно определить экспериментальным путем характеристики не только отдельно взятого объекта, но и всей системы регулирования в целом, работающей при некоторой начальной, пусть даже грубо приближенной, настройке регулятора. Этой возможностью не следует пренебрегать, так как экспериментальная оценка математической модели системы имеет важные практические преимущества перед оценкой модели объекта. В то же время, располагая характеристиками АСРТ, можно рассчитать требуемое изменение первоначально установленных параметров настройки регулятора для того, чтобы их значения были оптимальными.

Наличие действующих регуляторов при идентификации АСРТ позволяет технически достаточно просто подсоединять к ней соответствующую аппаратуру, например, генераторы испытательных воздействий, измерительные приборы, специализированные вычислительные устройства и т.д. (рис. 2.8, б и 2.9. Кроме того, возможность проведения экспериментов без привлечения обслуживающего персонала в принципе позволяет автоматизировать процессы идентификации и оптимизации настройки системы. Преимущества идентификации действующих АСРТ по сравнению с идентификацией отдельно взятых объектов настолько существенны, что регуляторы перед началом идентификации целесообразно включать даже в тех случаях, когда в ее задачу входит оценка лишь динамических характеристик объекта. Поскольку все расчеты, связанные с синтезом систем регулирования, удобно осуществлять в частотной области, при идентификации системы чаще всего целесообразно оценивать не переходные, а частотные характеристики.

Рис.2.8 Схемы экспериментальных установок для снятия динамических характеристик СО

а -- временных; б -- частотных в замкнутой АСРТ; 1 -- СО; 2 -- датчик температуры. 3 -- регистрирующий прибор; 4 -- датчик регулирующего воздействия; 5 -- исполнительно-регулирующее устройство; 6 -- управляющий орган; 7 -- генератор колебаний

Рис.2.9 Схема стенда для исследования СО в составе АСРТ

1-- терморегулятор; 2 -- усилитель; 3 -- редуктор; 4 -- вентилятор переменной подачи; 3 -- дизель, 6 -- радиаторы; 7 -- генератор колебаний; 8 -- манометр; 9 -- самопишущий манометр; 10 и 11 -- регистрирующие приборы

Следует иметь в виду, что в отличие от большинства стационарных и некоторых судовых дизельных установок автотракторные и тепловозные дизели работают в условиях частых и значительных изменений р_i и . При этом в системе возникают переходные процессы, которые вследствие значительной инерционности объекта затухают медленно. Следовательно, АСРТ должна обеспечивать быстрое затухание процесса регулирования, так как в противном случае он будет иметь непрерывный колебательный характер. Кроме того, при наличии динамических отклонений, совпадающих по фазе с возмущением, перерегулирование может достигать недопустимо больших значений. В результате, процессы регулирования в АСРТ должны по возможности иметь монотонный или апериодический характер. Эти процессы соответствуют минимальному времени регулирования при отсутствии (или минимальном значении) перерегулирования.

Таким образом, для получения оптимальной АСРТ необходима ее доработка с использованием результатов исследования ее в условиях эксплуатации. Очевидно, что перед проведением этих исследований должны быть выполнены стендовые испытания АСРТ и ее элементов в лабораторных условиях. При этом для определения устойчивости и качества работы АСРТ снимают переходные (временные) или частотные характеристики замкнутой АСРТ ( рис. 2.8, б и 2.9). Возмущения в систему вносятся: размыканием и замыканием АСРТ (например, по линии А--А, см. рис. 20) во время работы двигателя при минимальных и номинальных р_e и и различных значениях K_p и T`<sub>вз</sub> или Т`₃ (испытания АСРТ при минимальных эксплуатационных значениях Т`<sub>вз</sub> или Т`₃ обязательны) ; быстрым изменением от минимальных до номинальных значений и обратно с задержкой времени до окончания переходного процесса; быстрым изменением нагрузки (от нуля до номинальной и обратно) при = const;

ступенчатым и синусоидальным изменением задания регулятора с помощью генератора колебаний.

Из экспериментальных методов исследования АСРТ наибольшего внимания заслуживает частотный, позволяющий определить динамические свойства не только всей системы в целом, но и составляющих ее звеньев.

В случае экспериментального исследования многоконтурных и комбинированных АСРТ возмущения вносятся в каждый контур (или канал) регулирования поочередно.

При экспериментальном исследовании АСРТ в условиях эксплуатации использование теории стационарных случайных процессов позволяет определить динамические характеристики системы и ее звеньев путем статического анализа кривых изменения во времени эксплуатационных значений входных и выходных величин без внесения специальных возмущений. Кроме того, могут быть определены затраты энергии на функционирование АСРТ, а также показатели надежности ее элементов.

Экспериментальное определение затрат энергии на охлаждение и оценка эффективности и качества работы АСРТ в условиях эксплуатации. Необходимость определения затрат энергии на охлаждение вызвана тем, что в эксплуатации характеристики вентилятора и его привода могут отличаться от принятых в расчете. На значения их параметров оказывают большое влияние скорость движения транспортной машины и наличие переходных процессов в АСРТ, которые занимают значительную долю времени работы двигателя. Переходные процессы в АСРТ, их характер также существенно влияют на затраты энергии на охлаждение. Кроме того, при расчетах принимается, что радиатор не имеет чехла. Однако в эксплуатации из-за неустойчивости, плохого качества работы АСРТ поверхность радиатора закрывается чехлами, что при отрицательных значениях Т`_вз увеличивает в

2--2,5 раза затраты энергии на привод вентилятора.

Для подсчета затрат энергии на привод вентилятора в условиях эксплуатации необходимо на стенде определить зависимости N_B(n_BT, б_вт) и n_п(n_вт/?_в). Для осевых вентиляторов, применяемых на тепловозах, первая зависимость представляет собой кубическую параболу. Зависимость n_п(n_вт/?_в) различна для разных приводов и обусловлена способом управления приводом и вентилятором. Однако имеются достаточно точные зависимости для широко применяемых приводов вентиляторов. Если установлены указанные зависимости, то при эксплуатации регистрируются значения ?_в, N_Д п_вт, а_вт, Т`<sub>вз</sub> илиT`₃ и других величин, определяющих N_в, n_п и затраты энергии на охлаждение. Если выходные сигналы датчиков этих величин электрические, то могут производиться операции умножения, деления, суммирования с помощью несложных приборов.

Экспериментальное определение затрат энергии на охлаждение в условиях эксплуатации должно производиться при включенной АСРТ, так как затраты зависят от характера и качества работы, т.е. от ее эффективности. Для оценки эффективности и качества работы АСРТ в условиях эксплуатации следует кроме указанных выше величин записывать регулируемые температуры Т_ВД , Т_м , Т_г и другие, а также значения входных и выходных сигналов тех элементов АСРТ, характеристики и параметры которых нужно знать после обработки статистического материала испытаний АСРТ.

Перед началом испытаний АСРТ при эксплуатации необходимо по кривым, полученным при предварительных испытаниях оценить среднюю скорость изменения случайного процесса, с тем чтобы приближенно определить время между соседними отсчетами (интервал дискретизации), скорость записи, время записи реализации. Таким показателем средней скорости изменения случайного проигран может служить среднее число пересечений кривой с кривой математического ожидания. Масштаб записи находится по максимальные диапазонам изменений записываемых величин, определяемых в основании анализа кривых, полученных в условиях эксплуатации, Масштаб записи выбирается таким, чтобы диапазон изменений каждой величины составлял не менее 20...30 % диапазона шкалы прибора.

Для регистрации величин в режиме нормальной эксплуатация можно рекомендовать аппаратуру, разработанную в Центральном научно-исследовательском институте комплексной автоматизации. Эта аппаратура состоит из шеститочечного регистратора и устройств для изменения в широких пределах масштабов записи, средних значений параметров, а также скорости записи и времени цикла изменений. Можно использовать также стандартный многоточечный потенциометр или мост с набором специальных приставок.

Из материалов испытаний АСРТ в условиях эксплуатации могут быть получены многие характеристики и параметры АСРТ и ее элементов: затраты энергии на охлаждение, зависимость их от режимов и условий работы двигателя и АСРТ, распределение затрат энергии во времени, доля расхода топлива двигателем на привод вентилятора, математические ожидания параметров, диапазоны изменения регулируемых температур, сигналов и параметров элементов АСРТ, надежность работы и многие вероятностные характеристики АСРТ.

Для получения полных сведений по затратам энергии на охлаждение и по оценке эффективности и качества работы АСРТ в эксплуатации нужно испытывать систему при всех возможных режимах работы двигателя и при максимальных, средних и минимальных значениях Т`<sub>вз</sub> или Т`_з.

3. Безопасность жизнедеятельности

3.1 Очистка воздуха от вредных газов и паров

3.1.1 Значение очистки воздуха от вредных газов и паров

Многие технологические процессы на предприятиях, в ряде цехов машиностроительных заводов, на многих других производствах сопровождаются поступлением вредных газов и паров в атмосферный воздух.

Рассматриваются методы, применяемые на практике, а также методы перспективные. Более подробные сведения могут быть почерпнуты из специальной литературы, которая приведена в списке источников.

3.1.2 Очистка от диоксида серы и сероводорода

Диоксиду серы принадлежит первое место среди загрязнителей атмосферы. Источники загрязнения -- дымовые газы, а также выбросы в атмосферу предприятий металлургической промышленности и других отраслей.

Мероприятия по уменьшению загрязнения атмосферного воздуха диоксидом серы могут проводиться в трех направлениях: рассеивание газов, содержащих SO₂, с помощью высотных труб; обессеривание топлива (угля, нефти); очистка газов от диоксида серы. Рассеивание газов не является радикальным решением проблемы. При рассеивании происходит распространение SO₂ над большей территорией при снижении его концентрации.

Обессеривание топлива обходится дорого, установки громоздки. Возможно, в будущем этот метод получит достаточно широкое применение. Сейчас он находится в стадии экспериментов. Реальной является очистка выбросов, содержащих SO₂. Для очистки газов от диоксида серы SO₂ применяются методы абсорбционные, адсорбционные и каталитические.

Наиболее распространены абсорбционные методы. Поглотителями служат вода, сульфит натрия, гидрат окиси аммония, сульфит аммония и др. Использованный сорбент подвергается регенерации и может быть возвращен в процесс.

Абсорбция диоксида серы водой является простейшим способом очистки газов от диоксида серы. Он основан на большой растворимости диоксида серы в воде. Растворимость увеличивается, если вода имеет карбонатную жесткость. При взаимодействии диоксида серы с водой происходит реакция

S0₂ + Н₂0 = H₂SO₃

Рис. 3.1 Схемы установки абсорбции диоксида серы морской водой: 1 -- электрофильтр; 2, 3 -- абсорберы; 4 -- подогреватель; 5 -- реактор

При применении этого метода не предполагается утилизация уловленного диоксида серы. Перед спуском в водоем отработанная вода подлежит нейтрализации, поскольку обладает высокой кислотностью.

Диоксид серы малорастворим в воде. Поэтому для данного способа очистки требуется большой расход воды и абсорберы большого объема. Раствор нагревают до 100єС. Абсорбция диоксида серы водой связана с большими энергозатратами. В Норвегии в качестве абсорбента используют морскую воду, имеющую слабощелочную реакцию. Благодаря этому растворимость в ней диоксида серы повышается. Схема установки показана на рис. 3.1.

Известковый способ. Газ предварительно очищается от взвешенных частиц. В скруббере газ, содержащий диоксид серы, промывается известковым молоком (гидрат оксида кальция) (рис. 3.2.).

Реакция проходит по уравнению SO₂ + Са(ОН)₂ = CaSO₃ + Н₂О При применении этого способа достигается высокая эффективность очистки. Недостаток -- большой расход извести. На орошение скруббера необходимо подавать большое количество жидкости, чтобы насадка скруббера не засорялась образовавшимися CaSO₃ и гипсом (CaSO₄·2Н₂О). Поэтому применяют многократную циркуляцию пульпы. На 1000 м очищаемого газа при концентрации диоксида серы 0,5 % расход жидкости составляет 20 м³, свежего известкового молока 0,15 м³, количество пульпы, поступающей в отвал, 0,15 м³

Рис. 3.2. Схема известкового метода очистки газов от SO₂

1 -- скруббер: 2 -- насадка; 3 -- брызгало; 4 -- кристаллизатор; 5 --насос; 6 -- приемный бак

Аммиачный способ. Газ, содержащий SO₂, очищают от пыли и охлаждают до температуры 35--40'С, затем промывают раствором, содержащим (NH₄)₂SO₃ . При этом происходит реакция (NH₄)₂SO₃ +SО₂+Н₂0 2NH₄H₂SO₄, в результате которой газ очищается от SO₂.

При нагревании до кипения раствора бисульфита аммония, полученного в результате взаимодействия, описанного выше, реакция пойдет в обратном направлении с выделением диоксида серы и получением раствора сульфита аммония (рис. 3.3.). Получают диоксид серы высокой концентрации, служащий сырьем для производства элементарной серы и серной кислоты.

Раствор сульфита аммония охлаждают и снова используют для извлечения диоксида серы из газа. Таким образом совершается круговой цикл: абсорбент поглощает SO₂, а затем после отгонки этого компонента и охлаждения используется повторно. Такой метод называют циклическим.

При применении циклического метода все же происходят некоторые потери поглотителя. Взамен в цикл вводят аммиак для получения свежего (NH₄)₂SO₃ с целью возмещения потерь.

Обычно производится санитарная очистка газов от сероводорода при небольших его концентрациях в очищаемом газе.

Очищаемый газ промывают содовым раствором, происходит реакция

H₂S + Na₂CO₃ = NaHS + NaHCO₃

Используют раствор соды концентрацией 25--30 г/л. Полученный раствор может быть регенерирован путем продувания через него при кипячении СО₂.

Рис.3.3 Схема обогащения S0₂ аммиачно-циклическим методом

1 -- абсорберы; 2 -- холодильники; 3 -- насосы; 4 -- сборники; 5 -- теплообменник; 6 -- конденсационная колонна; 7 -- отгонная колонна; 8 -- кипятильник отгонной колонны; А -- подача свежего поглотителя; Б -- вывод поглотителя из цикла

3.2 Противопожарная защита подвижного состава

Долгое время мероприятия в области противопожарной защиты подвижного состава касались только поездов, движущихся в тоннелях, в частности поездов метрополитена. Сейчас ситуация резко изменилась, стали больше уделять внимание противопожарной безопасности на железнодорожном транспорте. Появилось ряд нормативных документов, некоторые из них: ''Общие технические требования к противопожарной защите тягового подвижного состава'' МПС России 29.12.1995г. №ЦТ-6; ''Нормы оснащения объектов и подвижного состава федерального железнодорожного транспорта первичными средствами пожаротушения'' МПС Росси 31.11.1993г. №822У; ''Правила пожарной безопасности на железнодорожном транспорте'' МПС России 11.11.1992г. №Г-616У.

В этом разделе я хочу рассмотреть зарубежный опыт обеспечения противопожарной безопасности на железнодорожном транспорте.

После пожара в ночном поезде Париж -- Мюнхен, который произошел в ночь с 5 на 6 ноября 2002 г. Исследование проблемы пожаров показало, что в поездах на открытых линиях они бывают более сильными, чем в тоннелях, и происходят чаще. Как правило, небольшое возгорание может привести к масштабному пожару лишь при стечении особо неблагоприятных условий или в случае крупных упущений в противопожарной защите. Не следует так же забывать, что сам подвижной состав несет в себе известный потенциал пожароопасности для зоны, граничащей с железной дорогой.

Работы по совершенствованию противопожарной защиты подвижного состава ведутся уже много лет на разных уровнях. Вступление с силу стандарта DIN 5510, который содержит обновленную спецификацию материалов, применяемых в конструкциях подвижного состава, способствовало форсированию нескольких новых разработок. Ниже приведены технические решения системы пожаротушения, применяемой на дизельпоездах.

Устройства для обнаружения пожара

Для выявления мест возгорания предлагаются допущенные к эксплуатации и опробованные системы обнаружения дыма, а также датчики, реагирующие на превышение заданного порога температуры. Среди систем обнаружения дыма следует различать так называемые всасывающие, которые отбирают из контролируемого помещения пробы воздуха и по трубопроводу подают их в диагностическую камеру, и точечные сигнализаторы дыма.

Вещества, используемые для пожаротушения

В машинных отделениях тепловозов широко используются различные системы пожаротушения. Если раньше применялись средства, построенные на базе использования галогеносодержащих веществ или углекислого газа, то сейчас при заключении контрактов на поставку систем пожаротушения в обязательном порядке вносится дополнительное требование о недопущении опасных воздействий на людей со стороны веществ, используемых для ликвидации пожара, и самого процесса тушения. Такие вещества, как СЕА 410 и FE 13, еще используют для тушения пожаров в странах Южной Европы. Однако в Центральной Европе и Скандинавии они уже запрещены из-за токсичности.

Распыление воды под высоким давлением

Принцип действия распылительных устройств основан на образовании водного аэрозоля при подаче воды под большим давлением (до 200 бар) в специальные насадки с калиброванными выходными отверстиями (рис. 3.4). При этом давление используется не только для образования мельчайшей водяной пыли, но и для придания ускорения частицам воды. Насадки могут быть разными в зависимости от местных условий применения и различаются расходом воды и размером частиц. Проектируют такие установки с учетом требований экологии и охраны труда.