Тепловоза чмэ-3

ЭЛЕКТРОННЫЙ РЕГУЛЯТОР ДИЗЕЛЯ

ажным элементом системы управления теплово­зом является регулятор частоты вращения ко­ленчатого вала дизеля. Его устройство в значи­тельной мере определяется степенью форсировки двигателя. На высокофорсированных дизелях при­меняются чрезвычайно сложные гидромеханичес­кие регуляторы, требующие квалифицированного обслуживания.

Все проблемы, связанные с регулированием ра­боты дизеля любой степени форсировки, могут быть сняты при использовании электронных регу­ляторов вместо традиционных гидромеханических. Электронный регулятор содержит датчики (частоты вращения коленчатого вала дизеля, положения рей­ки топливного насоса высокого давления, давления наддувочного воздуха и др.), блок управления и ис­полнительное устройство, предназначенное для пе­ремещения реек топливных насосов. Основа блока управления — микропроцессор с набором необхо­димых для его функционирования устройств, выпол­ненных в виде микросхем.

Микропроцессор регулирует работу дизеля в соответствии с программой, заложенной в его по­стоянное запоминающее устройство. Электронные регуляторы, установленные на разных дизелях, от­личаются друг от друга только реализуемыми ими программами. Поэтому может быть создан элект­ронный регулятор, унифицированный для всех теп­ловозных дизелей и содержащий одинаковые дат­чики (но на разных дизелях их число и номенкла­тура будут разные), блок управления и исполни­тельное устройство.

Такой унифицированный электронный регулятор частоты вращения и мощности дизеля разработан при участии специалистов ВНИИЖТа в проектно-производственном предприятии «Дизельавтомати-ка» (г. Саратов) и там же освоено его производ­ство. Помимо управления дизелем, это устройство регулирует напряжение тягового генератора и за­щищает тяговые электрические машины при боксо-вании колесных пар.

Для испытаний аппарата в эксплуатационных условиях он был установлен в январе 2000 г. на тепловозе ЧМЭЗ-2199 приписки депо Аткарск Приволжской дороги. Замена регулятора чеш­ского производства новым унифицированным по-

зволяет сэкономить валютные средства МПС и загрузить отечественную промышленность. Кро­ме того, создание и опытная эксплуатация ука­занного регулятора дадут возможность накопить опыт, способствующий решению многих, актуаль­ных сегодня, технических вопросов, связанных с использованием на тепловозах микропроцессор­ной техники.

Электронный регулятор модификации ЭРЧМ30Т2, предназначенной для тепловозов ЧМЭЗ, содержит: электронный блок управления; исполнительное электрогидравлическое устройство со встроенным датчиком положения рейки топливного насоса вы­сокого давления; датчик частоты вращения коленча­того вала дизеля; датчик давления масла.

Блок управления (БУ) предназначен для регули­рования частоты вращения коленчатого вала и мощности дизель-генератора в соответствии с имеющейся у него программой и положением ор­ганов управления тепловозом и сигналами датчи­ков, контролирующих состояние дизеля. Он пред­ставляет собой микропроцессорное программиру­емое устройство управления, унифицированное для всех отечественных тепловозов. На локомоти­ве БУ размещается в правой нише передней стен­ки кабины машиниста.

Исполнительное устройство (ИУ) служит для пе­ремещения реек топливных насосов высокого дав­ления в соответствии с сигналом, формируемым БУ. Исполнительное устройство устанавливается на место снимаемого с тепловоза штатного гид­ромеханического регулятора дизеля. Его выходной вал с помощью тяги и рычага соединяется с ва­лом управления рейками топливных насосов высо­кого давления.

Датчик частоты вращения коленчатого вала ди­зеля вырабатывает импульсный сигнал, частота следования импульсов которого пропорциональна упомянутой частоте вращения. Он монтируется на защитном кожухе шестерни привода распредели­тельного вала.

Датчик давления масла обеспечивает защиту ди­зеля при снижении давления масла в его системе. Необходимость его применения объясняется тем, что на тепловозе ЧМЭЗ со штатным регулятором дизеля данная защита осуществляется непосред­ственно самим регулятором и при его демонтаже дизель ее лишается. Датчик давления масла уста­навливается на масляном фильтре штатного регуля­тора дизеля.

Электронный регулятор обеспечивает:

Ø поддержание постоянной частоты вращения ко­ленчатого вала на каждой позиции контроллера ма­шиниста, независимо от режима работы дизеля. Значения частот вращения в зависимости от пози­ции контроллера приведены в табл. 1;

Ø раздельное регулирование времени увеличе­ния и уменьшения частоты вращения коленчатого вала при изменении позиции контроллера в преде­лах 2 — 30 с;

Ø включение подачи топлива при пуске только тогда, когда частота вращения коленчатого вала ди­зеля достигнет 34 ± 8 об/мин;

Ø снижение частоты вращения коленчатого вала и мощности дизеля, а также плавное восстановле­ние их значений соответственно при возникновении и прекращении боксования колесных пар;

Ø перемещение реек топливных насосов в поло­жение нулевой подачи при:

o отключении питания БУ, обрыве цепи датчика частоты вращения коленчатого вала дизеля или цепи управления ИУ;

o снижении давления в масляной системе дизе­ля менее 0,1 МПа (1 кгс/см²);

o увеличении частоты вращения коленчатого вала дизеля до 800 ± 2 об/мин.

Функциональная схема электронного регулятора представлена на рис. 1. Основной элемент регуля­тора — БУ — получает питание от части аккумуля­торной батареи БА через автоматический выключа­тель А1. Номинальная величина напряжения питания БУ равна 34 В. БУ сохраняет работоспособность, если напряжение питания изменяется в пределах 18 — 36 В. При пуске дизеля допускается снижение на­пряжения до 10,2 В в течение не более 6 с.

К БУ подключены ИУ и датчики: давления мас­ла (ДДМ), частоты вращения коленчатого вала ди­зеля (ДЧ) и положения реек топливных насосов высокого давления (ДПР). Последний расположен в корпусе ИУ.

Помимо перечисленных устройств, БУ соединен с резистором RPM, находящимся в цепи обмотки D возбуждения возбудителя.

Как известно, регулятор частоты вращения колен­чатого вала дизеля серийных тепловозов ЧМЭЗ снабжен устройством регулирования мощности, обеспечивающим поддержание мощности дизеля постоянной на данной позиции контроллера и пре­дотвращающим перегрузку дизеля. Это достигается

путем изменения тока, протекающего по обмотке D возбуждения возбудителя при изменении сопротив­ления резистора RPM, с помощью контактов регули­рующего устройства регулятора дизеля (если кон­такты переключателя ВВО разомкнуты).

У электронного регулятора принцип регулирования мощности дизеля оставлен прежним. Имеются кон­структивные отличия, заключающиеся в следующем:

¨ так как резистор устройства регулирования мощности снимается с дизеля вместе со штатным регулятором, то при монтаже электронного регуля­тора в качестве резистора RPM используется рези­стор типа ПЭВ-100-160 Ом, устанавливаемый на па­нели регулятора;

¨ мощность дизеля регулируется с помощью транзистора, подключенного параллельно резистору RPM и работающему в импульсном режиме. Это обеспечивает плавное изменение сопротивления участка цепи обмотки D возбуждения возбудителя, содержащего параллельно соединенные силовой транзистор БУ и резистор RPM от 160 Ом (силовой транзистор электронного регулятора закрыт) до нуля (транзистор постоянно открыт).

Для управления режимом работы дизель-генера­тора к БУ подводятся сигналы от электрической схемы тепловоза. На рис. 1 эти сигналы условно обозначены «стоп — работа», «холостой ход — на­грузка», «боксование» и «РУ1» — «РУЗ».

Перечисленные выше сигналы управления необ­ходимы для:

1) «стоп — работа» — пуска, а также обеспечения работы или остановки дизеля;

2) «холостой ход — нагрузка» — выбора режи­ма работы дизеля. На холостом ходу дизеля по каждой позиции контроллера поддерживается по­стоянная частота вращения коленчатого вала. В режиме нагрузки на данной позиции контролле­ра поддерживаются постоянными частота враще­ния вала и мощность дизеля в соответствии с имеющейся у БУ программой. Для обеспечения этого дополнительно используются сигналы дат­чиков ДЧ и ДПР;

3) «боксование» — уменьшения частоты вращения вала и мощности дизеля для прекращения боксова­ния колесных пар;

4) «РУ1» — «РУЗ» — формирования заданий по частоте вращения коленчатого вала и мощности ди­зеля для каждой позиции.

Схема подключения БУ электронного регулятора к электрической схеме тепловоза ЧМЭЗ-2199 представ­лена на рис. 2. Сигналы «стоп — работа» снимаются с провода 2602 (рис. 2, а) через контакты ДДМ. Для пуска дизеля необходимо включить выключатель ВОД и нажать на кнопку КНПД1 (см. схему тепловоза).

Когда давление в масляной системе дизеля дос­тигнет 0, 1 МПа (вследствие работы маслопрокачи-вающего насоса), замкнутся контакты ДДМ и к кон­такту ХЗ-18 БУ будет подано напряжение по цепи: провод 2602, контакт Х2-9, перемычка внутри БУ,, контакт ХЗ-19, провод 3, контакты ДДМ, провод 2. Это напряжение будет интерпретировано програм­мой БУ как появление сигнала «работа», при нали­чии которого возможны пуск и работа дизеля. От­сутствие напряжения в проводе 2602 или размыка­ние контактов ДДМ соответствует сигналу «стоп», при появлении которого дизель будет остановлен.

Сигналы «холостой ход — нагрузка» подаются к контакту 4 разъема Х2 через провод 8, подклю­ченный к катушке контактора KB вместе с про­водом 232 (см. рис. 2,б). Если к указанной ка­тушке подано напряжение, оно через контакт 4 подается в БУ, где программой интерпретирует­ся как появление сигнала «работа». Отсутствие напряжения на катушке KB является сигналом «холостой ход».

Сигнал «боксование» подводится в БУ (рис. 2, в) через контакт 21 разъема Х1 и провод 1, подклю­ченный к контакту РУ53 реле управления РУ5 вме­сто провода 75 (см. схему тепловоза). При отсут­ствии боксования реле РУ5 включено, контакты РУ53 замкнуты и к контакту 21 разъема Х1 подает­ся напряжение. С возникновением боксования реле РУ5 отключается, его контакты РУ53 размыкаются и с указанного контакта снимается напряжение. В данном случае именно это и воспринимается БУ как появление сигнала «боксование».

Позиция контроллера машиниста определяется программой БУ по комбинации напряжений, подво­димых к контактам 1, 2 и 3 разъема Х2 по прово­дам 9, 10 и 11, подключенным к замыкающим кон­тактам реле управления РУ1, РУ2 и РУЗ (см. рис. 2, в). Соответствие позиций контроллера машини­ста и комбинаций включения этих реле оставлено без изменения.

Цепи подключения ДПР, ДЧ и ИУ к БУ просты и поэтому не приводятся.

Схема подключения регулирующего элемента БУ к резистору RPM представлена на рис. 3. Соедине-

ние осуществлено через контакты 9 и 4 разъема Х1 и провода 6 и 7, соединенные с контактами ВВО1 переключателя ВВО, на которых установлены прово­да 62 и 64.

Регулятор работает следующим образом.

При пуске дизеля после нажатия на кнопку «Запуск дизеля» (КНПД1) появляется напряже­ние в проводе 2602. Как только в процессе про­качки масла давление его достигнет 0, 1 МПа, замкнутся контакты ДДМ и БУ получит сигнал «работа». В соответствии с программой начина­ется периодический опрос ДЧ. Необходимо от­метить, что выполнение предпусковой прокачки масла через масляную систему дизеля и вклю­чение пусковых контакторов на тепловозе ЧМЭЗ-2199 происходит так же, как и на серий­ных тепловозах ЧМЭЗ. Как только тяговый гене­ратор начнет вращать коленчатый вал дизеля и частота вращения достигнет 34 + 8 об/мин, БУ сформирует команду, при получении которой ИУ быстро выдвигает рейки топливных насосов вы­сокого давления в заранее заданное для режи­ма пуска положение.

Пока частота вращения коленчатого вала не достигнет 200 об/мин, положение реек не изменя­ется, а затем (после того, как частота вращения превысит указанное значение) БУ переходит на режим поддержания частоты вращения коленча­того вала постоянной и соответствующей пози­ции контроллера путем подачи команд управле­ния на ИУ и использования сигнала обратной связи, получаемого от ДЧ.

При работе тепловоза в режиме тяги в момент установки главной рукоятки контроллера на 1-ю позицию подается напряжение на катушку контак­тора KB, и в БУ поступит сигнал «работа». Он пе­реводит БУ в режим поддержания частоты враще­ния коленчатого вала и положения реек топливных насосов высокого давления постоянными на каж­дой позиции контроллера.

Если возникает боксование колесных пар, то от­ключается реле РУ5, контакты РУ53 которого снима­ют напряжение с провода 1 (см. рис. 2, в). БУ вос­принимает это как появление сигнала «боксование» и начинает уменьшать частоту вращения коленчато­го вала. Соответственно падает напряжение на за­жимах тягового генератора, что способствует пре­кращению боксования, после чего частота вращения плавно восстанавливается.

Необходимо отметить, что при размыкании контактов РУ53 (см. рис. 2, в) снимаются напря­жения и с проводов 9, 10, 11 (если были вклю­чены все реле управления РУ1 — РУЗ или неко­торые из них). Но это происходит также и при установке главной рукоятки контроллера на ну­левую позицию. Однако характер изменения ча­стоты вращения коленчатого вала дизеля, в част­ности, темп ее уменьшения, в указанных ситуаци­ях будет разный.

После монтажа на тепловозе всех узлов регуля­тора на пункте реостатных испытаний депо Аткарск проверили его работу. Значения частот вращения коленчатого вала по позициям контроллера на хо­лостом ходу дизеля и под нагрузкой представлены в табл. 2.

Данные этой таблицы свидетельствуют о том, что на всех позициях контроллера нестабильность час­тоты вращения (ψn), обеспечиваемая регулятором, меньше заданной ТУ на 0,6 %. Следует отметить, что для штатных регуляторов дизеля тепловоза ЧМЭЗ эта величина равна 2 — 3 %.

При проверке работы регулятора в переходных режимах было зафиксировано следующее.

1) Заброс частоты вращения коленчатого вала дизеля после «мгновенного» сброса 100%-ной на­грузки на 8-й позиции контроллера равен 21 об/мин, что по отношению к частоте вращения в момент сброса (750 об/мин) составляет 2,8%. Это значи­тельно меньше значения, задаваемого ТУ (5 %). Время переходного процесса зафиксировано рав­ным 3,1 с (по ТУ — 5 с).

2) Заброс частоты вращения коленчатого вала дизеля при «мгновенном» перемещении главной рукоятки контроллера с 1-й на 8-ю позицию за­фиксирован равным 11 об/мин, что составляет 1, 5 % от последующего установившегося значения (750 об/мин). По ТУ этот показатель не должен превы­шать 2, 5 %. Время переходного процесса равно 0,9 с (по ТУ не более 1 с).

3) Провал частоты вращения коленчатого вала дизеля при «мгновенном» перемещении главной рукоятки контроллера с 8-й на 1-ю позицию за­фиксирован равным 6 об/мин, что составляет 1,7% от последующего установившегося значения (350 об/мин). По ТУ этот показатель не должен превы­шать 2%. Время переходного процесса равно 0,8 с (по ТУ не более 1 с).

Значения мощности на зажимах тягового гене­ратора по позициям контроллера при сопротивле­нии реостата 0,18 Ом приведены в табл. 3.

Реализуемые значения мощности тягового генера­тора несколько снижены по сравнению со значения­ми, задаваемыми ТУ на тепловоз ЧМЭЗ. Это объяс­няется состоянием дизеля, в частности его турбоком­прессора, а также атмосферными условиями в день проведения реостатных испытаний (давление возду­ха 740 мм рт. ст. при температуре +25 °С).

Внешние характеристики тягового генератора по позициям контроллера соответствуют требова­ниям инструкции для реостатных испытаний теп­ловозов ЧМЭЗ.

В декабре 2000 г. в депо Москва III электронные регуляторы были установлены на трех тепловозах ЧМЭЗ. В настоящее время все они используются на маневровой работе на станциях депо приписки.

Кандидаты технических наук

В. А. АЗАРЕНКО, И. П. АНИКИЕВ,

инж. А. Н. КИРЬЯНОВ,

д-р техн. наук Е. Е. КОССОВ,

инженеры

С. В. ЛОБАНОВ, В. В. МАЗУНИН, В. В. ФУРМАН,

вниижт