Регулятор частоты вращения двигателя СМД-60

Белорусский национальный технический университет

 

 

Кафедра «Двигатели внутреннего сгорания»

 

 

группа 301318

 

 

 

 

 

 «Регулятор частоты вращения двигателя СМД-60»

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Автоматическое регулирование и управление ДВС»

 

 

 

 

 

Выполнил:       Емельянов С.С.

 

Проверил:       Ивандиков М.П.

 

 

 

 

Минск 2012 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ 3

1. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕГУЛЯТОРА ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ 4

2. ПРОВЕРКА ОСНОВНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ  ПОКАЗАТЕЛЕЙ РЕГУЛЯТОРА 11

3. ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ РЕГУЛЯТОРНОЙ  ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ 13

ВЫВОДЫ 15

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 16

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Автоматика - отрасль науки и  техники, охватывающая теорию и принципы построения средств и систем управления и контроля различных объектов без  непосредственного участия человека.

Автоматическое управление - это  осуществление всех процессов управления машинами, механизмами и технологическими процессами без непосредственного  участия человека. Такое управление осуществляется системой автоматического  управления (САУ), которая представляет собой совокупность одного или нескольких объектов управления и автоматического  управляющего устройства (автоматического  регулятора).

Автоматическое регулирование - это  обеспечение заданных значений одной  или нескольких регулируемых величин  с помощью автоматического регулятора. Система, обеспечивающая автоматическое регулирование, называется системой автоматического  регулирования (САР).

Задачами курсовой работы «Автоматическое  регулирование и управление ДВС» являются:

1) изучение устройства и работы  отдельных звеньев и систем  автоматического регулирования  любой физической природы и  конструкции;

2) построение и анализ статических  и динамических характеристик  САР с использованием уравнений  установившихся и переходных  процессов или экспериментальных  характеристик звеньев САР;

3) исследование устойчивости, а  также определение ошибок и  показателей точности замкнутых  САР;

4) изучение и использование методов  анализа и синтеза для создания  новых и совершенствования существующих  САР;

5) изучение, разработка и использование  различных видов корректирующих  устройств, вводимых в САР для  повышения их точности и улучшения  динамических качеств.

 

1. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕГУЛЯТОРА ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

 

N_ен - номинальная мощность двигателя, кВт;

n_рн - частота вращения вала топливного насоса, об/мин;

t - тактность двигателя;

i_ц·V_h - литраж двигателя, л;

h_p - ход рейки ТНВД, соответствующий номинальной подаче топлива, м;

δ - степень неравномерности работы регулятора;

f’_н1 - сила трения одной секции ТНВД, Н;

і_ц - число цилиндров двигателя;

m·D² - момент инерции вращающихся и приведенных к коленчатому валу возвратно-поступательно движущихся частей КШМ, кг-м;

ε_Р - степень нечувствительности регулятора;

r₀ - начальный радиус расположения грузов чувствительного элемента, м;

γ - угол наклона поверхности диска регулятора, град;

Σm_i·S_i² - момент инерции вращающихся частей регулятора и возвратно - поступательно движущихся частей, приведенных к муфте, кг·м²;

l₁ - полная длина рычага регулятора, мм;

1₂ - расстояние до точки опоры муфты регулятора, мм;

[t] - допускаемое напряжение на кручение, МПа;

G - модуль сдвига материала пружины, МПа;

q - индекс пружины;

k_п - коэффициент, учитывающий кривизну витков пружины.

 

Рисунок 1 - Конструктивная схема механического центробежного 
регулятора частоты вращения.

 

 

1.1 Предварительный выбор основных параметров регулятора

 

Определение номинальной работоспособности  регулятора

В общем  случае, для регулятора прямого действия:

 

,

 

где E_ср - среднее значение восстанавливающей силы на муфте регулятора, соответствующее среднему положению муфты; z_н- номинальный ход муфты регулятора, обеспечивающий перевод с номинального режима двигателя до холостого хода.

Величина работоспособности регулятора характеризует его возможность  быстро преодолевать те сопротивления, которые возникают от сил трения при перемещении муфты, рейки  и других подвижных элементов.

Если  известно сопротивление одной секции насоса f’_н1, то полное сопротивление:

 

 Н,

 

где i_ц - количество секций топливного насоса.

Сопротивление f’_н приводят к оси муфты регулятора:

 

 Н,

 

где k - передаточное отношение:

 

 

 

Известно, что 

 

 

 

где ε_р - степень нечувствительности, .

 

 

 

Ход муфты  оцениваем по ходу рейки:

 

 

 

Работоспособность регулятора:

 

 

 

Желательно, чтобы вычисленное по формулам значение укладывалось в рекомендованный  ЦНИДИ унифицированный ряд:

R_H = 0,3;0,6;1,2;2,5;5,0;10 Н·м

Принимаем R_H =1,2Н·м.

Тогда значение средней восстанавливающей  силы будет равно:

 

 

 

Определение необходимой массы  грузов

В соответствии с выполненным выше расчетом, на диаграмме E-z мы знаем только среднюю точку E_ср соответствующую среднему положению муфты регулятора.

Наклон линии, отражающей зависимость Е от z, к оси абсцисс не может быть произвольным. Этот наклон определяется данной в задании на расчет величиной степени неравномерности регулятора δ.

Равновесное состояние муфты регулятора в  ее среднем положении будет иметь  место только при условии равенства:

 

 

 

Отсюда  необходимое среднее значение инерционного коэффициента:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С другой стороны

 

 

 

при γ=20°  

 

Откуда т = 0,686 кг.

На  основании имеющихся формул может  быть построен полный график зависимости  инерционного коэффициента А от хода муфты Z.

 

 

Рисунок 2 - График зависимости инерционного коэффициента А  
от хода муфты z.

 

Для завершения построения диаграммы  E-z определим значение максимальной и минимальной восстанавливающей силы. Исходя из условия равновесия, имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 - График зависимости восстанавливающей силы Е 
от хода муфты z.

 

Расчет пружины регулятора

Максимальное  расчетное усилие в пружине, если пружина расположена на оси движения муфты:

 

 Н.

 

где 1,1 - коэффициент, учитывающий возможное увеличение силы пружины при подрегулировке частоты вращения; второе слагаемое отражает увеличение силы пружины при перемещении муфты до полного выключения подачи топлива.

При проектном  расчете пружины диаметр проволоки  d вычисляется по формуле:

 

 

где - индекс пружины;

k_п - коэффициент, учитывающий кривизну витков;

[t] - допускаемое напряжение на кручение для проволоки пружины.

Принимаем d = 4,5 мм.

Средний диаметр пружины определяется по формуле 

 

.

 

Жесткость проектируемой пружины:

 

 

 

Рабочее число витков пружины:

 

l

 

Максимальная  деформация пружины:

 

l

 

G= 8 · 10⁴МПа - модуль сдвига материала пружины.

Полное  число витков пружины:

 

 

 

Расчет пружины катаракта

Жесткость пружины катаракта, приведенная  к оси муфты, находится из уравнения:

 

 

 

Жесткость, приведенная к оси катаракта:

 

 

Усадка  пружины катаракта:

 

 

 

Сила, действующая на пружину:

 

 

 

Площадь катаракта определяется по уравнению:

 

 

 

где Δp_kmm = 0,05...0,075МПа (принимаем Δp_kmm = 0,05).

 

2. ПРОВЕРКА ОСНОВНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ  
   ПОКАЗАТЕЛЕЙ РЕГУЛЯТОРА

 

Динамические показатели рассчитанного  регулятора должны быть проверены с  помощью критериев Вышнеградского.

Время разгона двигателя:

 

 

 

где mD₀²- момент инерции вращающихся частей двигателя.

Квадрат времени регулятора:

 

 

 

где m_i - масса элементов механизма регулятора, передачи к регулирующим органам и самих регулирующих органов;

S_i - перемещения этих элементов, соответствующие номинальному ходу муфты.

Время вязкого трения регулятора:

 

 

 

где

 

 

 

где V_л - рабочий объём двигателя, л.

Критерии  Вышнеградского:

 

 

 

 

 

Условия устойчивости регулирования будут  соблюдены, если:

 

Y≥2,6 и 2/Y ≤ X ≤ Y²;

Y = 5,743 ≥ 2,6 ; 0,316 ≤ 6,01 ≤ 6,34²

 

Условия устойчивости регулирования выполняются.

 

3.  ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ РЕГУЛЯТОРНОЙ  
   ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ

 

После подбора основных параметров и расчета пружины необходимо произвести проверочный расчет регуляторной характеристики двигателя. Сначала рассмотрим случай, когда двигатель спроектирован, но не изготовлен и отсутствуют его опытные внешние характеристики. Для пяти положений муфты (через 1/4 нормального ее хода) вычисляем поддерживающую и восстанавливающую силу.

Затем из равенства Е = Аω_р² определяем пять значений частоты вращения регулятора п_р, а затем и частоты вращения двигателя.

Далее определяем значения среднего крутящего момента двигателя, соответствующие указанным положениям муфты. Для проектируемого двигателя в этом случае пользуемся данными расчета системы топливоподачи и полагаем, что у двигателей с насосами плунжерного типа зависимость среднего крутящего момента от перемещения рейки близка к прямолинейной. Связь между перемещением муфты, рейки и значением относительного (в % от номинального) крутящего момента двигателя находим в графической форме.

По полученным данным строим график зависимости между нагрузкой  двигателя (М_дв/М_н, %) и частотой его вращения п_дв, которая и является регуляторной характеристикой.

Оформлять проверочный расчет удобно в табличной  форме (см. табл1.).

 

Таблица 1 - Результаты проверочного расчета

 

z, м	hp, м	Мдв/Мн, %	Е, Н	А	ωр, с-1	nдв, об/мин
0,0000	0,0000	100	372	0,034	104,7	2000
0,00063	0,00525	75	416,5	0,037	107,2	2047
0,00126	0,0105	50	461,1	0,039	109,2	2085
0,00189	0,01575	25	505,8	0,042	110,9	2118
0,00252	0,0210	0	550,4	0,044	112,3	2145

 

 

 

 

Рисунок 4 - График зависимости нагрузки двигателя от частоты 
вращения двигателя

 

Анализируя  график зависимости изменения крутящего  момента от частоты вращения двигателя, можно сказать, что полученная регуляторная характеристика удовлетворяет условиям степени неравномерности регулятора δ=7%, т.к. график не выходит за заданные рамки неравномерности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫВОДЫ

 

В результате выполнения курсовой работы произведен статический расчет регулятора частоты  вращения двигателя СМД-60, определены работоспособность регулятора и значения восстанавливающей силы, рассчитана необходимая масса грузов, проведен расчет пружин регулятора и катаракта.

Проведен  проверочный расчет динамических показателей  регулятора по критерию Вышнеградского. Регулятор удовлетворяет условия устойчивости регулирования.

Построена расчетная регуляторная характеристика. Анализируя график зависимости изменения  крутящего момента от частоты  вращения двигателя, можно сказать, что полученная регуляторная характеристика удовлетворяет условиям степени  неравномерности регулятора δ=7%.

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

Автоматическое регулирование  и управление двигателем внутреннего  сгорания: методическое пособие к  лабораторным работам для студентов  специальности 1-37 01 01 «Двигатели внутреннего  сгорания» / Г.А. Вершина, М.П. Ивандиков, Е.С. Тамкович. – Мн.:БНТУ, 2008. – 84 с.