Создание системы многопоточных фна для пропорционального дозирования как целостного нового класса машин

В выявленных на основании данной классификации схемах блоков СДА индексом Пр обозначен привод. Если привод состоит из мотора М и вариатора В, то эти элементы представлены порознь. Индексом СС указана цепь связи, синхронизирующей работы насосных секций с различными способами регулирования, управления и соединения с приводом.

При пропорциональном дозировании большого числа компонентов агрегат можно строить на базе какого-либо одного блока (что, как правило, проще) или составлять из нескольких различных блоков.

Из проведенного анализа следует, что принципиально возможно комбинировать в единую многокомпонентную установку пропорционального дозирования р-компонентов как блоки однопараметрического типа с двухканальным управлением, так и блоки двухпараметрического типа!

На рис. 4.31 показан СДА (3(А-1) + 2(А-2) / А-2; на рис. 4.32 – 2(Б-2 / А-2); на рис. 4.33 – 2(А-1) / А-2 (на базе а.с. 561809); на рис. 4.34. – (2(А-1) – Н₂) /А, где Н₂ – нерегулируемая по РО насосная секция (з-ка 1700892/24-6); на рис. 4.35 – Р(А-1) / А-1 (конструкция ВНИИГидромаш); рис. 4.36 – Р(Б-1) / А-1 (а.с. 170178 с возможной реализацией на базе насосов типа ХТР Лебедянского насосного завода); на рис. 4.37 – Р(Б-1) / А-1 (а.с. 1163034); на рис. 4.38 – Р(А-2) / Б-4 (з-ка 1420781/24-6, где для дистанционного задания РО_j не требуется применения замкнутых САР); на рис. 4.39 – Р( А-2) / Б-4, Б-1; на рис. 4.40 – ((А-1)+(А-2-2)) / А-2-1 (а.с. 544761 для дистанционно и автоматически управляемых секций СДА разнесенного типа).

Условие работоспособности СДА требует, чтобы все его секции выходили на нулевые подачи при одном значении РС и чтобы изменение РС не нарушало заданные соотношения подач секций, т.е. построение СДА возможно, если секции СДА будут обладать такой комбинацией нежестких Q-Р_вых характеристик, при которой изменение давления Р_вых  РС в общем для них трубопроводе (аппарате) будет приводить только к изменению суммарной подачи Q_j, но не будет вызывать изменение соотношений подач секций Q_j / Q_j+k.

Сформулированное требование выполнимо, только если характеристики Q_j - Р_вых имеют вид прямых, пересекающихся на оси давления в одной точке Р₀, см. рис. 4.41,б, где ad, bd и cd – характеристики насосных секций 1, 5, 2 соответственно (см. рис. 4.41,а). Отношение подач секций задается изменением длин ходов поршней секций задатчиками 8, 9, 10 (способ регулирования А-1), устанавливающими максимальное значение подачи Q_Анаиб, Q_Бнаиб, Q_Внаиб. Изменение же суммарной подачи здесь осуществляется автоматически при изменении давления в напорной магистрали или путем регулирования дросселя 12. Механизмы класса Б-2 - 3, 4, 6 секций служат для задания углов наклона характеристик до пересечения их в точке Р₀ (а.с. 531926), что, например, может выполняться с применением датчиков давления 11 по осциллограммам снимаемым в рабочих камерах насосных секций, см. рис. 4.41,в (а.с. № 523187).

Разработанные технические решения двухпараметрических СДА существенно расширяют их возможности практического применения в приводных гидросистемах, а также в АСУ ТП различных производств, использующих современные системы непрерывного и дискретного управления.

При этом впервые оказывается возможным практическое выполнение СДА на базе серийно выпускаемых объемных многокамерных и однокамерных дозировочных насосов, не приспособленных для работы в составе традиционных СДА.
4.5. Основы построения и создание класса СДА с гидравлической синхронизирующей связью его однопоточных дозирующих секций

4.5.1. В рассмотренных выше одно- и двухпараметрических СДА синхронизация секций по частоте повторения рабочих циклов выполнялась механическими или электрическими устройствами. Использование гидравлической синхронизации дозирующих секций открывает новые возможности для построения СДА с высокими технико-экономическими показателями и рядом новых полезных эксплуатационных свойств, расширяющих функциональные возможности СДА и область их применения.

Анализ показал, что подобная синхронизация насосных секций, допускающая реализацию алгоритмов управления СДА, может выполняться посредством:

а) общего для секций источника переменного расхода жидкости (пульсатора) – 4.5.2;

б) общего для секций источника давления – 4.5.3.;

в) дроссельных и объемных делителей потока жидкости – 4.5.4;

г) дозирующих гидромоторов или гидроцилиндров, установленных последовательно в гидролинии одного или нескольких дозируемых компонентов – 4.5.5.

В СДА по рис. 4.44 (а.с. № 262625) использована комбинированная синхронизация секций. Здесь секции (8, 25, 27) и (9) приводятся одним пульсатором (2, 6, 12), механически синхронизированным общим валом 3 с приводом секции 7. Такая компоновка может быть использована при необходимости подключения к СДА (с ранее заданным количеством пульсаторов) дополнительных секций (гидроблоков) стандартного для мембранных насосов исполнения. Уменьшение подач секций СДА такого типа не приводит к существенным потерям энергии. Поэтому, в отличие от СДА по рис. 4.42, 43, здесь нет необходимости в установке упругих демпферов в камеру пульсатора.

При порционном дозировании желательно иметь СДА с постоянной заданной суммарной цикловой подачей и с возможностью перезадания отношения компонентов.

Эта задача решена в СДА, представленных на рис. 4.45 … 48, путем использования в качестве синхронизирующего пульсатора насосной секции, дозирующей один из заданных компонентов (заявки №№ 1700890/24-6, 1700868/24-6, 2198456/06).

При малых рабочих давлениях можно использовать также источники сжатого газа или пара, что существенно не меняет принцип построения СДА этого типа.

Применение синхронизированных по РС делителей (сумматоров) дроссельного типа (з-ка 2000506/24-6, а.с. 561003) может быть рациональным или при сравнительно невысоких требованиях к точности пропорционального дозирования, или при стабилизации основных рабочих параметров СДА.

При повышенных требованиях к точности пропорционального дозирования и значительной вариации рабочих параметров СДА более предпочтительно использование объемных дозирующих делителей потока жидкости, с регулируемым отношением рабочих объемов, составляющих его гидромашин. Принцип построения СДА на базе делителей этого типа представлен на рис. 4.53 (а.с. 166152).

Суммарная подача СДА изменяется регулированием приводного насоса 7. Соотношение подач дозируемых компонентов (отношения скоростей вращения валов гидромоторов – выходных звеньев приводного ФДГМ) задается регулированием объемных постоянных гидромашин 8, 9, 10 делителя задатчиками РО₁, РО₂, РО₃.

Гидромашины делителя в зависимости от величин перепадов давления на соответствующих гидромоторах работают в насосном или моторном режимах, т.к. без учета потерь - Q₄P₄ + Q₅P₅ +Q₆P₆ = Q₇P₇, где Q₇ = Q₄ + Q₅ + Q₆, и поэтому, если, например, Р₄ >  Р₇ и Р₅ > Р₇, то гидромашины 8 и 9 работают в насосном режиме, а гидромашина 10 в моторном, поскольку обязательно Р₆ < Р₇.

В технологических гидросистемах в ряде случаев возможна установка объемных делителей (сумматоров) непосредственно в потоки дозируемых компонентов, см. рис. 4.54 (а.с. 512306), где компоненты А, В, С перекачиваются центробежными насосами 15, 16, 17 с характеристиками, показанными на рис. 4.55, и дозируются объемными синхронизированными гидромашинами 2, 3, 4 сумматора. Суммарная подача СДА устанавливается дросселем 8, одновременно изменяющим давление на выходе насосов 15, 16, 17, см. рис. 4.55, и, следовательно, - величины подачи секций, которые корректируются объемным сумматором в соответствии с РО_А, РО_Б, РО_С.

В большинстве случаев применения СДА возможно и рационально выполнять указанную синхронизацию, используя поток дозируемого основного компонента, как источник энергии для проведения других секций СДА. Действительно, допустимо применение технических решений, аналогичных рассмотренным на рис. 4.49… 4.53, где вместо гидроприводной жидкости следует применять один из дозируемых компонентов, по которому осуществляется синхронизация СДА по каналу РС.

В этом случае ведущая насосная секция, сообщающая энергию потоку основного компонента (рационально СДА этого типа применять, когда расход основного потока существенно больше расходов ведомых насосных секций), потребляет всю энергию, подводимую к СДА. Важно, что это свойство СДА данного типа позволяет легко выполнять ФДГМ-СДА, самонастраивающимся по величине суммарной нагрузки на его выходные звенья. Гидродвигатели дополнительных секций могут подключаться параллельно или последовательно насосу основной ведущей секции.

При использовании приводных НД 1, 2 в дополнительных секциях рационально применять один общий для насосных секций гидромотор 3, см. рис. 4.56. Скорость вращения вала гидромотора 3 ω ₃ = Q_A / q₃, а подачи дополнительных секций Q_Б = ω ₃q₂(PO_A/Б) и Q_C = ω₃q₁(PO_A/C), поэтому Q_A/Q_Б =q₃/q₂(PO_A/Б), а Q_A/Q_C = q₃/q₁(PO_A/C), т.е. отношения подач секций задается изменением рабочих объемов секций 2 и 1 и не зависит от величин суммарной подачи, задаваемой расходом Q_A, поскольку

Пример самонастраивающегося по нагрузке СДА показан на рис. 4.57. Компоненты Б и С дозируются гидроблоками 1 и 2 прямодействующего гидроприводного насоса, снабженными механизмами регулирования, например классов Б-1 или Б-2, с задатчиками РО_А/Б и РО_А/С. Частота рабочих циклов этого насоса, реверсируемого распределителем 4 по положению приводного поршня 5, пропорциональна расходу Q_А, создаваемому функциональным насосом 6. Величина Q_А изменяется от давления в магистрали 7 по закону определяемому настройкой ФМР 8 и его структурой.

Последовательно насосу 3 в магистрали 7 включен гидромотор 9, приводящий насосную секцию 10. В данном СДА Q_Б = k_Б (PO_A/Б)Q_А, Q_C = k₂(PO_A/C)Q_A, Q_Д = k_Д(PO_A/Д)Q_A

и, следовательно,

Q = Q_A[1 + k_Б(PO_A/Б) + k₂(PO_A/С) + k_Д(PO_A/Д)] .

Из-за действия ФМР 8 секции 6 Q_A = (P₇), поэтому суммарная подача агрегата по заданному закону будет изменяться от давления в реакторе, подключенном к выходной магистрали 11 СДА, или может задаваться (корректироваться, например, посредством САР) регулируемым дросселем 12 – задатчиком РС при условии, когда Р₁₁ =const.

Если основной компонент технически трудно использовать в качестве гидроприводной жидкости, то агрегаты этого типа легко перекомпоновываются в агрегаты с применением промежуточной приводной жидкости, по расходу которой и осуществляется синхронизация всего СДА. Для этого насос 4 и гидромотор 3 (на рис. 4.56) и насос 6, гидроцилиндр 5 и гидромотор 9 (на рис. 4.47) будут включаться последовательно в гидролинию с промежуточной приводной жидкостью. При этом через все гидродвигатели будет проходить одинаковый синхронизирующий расход, создаваемый насосом.

В разработанных СДА давление на выходе насоса определяется суммарной нагрузкой секций СДА, что открывает возможность за счет применения ФНА получать адаптирующиеся к нагрузке ФДГМ с требуемыми свойствами.
4.6. Разработка полной системы способов построения СДА с дискретным управлением процесса пропорционального дозирования

4.6.1. Система алгоритмов дискретного пропорционального управления секциями СДА

4.6.1.1. Для вальных объемных насосов безраспределительного и распределительного типов при идеально равномерной мгновенной подаче объемная производительность _Н = q_Н  ( = 0 при t = 0), т.е. величину _Н можно формировать шагами любой по  протяженности, без нарушения точности дозирования за счет процесса дискретизации, что позволяет использовать алгоритмы управления, рассмотренные в 2.1.3.

В насосах с существенно неравномерной мгновенной подачей q_H = q_H() – некоторая периодическая функция, зависящая от кинематики приводного механизма и свойств рабочих органов, поэтому при дискретизации _Н по  снижение точности дозирования за счет дискретизации подачи не будет иметь места только при шаге  = k (2/z), где z – частота первой гармоники, в разложении Q() в ряде Фурье, k = 1, 2, 3, …, и синфазности поступления пусковых импульсов с рабочим циклом насоса (см. 2.1.4).

При равномерной мгновенной подаче не требуется синхронизация системы управления с рабочим циклом (углом поворота приводного вала), что позволяет использовать известную элементную базу дискретных систем управления, см. рис. 4.58, 4.59, где сигналы управления И_РС. И_РО1, И_РО2, И_РО3 преобразуются аналого-импульсными преобразователем (АИ) в последовательности пусковых импульсов (соответствующих частот), поступающих на входы электрогидравлических усилителей крутящего момента, приводящих валы НД. Высокая стоимость и конструктивная сложность электрогидравлических усилителей момента существенно ограничивает возможность применения этих схем СДА.

Более предпочтительно при импульсном управлении выполнять СДА на базе прямоприводных (прямодействующих) насосных секций (см. 2.1.3 и рис. 4.39), осуществляющих наиболее простым путем преобразование управляющего импульса (требования к форме импульса и его параметрам здесь наименее жесткие) в дозу жидкости заданного объема.

Поэтому, поскольку изменение частоты импульсов по результату действия на величину подачи подобно изменению скорости вращения приводного вала насосной секции – ω, а изменение амплитуды всегда может выполняться за счет регулирования цикловой подачи, то при частотной или амплитудной модуляции сигнала управления способы построения СДА импульсного управления оказываются аналогичными ранее рассмотренным для приводных вальных насосов, см. 4.2. и 4.4,

4.6.1.2. Более подробного рассмотрения требуют СДА с цифровым управлением. Известные ранее СДА этого типа выполнялись только для порционного дозирования, когда объем суммарной дозы СДА задавался числом рабочих циклов секций (причем обычно одинаковым для всех секций СДА, см. каталоги фирмы «Бран-Люббе», ФРГ).

Широкое распространение АСУ ТП, базирующихся на ЦВМ, делает необходимым выявление способов цифрового управления СДА и соответствующих им рациональных конструктивных решений, пригодных как для непрерывных технологических процессов, так и для осуществления непрерывного движения рабочих органов приводных ФДГМ по заданной траектории.

_j = e _j z_{j max} q_{j max,} (4.6.1)

а средняя подача j-ой секции СДА -

Q_j = _j / Т_ц . . (4.6.2)

Здесь _j – суммарный объем всех доз, поданных за Т_ц, z_{j max} – количество рабочих циклов (доз), которое максимально может выполнять j-ая секция за период Т_ц.

При постоянном интервале времени между циклами z_{j max} / Т_ц = ω_{z max}, где ω_{z max} – максимальная (предусмотренная конструктором) частота формирования доз жидкости.

В общем случае параметры регулирования e и _j могут изменяться в периоде Т_ц. Однако для выявления возможных алгоритмов цифрового управления СДА, когда в интервале t между моментами синхронизации ЦВМ и СДА величины e и _j фиксируются, достаточно принять t = Т_ц и рассмотреть _j в форме (4.6.1).

Поскольку задатчики e и _j СДА могут воздействовать порознь или вместе на параметры z_j, q_j и Т_ц, то для выявления возможных алгоритмов управления СДА, обеспечивающих пропорциональное дозирование, запишем уравнения для Q_j – (4.6.2.), (4.6.1) в форме, конкретно показывающей на какие параметры секции воздействуют задатчики e и _j. Возможное при этом число форм записи, а, следовательно, и - число алгоритмов управления, равно девяти, а именно:

Полученные способы управления СДА графически представлены в таблице на рис. 4.60, где верхний Q₁ = Q₁(t) и нижний Q₂ = Q₂(t) графики подач, расположенные под одним номером (например, № 5), относятся к двум синхронизированным по РС дозирующим секциям одного СДА цифрового управления.

На базе способов № 7 … 9 осуществляются однопараметрические СДА (если только операция перемножения РС х РО_j не выполняется механизмом, непосредственно конструктивно связанным с насосными секциями), а на базе способов № 1 … 6 – двухпараметрические.

Если в СДА на рис. 4.58 вместо АИ применить аналого-числовые преобразователи, синхронизированные по Т_ц и выдающие с заданной частотой последовательно необходимое число импульсов z_j (число z_{j max} импульсов выдается за t < Т_ц), то эти СДА можно рассматривать как основывающиеся на способах управления № 2 – для секций 1 и 2 и № 7 – для секции 3 на рис. 4.58; СДА на рис. 4.59 и рис. 4.40 основан на способе управления № 3, поскольку технологический цикл равен времени одного оборота кулачка 9 механизмами управления. Принципиально нет никаких ограничений и для реализации остальных алгоритмов управления СДА.

При работе СДА от ЦВМ, управляющий всем производственным процессом или движением ФДГМ, рационально интервал Т_ц сохранять неизменным. В этом случае предпочтительна реализация СДА по алгоритмам №№ 1, 2, 7, 8.
4.6.2. Разработка способов повышения точности дискретного пропорционального дозирования и соответствующих им СДА