автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Методики анализа характеристик, выбора структуры и параметров системы регулирования давления и температуры газообразного топлива, питающего энергоустановку газотепловоза

На правах рукописи

УДК 621.646

Арзуманов Андрей Юрьевич

МЕТОДИКИ АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИК, ВЫБОРА СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА, ПИТАЮЩЕГО ЭНЕРГОУСТАНОВКУ ГАЗОТЕПЛОВОЗА

Специальность 05.13.01 —"Системный анализ, управление и

обработка информации"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ковров 2006

Работа выполнена на кафедре "Гидропневмоавтоматика и гидропривод" Ков-ровской государственной технологической академии.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Халатов Е. М.

доктор технических наук, профессор Кобзев А. А.

кандидат технических наук, доцент Илюхин А. С.

ФГУП Конструкторское бюро транспортно-химического машиностроения (г. Москва).

Защита состоится " и*х>и<4 2006 г. в / £ _

на заседании диссертационного совета Д212.025.01 Владимирского государственного университета по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, корпус 1, ауд. 211-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета по адресу: г. Владимир, ул. Горького, 87, корпус 1.

Автореферат разослан 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Р.И.Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Анализ энергетики промышленно развитых стран показывает, что в топливно-энергетическом комплексе на современном этапе все большее знамение в качестве энергоносителя приобретает природный газ. Многие государства мира, включая Россию, стремятся перестроить структуру топливно-энергетического баланса, снижая долю нефти и заменяя ее газом.

Одним из важных направлений использования природного газа является его применение в качестве моторного топлива транспортных средств. Перспективным представляется использование природного метана в качестве топлива газотепловозов. Замена жидкого топлива природным газом целесообразна как с технико-экономической, так и с экологической точки зрения.

Запас газообразного топлива располагается на газотепловозе в газобаллонном источнике под высоким давлением. По мере расходования топлива давление и температура газа в источнике уменьшается. На вход энергетической установки должен быть подан газ определенных величин давления и температуры. Подача топлива от источника к энергетической установке осуществляется через систему газоснабжения. Система газоснабжения газотепловоза имеет весьма развитую структуру и по сути является многоступенчатой системой регулирования давления и температуры газа. Вариант принципиальной схемы системы газоснабжения энергоустановки газотепловоза представлен на рис. 1.

Одним из наиболее ответственных этапов разработки является начальное формирование системы, когда необходимо обоснованно выбрать структуру всей системы, сформулировать требования к ее подсистемам, рассчитать основные параметры ее элементов. Успешное выполнение данного этапа во многом определяет высокое качество создаваемого объекта, сокращает сроки его разработки. Представляемые в настоящей работе результаты исследований направлены на

повышение качества реализации этапа начального формирования системы регулирования параметров газообразного топлива, питающего энергоустановку газотепловоза.

Объектом исследования диссертации является система регулирования давления и температуры газообразного топлива, питающего энергетическую установку газотенловоза.

К настоящему времени опыт разработки таких устройств является ограниченным, не существует отработанной системы их синтеза, отсутствуют рекомендации по формированию их структуры, не разработаны методы расчета, обеспечивающие выбор конструктивных параметров в соответствии с требованиями технического задания, незначителен опыт экспериментальной отработки этих систем.

Целью исследования является создание системы начального формирования объекта исследования, которая обеспечит обоснованный выбор структуры построения объекта и расчет основных его параметров в соответствии с требованиями к его техническим характеристикам.

Актуальность работы определяется экономической и экологической целесообразностью внедрения в технику железнодорожного транспорта газотепловозов, работающих на природном метане.

Возможность заимствования опыта разработки систем газоснабжения для других областей техники ограничен, поскольку объект исследования весьма своеобразен. Можно отметить ряд наиболее характерных его особенностей. Система реализует одновременное регулирование давления и температуры газа. Регулирование давления и температуры является многоступенчатым и многоконтурным. В системе предусматривается управление расходом потребляемого газа. Диапазон изменения давления и температуры в газобаллонном источнике весьма широк (25,(к-1,5 МПа, 223+323 К). Система функционирует на подвижном основании в условиях действия механических перегрузок.

Разработка методик выбора структуры и расчета параметров объекта исследования с учетом всех названных особенностей его устройства и условий эксплуатации составляет новую научную задачу, имеющую важное практическое значение.

Для достижения поставленной в работе цели необходимо решение еле-

тппт|№ ю т1гг■

— на основе анализа особенностей объекта исследования и условий эксплуатации сформулировать основные задачи его формирования и определить порядок их решения, создав, таким образом, алгоритм начального этапа разработки;

— построить математические модели, обеспечивающие решение отдельных задач анализа характеристик и выбор параметров объекта;

— разработать методики реализации процедур синтеза объекта;

— создать методики экспериментальных исследований и провести эксперименты по выявлению практической приемлемости разработанных методик анализа и синтеза элементов системы.

Предмет исследования диссертации составляют методики анализа и синтеза системы регулирования параметров газа, питающего энергетическую установку газотепловоза; математические модели, отражающие функционирование системы в различных условиях эксплуатации; статические и динамические характеристики подсистем объекта исследования; алгоритмы и программные средства, обеспечивающие решение задач анализа и синтеза объекта.

Решение задач, поставленных в диссертации, основывается на теории систем пневмогазоавтоматики, построенной трудами многих отечественных и зарубежных авторов. Для решения задач диссертации потребовалось положения этой отрасли технических наук применить к новому техническому объеюу, доработать математические модели в соответствии с названными выше особенностями объекта исследования, построить новые методики анализа и синтеза.

Научная новизна диссертации состоит в следующем: построена методика выбора структуры и расчета основных параметров многоступенчатой системы регулирования давления и температуры природного газа, обеспечивающей газоснабжение энергоустановки газотепловоза; предложен алгоритм формирования объекта; построены математические модели; учитывающие особенности объекта исследования; разработаны методики реализации процедур синтеза объекта; выявлены особенности характеристик объекта исследования, которые следует учитывать при его разработке.

На защиту выносятся следующие результаты:

— алгоритм формирования системы регулирования давления и температуры газообразного топлива;

— методика выбора структуры системы регулирования давления и температуры газа;

— методика расчета параметров подсистемы регулирования температуры, результаты сравнительного анализа различных схем реализации этой подсистемы;

— методика и результаты анализа характеристик, методика выбора параметров многоступенчатой подсистемы регулирования давления газа;

— методика анализа погрешностей многоступенчатой подсистемы регулирования давления, связанные с динамическими перегрузками при движении газотепловоза.

Обоснованность и достоверность научных результатов определяется: использованием при построении математических моделей и методов исследования фундаментальных физических законов и основных положений теории систем пневмогазоавтоматики, соответствие результатов разработки систем регулирования параметров газа на основе предложенного подхода результатам эксперимента и опытной отработки, положительным опытом внедрения разработанных систем регулирования параметров газа в систему газоснабжения газотепловоза.

Практическая полезность работы состоит в повышении качества проектирования систем газоснабжения газотепловозов, улучшении характеристик вновь создаваемых систем, сокращении сроков их разработки. Разработанные методики анализа и синтеза систем регулирования газообразного топлива, а также полученные в ходе разработки новые технические решения внедрены в процессе создания системы газоснабжения, обеспечивающей подачу природного газа в энергоустановку газотепловоза ТЭМ18Г-001.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на международной НТК "Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке" (Санкт-Петербург, 2003 г.), на III международной НТК "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика" (Санкт-Петербург, 2005 г.), на ежегодных НТК тульского государственного университета (2003-2005 гг.), на ежегодных НТК в Ковровской государственной технологической академии (2003-2005 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано б научных работ, выпущено 2 научно-технических отчета. Работа [1] опубликована в издании, включенном в список, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка. Текст изложен на 146 страницах, включая 48 рисунков, 2 таблицы, библиографический список из 56 наименований. К диссертации дается приложение на 15 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертации, дана ее общая характеристика. Дан краткий обзор научных работ, которые послужили основой для настоящей диссертации.

В первом разделе рассмотрены особенности условий эксплуатации и соответствующие конструктивные особенности системы газоснабжения энергетической установки. Отмечены факторы, которые могут негативно влиять на работоспособность системы. Эти факторы связаны с возможным присутствием в составе газообразного топлива водяных паров, что полностью трудно предотвратить. Наличие водяных паров при низких температурах газа может приводить к появлению в рабочем теле твердой фазы либо в виде частиц замерзшей воды, либо в виде кристаллогидратов. Предотвратить появление твердой фазы можно подогревом газа, который должен обеспечить положительную (более 273 К) температуру газа в дросселирующих сечениях редукторов, а кроме того компенсировать влияние характерного для метана отрицательного дроссель-эффекта при понижении давления в редукторе. Поскольку подогрев газа до высоких температур нежелателен, для поддержания достаточного уровня температуры топ-

лива на протяжении всей магистрали газоснабжения целесообразны многоступенчатое регулирование как давления, так и температуры газа.

В разделе рассмотрены два конкретных варианта схемы системы газоснабжения, в которых системы регулирования параметров газа отличаются числом ступеней регулирования давления и местами включений ступеней регулирования температуры. Анализируются особенности подсистем регулирования температуры и регулирования давления газа.

Регулирование температуры газа реализуется несколькими относительно независимыми ступенями. Подогрев газа осуществляется в теплообменных аппаратах (ТА), построенных по схеме "труба в трубе" со встречным движением теплоносителя (воды или тосола) и подогреваемого газа (метана). Рассмотрены конструктивные особенности ТА, применяемых в подсистеме регулирования температуры. Подогреваемый газ движется в ТА по ряду параллельных спиральных трубопроводов, которые снаружи обтекаются теплоносителем. Такое построение обеспечивает большую площадь поверхности теплообмена при компактности ТА, малое гидравлическое сопротивление ТА, кроме того, связано с тем, что подогреваемый газ имеет высокое давление, значительно большее, чем давление теплоносителя.

Возможны два принципиально различных способа регулирования температуры подогрева топлива. Первый реализуется за счет изменения расхода теплоносителя, к качестве которого используется охлаждающая жидкость энергоустановки. При этом каждая ступень подогрева имеет свой замкнутый контур регулирования с обратной связью по температуре топлива. Достоинствами этого способа являются высокая точность поддержания температуры газа и возможность утилизации тепловой энергии из системы охлаждения энергоустановки.

Второй способ состоит в регулировании температуры теплоносителя, который поступает в ТА из термостатированного источника, где подогрев теплоносителя осуществляется электрическими тешюнагревательными элементами. Достоинством второго способа является простота технической реализации.

Подсистема регулирования давления может иметь две или три ступени редуцирования, между которыми имеются динамические связи, влияющие на статическую точность подсистемы и на ее устойчивость. Существенной особенностью подсистемы является построение оконечной ступени, которая выполнена по схеме агрегатного редуктора давления и включает основной редуктор в канале топлива, и управляющий малорасходный редуктор, работающий на сжатом воздухе. Настройка управляющего редуктора может изменяться от системы управления газотепловоза. При этом изменяется давление настройки основного редуктора последней ступени, а следовательно, изменяется расход топлива, подводимого к энергоустановке.

Сформулированы задачи, подлежащие решению при начальном формировании системы регулирования параметров газа и ее подсистем. На рис. 2 пред-

ставлена логическая схема (алгоритм) начального формирования объекта исследования. В диссертации дается характеристика этапов этого алгоритма.

Рис. 2

Техническое задание (ТЗ) характеризует объект разработки по многим показателям, и прежде всего определяет функциональные возможности системы: диапазон изменения расхода топлива, номинальные значения давления и температуры газа на входе в потребитель и точность реализации значений этих параметров. В ТЗ определен вэд теплс::ос;гггля, используемого в с::стс?.:с охлаяздекия энергоустановки, задан диапазон возможных изменений его температуры, а также максимально возможный его расход для подогрева газа.

В данном разделе подробно излагается методика реализации 1-го этапа предложенного алгоритма, на котором выбирается общая структура системы, т. е. назначается число ступеней регулирования давления, определяются места включения ТА, вырабатываются требования к характеристикам подсистемы.

В значительной мере выбор структуры системы определяется требованиями по допустимым изменениям температуры газа по всей линии газоснабжения.

Показано, что по мере ужесточения этих требований, т. е. повышения минимально допустимого и понижения максимально допустимого значений температуры газа, потребное число ступеней редуцирования увеличивается. Возможна выработка нескольких вариантов структуры.

При решении задачи о выборе структуры должна учитываться реальность теплофизических свойств газообразного топлива. Предлагается на начальном этапе формирования системы использовать для этого упрощенную методику.

Предложенная в работе методика выбора структуры системы иллюстрируется конкретным числовым примером. При поставленных требованиях, которые соответствуют реальному случаю разработки, сформирована структура системы, включающая три ступени редуцирования и две ступени подогрева газа. Один из ТА включен перед первым редуктором давления, второй ТА — между первой и второй ступенями редуцирования. Определены требования к редукторам давления. Определены также требования к техническим характеристикам ступеней подогрева топлива.

Последующее формирование подсистем регулирования давления и температуры газа производится порознь в предположении о взаимной независимости этих подсистем. Данное допущение основано на особенностях задач, решаемых при разработке подсистем, а также на их конструктивных особенностях. Так, используемые в системе ТА, создают незначительное гидравлическое сопротивление в канале газа, а потому практически не влияют на статическую точность регулирования давления. Задача об устойчивости подсистемы регулирования температуры решается для режима, когда температура в источнике питания максимальна, а подогрев газа в ТА незначителен. Влияние подсистемы регулирования давления на работу подсистемы регулированного подогрева топлива также невелико. Однако в алгоритме формирования предусмотрен этап 10, где предполагается математическое моделирование функционирования системы с учетом взаимосвязи подсистем. На этом этапе могут быть выявлены и устранены неточности формирования, связанные с допущением о взаимной независимости подсистем.

Методики формирования подсистем регулирования температуры и давления газообразного топлива подробно представлены в последующих разделах диссертации.

Второй раздел диссертации посвящен задачам формирования подсистемы регулирования температуры топлива. Рассматриваются два принципиально различных варианта построения этой подсистемы, описание которой было дано в первом разделе. Схемы этих вариантов представлены на рис. 3 и рис. 4.

Для каждого варианта выявлена совокупность задач, подлежащих решению при формировании данной подсистемы, построены математические модели, разработаны методики расчета характеристик и выбора основных параметров, дан анализ достоинств и недостатков вариантов.

Рис. 3

Электромагнит наяярыжманииЛ

«г©

^ т. > ' Т*

у

ТТ

V.

X

Рис.4

Начальным этапом формирования подсистемы является энергетический расчет. В процессе этого расчета определяется расход теплоносителя, необходимый для подогрева до требуемой температуры топлива заданного расхода на всех ступенях подсистемы. Расчет проводится в режиме наиболее неблагоприятном по энергетике. Может оказаться, что система охлаждения установки не сможет обеспечить требуемый для подогрева топлива расход теплоносителя. В этом случае придется либо полностью отказаться от первого варианта построения подсистемы подогрева в пользу второго варианта, либо использовать эту схему не на всех ступенях. В разделе представлена методика энергетического расчета, в

основе которого лежат зависимости энергетического баланса. Методика иллюстрирована числовым примером. В результате энергетического расчета определены потребные расходы теплоносителя на каждой ступени подогрева, а для второго варианта построения подсистемы определена и электрическая мощность, которую необходимо подводить к термостату.

При расчете основных параметров ТА исходными величинами являются: расход газообразного топлива, температура и давление газа на входе в ТА и требуемая температура на выходе из ТА, температура теплоносителя, подводимого к ТА, расход теплоносителя и его температура на выходе из ТА. Последние величины определены при энергетическом расчете.

Основными параметрами ТА полагаются площади проходных сечений канала газа и канала теплоносителя, длина каналов ТА. Конструктивная схема ТА либо задана однозначно, либо выбирается из ограниченного числа вариантов.

При выборе площадей сечений каналов в ТА принимались во внимание два противоречивых соображения. Этот выбор, с одной стороны, должен обеспечить низкое гидравлическое сопротивление каналов, поскольку потери полного давления на гидравлическом сопротивлении в канале газа ведут к увеличению погрешностей подсистемы регулирования давления, а в канапе теплоносителя высокое гидравлическое сопротивление приводит к увеличению потребной мощности насоса, обеспечивающего циркуляцию жидкости, с другой стороны, уменьшение скорости движения газа и теплоносителя снижает интенсивность теплообмена, что приводит к необходимости увеличивать площадь теплообмена, а следовательно, габариты и массу ТА.

На основе выполненных расчетов получены рекомендации по рациональному выбору скорости течения газа и теплоносителя и соответствующих площадей сечения каналов ТА. Для канала топлива (метана) эта скорость должна составлять от 0,08 М до 0,1 М, а для жидкого теплоносителя (этиленгликолевого антифриза) это значение может быть назначено в диапазоне от 0,3 м/с до 0,4 м/с. При использовании антифриза с низким содержанием (40 %) этиленгликоля скорость его течения следует выбирать ближе к нижнему пределу названного диапазона, а при использовании антифриза с высоким (64%) содержанием этиленгликоля скорость его течения следует иметь более высокую. Такое различие связано с отличием в величинах вязкости этих жидкостей, что существенно влияет на значения коэффициентов теплообмена.

Методика расчета потребной длины каналов ТА строится в предположении, что на некотором отрезке каналов ТА можно осреднить значения коэффициентов теплоотдачи. В связи с малой толщиной трубок канала газа температура стенок этих трубок осреднялась по толщине. Теплообмен между теплоизолированным наружным кожухом ТА и атмосферой не учитывался. В этих допущениях получена зависимость, определяющая длину участка ТА, на котором в установившемся режиме температура газа изменяется от начального до некоторого заданного значения.

тешгодоснтель

о*

Тж

теплоноситель

Тж

Тг___

чЧЧЧЧЧЧЧЧУ

Тж

1Ь

-Ч777777777-ГП-

Та,-Тг -г,) ; Тж -Тя

а.ж-Тж+аг-Тг .

г ... с*°г

сж Ч*

ТОПДЮЮ

4=-

а«-е.

аг +аж -е.

4т

- "а т» •

__У0*

бг+6ж'е( С ж-вж

бГ

'ж бг+бж-ее

А*

д.-а-я,)-^

Определен следующий порядок расчета основных параметров ТА.

1) Задаемся значениями скоростей течения газа и теплоносителя и определяем площади сечений каналов ТА.

2) При известной конструктивной схеме определяем внутренний периметр канала газа.

3) Диапазон изменения температуры топлива от входного до выходного значения разбиваем на ряд интервалов, для каждого из которых находим начальное и конечное значения температуры теплоносителя.

4) На каждом температурном интервале находим осредненные значения коэффициентов теплообмена и теплоемкостей газа и теплоносителя.

5) Рассчитываем длины каждого участка ТА и их общую длину.

Расчетным режимом для определения параметров ТА является режим

наиболее неблагоприятный по энергетике, в котором при выбранных параметрах ТА обеспечивается подогрев топлива до нужного уровня температуры.

Если подсистема регулирования температуры построена по первому варианту, то в других режимах стабильность выходной температуры газа обеспечивается уменьшением расхода теплоносителя, а точность стабилизации определяется коэффициентом усиления разомкнутого контура каждой ступени регулирования температуры.

Если система регулирования построена по второму варианту, то во всех прочих режимах температура подогрева топлива окажется выше, чем в расчетном. Разброс значений этой температуры тем меньше, чем меньше в расчетном режиме температура газа на выходе ТА отличается от температуры теплоносителя на входе в ТА. Таким образом, для повышения стабильности поддержания температуры топлива следует повышать эффективность ТА, что связано с увеличением его габаритов.

Методика расчета параметров ТА проиллюстрирована числовым примером, который продолжает предыдущие два числовых примера синтеза структуры системы газоснабжения и энергетического расчета подсистемы регулирования

температуры. Рассчитаны основные параметры одного из ТА подсистемы, построенной по первому варианту. За основу принята конструктивная схема ТА, использованная в системе газоснабжения, разработанной для опытного образца газотепловоза. Коэффициенты теплообмена в расчете определялись по методикам, изложенным в литературе по теории теплопередачи.

С использованием предложенной методики расчета параметров ТА было исследовано влияние на габариты ТА повышение требований по стабильности поддержания выходной температуры топлива для случая, когда подсистема построена по второму варианту. Показано, что при высоких требованиях по стабильности температуры топлива перед потребителем габариты ТА могут возрасти в сравнении с ТА, используемым в системе первого варианта, в 1,5-2 раза.

Проделанные исследования позволили выявить преимущества и недостатки двух возможных схем построения подсистемы регулирования температуры. Подсистема, построенная по 1-му варианту, обеспечивает высокую стабильность поддержания температуры топлива на входе в потребитель в различных условиях эксплуатации, позволяет утилизировать тепловую энергию из системы охлаждения энергоустановки. Если подсистема подогрева построена по первому варианту, то в условиях эксплуатации при низких температурах расход топлива оказывается на 1,1-1,3 % меньше, чем в случае, когда подсистема построена по второму варианту. Недостаток первого варианта состоит в конструктивной сложности узла, реализующего регулируемое изменение расхода теплоносителя.

При разработке подсистемы, построенной по второму варианту, разработчик столкнется со следующими трудностями: конструкции редукторов давления должны быть способны работать с газом довольно высоких температур (340350 К); расход теплоносителя окажется более высоким, чем в подсистеме первого варианта; потребные габариты ТА могут оказаться значительными. Вместе с тем неоспоримо преимущество второго варианта, состоящее в простоте технической реализации.

Если подсистема регулируемого подогрева топлива построена по первому варианту принципиальной схемы, то в число задач, подлежащих решению, входит задача формирования замкнутого контура регулирования температуры топлива. При выбранной структуре замкнутого контура эта задача включает определение коэффициента усиления сигнала рассогласования, при котором достигается заданная точность поддержания температуры топлива, и анализ устойчивости, а при необходимости — разработка корректирующих устройств. Для решения названных вопросов необходимо построить динамическую модель, отражающую течение во времени процессов в ТА. Поскольку эта модель предназначается не для проектирования ТА, а лишь для воспроизведения его свойств, как динамического звена, возможен упрощенный подход к ее построению. Анализируя особенности ТА, можно отметить, что протяженность его каналов и их

объем невелики, и теплоизолированные течения в них устанавливаются за единицы миллисекунд. В то же время тепловые процессы прогрева стенок ТА, которые довольно массивны, проистекают значительно медленнее. При подаче на вход ТА газа и теплоносителя постоянных температур установившийся процесс в нем наступит через несколько секунд или даже нескольких десятков секунд.

При построении динамической модели ТА полагалось течение в каналах топлива и теплоносителя квазистационарным. Гидравлическое сопротивление каналов считалось пренебрежительным. Температура стенок канала топлива и канала жидкости осреднялась по толщине. Весь ТА разделялся по длине на ряд участков конечной протяженности. Полагались линейными распределения по длине каждого участка температур топлива Тг, теплоносителя Тж стенок канала топлива Тс и наружного кожуха Т,.

Нелинейная модель /-го участка ТА имеет вид:

гта-т,ъ-(\+сг-ви) .

уупп//??////¡/Уун/ттт--" 2 " 1+Сг-Д,

чрлчудс* и _Тжи+Тж„ , ^ Ож-Ц тжг,+вх.та+в,

; Г^2 ' --:

<П'1 Ах. , ~

При этих допущениях построена нелинейная динамическая модель процессов в ТА, которая включает ряд аналогичных взаимодействующих фрагментов, воспроизводящих тепловые процессы на каждом участке ТА. Задачу формирования замкнутого контура системы регулирования удобно решать на основе линейной модели. Проведена линеаризация построенной системы нелинейных дифференциальных уравнений в окрестностях установившегося режима, параметры которого являются частным решением данной системы уравнений. В результате построена линейная модель, также включающая ряд фрагментов, соответствующих отдельным участкам ТА. Такая модель для отдельного участка приведена к структурной схеме, которая дается на рис. 5.

Коэффициенты линеаризации зависят от конструктивных параметров ТА, параметров установившегося режима, а также от коэффициентов теплообмена, определяемых для каждого участка ТА.

На начальном этапе формирования замкнутого контура желательно использовать еще более простую динамическую модель. Если распространить допущения, сделанные ранее для отдельного участка ТА, на всю длину ТА, то линейная динамическая модель замкнутого контура регулирования температуры представляется структурной схемой, приведенной на рис. 6.

На рис. 6 передаточная функция управляющей части контура \Vynp связывает управляющее воздействие в виде изменения расхода теплоносителя с измеряемым отклонением от номинального значения температуры газообразного

топлива. В коэффициент передачи Купр этой функции по постоянному сигналу множителем входит коэффициент усилителя сигнала рассогласования.

ЛОг •

Получена формула, позволяющая рассчитать значение К^р, если известны параметры ТА, диапазон изменения расхода топлива и величина допустимых при этом отклонений от номинального значения температуры газа на выходе ТА. Формула получена на основе упрощенной линейной модели, и рассчитанное значение Купр должно уточняться, что может быть реализовано математическим моделированием с использованием представленной в работе более полной линейной или нелинейной модели.

Упрощенная линейная модель позволяет легко решить задачу обеспечения устойчивости замкнутого контура и рассчитать предельно допустимое по условию устойчивости значение коэффициента К^,. Анализ показывает, что инерционность ТА, как динамического звена, значительно выше, чем инерционность управляющей части. В упрощенной линейной модели ТА представляется апериодическим звеном второго порядка, постоянные времени которого более чем на порядок превосходят постоянные времени в передаточной функции управляющей части. Это обстоятельство позволяет утверждать, что обеспечение устойчивости замкнутого контура регулирования температуры топлива не составит значительных технических трудностей. Однако решение, полученное на основе упрощенной модели, так же, как и решение о точности регулирования, следует уточнить математическим моделированием с использованием более точных моделей.

Задача об устойчивости должна решаться для режима наиболее неблагоприятного по этому условию. Выявлено, что таким режимом является режим с наибольшими расходами топлива и теплоносителя.

Третий раздел диссертации посвящен вопросам формирования подсистемы регулирования давления газообразного топлива. Структура всей системы и ее подсистем, определенная по представленной в первом разделе методике, считается известной. Полагается, что влияние подсистемы регулирования температуры существенно не влияет на характеристики подсистемы регулирования давления. В настоящем разделе задача формирования рассматривается применительно

При формировании подсистемы регулирования давления решаются две основные зад: обеспечение точности поддержания регулируемого давления и устойчивости установившихся рабочих режимов. Кроме того, следует проанализировать влияние на функционирование системы механических перегрузок, действующих при движении газотепловоза, и в случае необходимости принять меры, уменьшающие это влияние.

Математическая модель функционирования подсистемы применительно к расчетной схеме на рис. 7 построена в предположении, что рабочее тело является идеальным газом, а влияние теплообмена между газом и стенками конструкции пренебрежимо. На основе законов сохранения и уравнений движения механики построено математическое описание в виде системы обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений 16-го порядка, ф,__1

Л Щ„ -Я,,, Л',

^•-¿■й-Р^т-РА -Л,-У,); аг м.

¿У, Л

-к;

1

ф. _ л П'ш - V,

1

Фа _ Л }У2„ -я,,^

Фа I

(в.ххрГр^у* -В2х1 •л.рГрГ'у» ;

{В1Х1к-к0р1'1р^Уи -В.Х.к-к.р^р^У^ + );

•¡^^-рл-ра.-^гча) ; _I

Л*.-Г • Л 2 '

(в,х, -АорГрГ2^» -О» -5)«.,-^рГрГ+^зРз^ );

ф, 1

си М3 <я

1

Ф4 __

Ф< .

®4Н — ^»4-^4 + 3

'В4ХХ(РТШ"У1 -<И -^ОГРГ +1

Точность регулирования давления определяется в установившемся режиме и оценивается по статической характеристике подсистемы рз0~р(ре)- В диссертации представлены зависимости для расчета статической характеристики, которые получены из нелинейной динамической модели при равенстве нулю производных по времени от переменных величин. Эта система нелинейных алгебраических зависимостей, определяющих параметры установившегося режима, достаточно сложна. Расчет по этим зависимостям трудоемок и может быть реализован лишь с использованием вычислительной техники. Основная причина сложности расчета определяется взаимным влиянием ступеней регулирования. Характеристика отдельной ступени /уг^См.о). если рассматривать ее как независимую, рассчитывается весьма просто по известной методике. Проведенный анализ показал, что на значительной части диапазона изменения давления р6 при построении статической характеристики подсистемы можно пренебречь взаимным влиянием ступеней. Одновременно установлено, что при малых значениях рв первая и вторая ступени фактически не участвуют в процессе регулирования, поскольку величина площади минимального сечения потока в клапанной паре редуктора становится больше нерегулируемой площади сечения потока за клапанной парой. При уменьшении давления рб до некоторого значения рб1 сначала первая ступень становится эквивалентной дросселю постоянной площади, а при дальнейшем уменьшении давления в источнике до уровня ра то же происходит и со второй ступенью. Получены формулы для расчета значений рв\ и р0г •

С учетом названных особенностей сформирована упрощенная методика расчета статической характеристики трехступенчатой системы регулирования давления. Расчет может быть реализован как с применением вычислительной техники, так и вручную.

На рис. 8 приводится статическая характеристика трехступенчатой системы, сформированной по данным числового примера, рассмотренного в первом разделе. Вместе с общей характеристикой рз0=р{рб) на рисунке представлены графики изменения давлений на выходах первой и второй ступеней в функции от давления в источнике.

Анализ построенной характеристики показывает, что наибольшие погрешности регулирования, возникающие при низких значениях давления рв определяются, главным образом, статической характеристикой последней ступени. Именно свойства последней ступени определяют рабочий диапазон изменения давления р6, в котором система газоснабжения сохраняет свою работоспособность и обеспечивает поддержание с допустимыми погрешностями давления топлива на входе в потребитель. На большей части диапазона изменения давления р6 статическая ошибка системы весьма мала и довольно слабо зависит от точностных свойств первой ступени. В связи с этим можно рекомендовать при разработке системы ослаблять требования по точности регулирования давления на первой ступени, что облегчит решение задачи обеспечения устойчивости.

С использованием предложенной методики расчета статической характеристики можно оценивать статическую точность системы выбранной структуры с назначенными типами редукторов и в случае необходимости скорректировать принятое решение. Изменения могут касаться прежде всего выбора редуктора давления последней ступени.

Задача об устойчивости "в малом" подсистемы регулирования давления решается с использованием линейной модели. Линеаризация исходной нелинейной модели должна производиться в окрестностях режима наиболее неблагоприятного по условию устойчивости. Этот режим имеет место при наибольших значениях давления и

температуры топлива и сжато- I--

го воздуха, питающего управляющий редуктор, а также при наибольших расходах топлива и воздуха. Проведено упрощение построенной линеаризованной модели, которое, не влияя практически на результаты анализа устойчивости, позволило снизить порядок линейной модели до 12-го. Линеаризованной модели соответствует структурная схема, представленная на рис. 9. Коэффициенты и постоянные времени схемы выражаются через конструктивные параметры и параметры установившегося режима.

Анализ структурной схемы линейной модели показывает, что взаимное влия-

ние ступеней регулирования давления приводит к появлению в системе местных замкнутых контуров с положительными обратными связями. Наличие этих контуров негативно влияет на устойчивость.

Каждая ступень редуцирования может условно рассматриваться, как отдельная система регулирования давления, которая при отсутствии связей с другими ступенями может быть как устойчивой, так и неустойчивой. Поскольку влияние других ступеней не может оказывать стабилизирующего действия, неустойчивость каждой условно независимой ступени приводит к неустойчивости всей подсистемы регулирования давления. Таким образом, устойчивость всех ступеней, каждая из которых рассматривается без учета влияния других ступеней, является необходимым условием устойчивости всей подсистемы регулирования. Это условие не является достаточным и не гарантирует устойчивость подсистемы.

В работе предлагается методика поэтапного решения задачи обеспечения устойчивости подсистемы регулирования давления. На первом этапе рассматривается устойчивость отдельных ступеней регулирования при пренебрежении их взаимным влиянием. Условие устойчивости отдельной ступени, построенной на одном редукторе давления, выражается аналитической зависимостью, которая накладывает ограничения на выбор параметров данного фрагмента. Из этой зависимости следует, что для повышения запасов устойчивости отдельной ступени может быть увеличен объем цепи низкого давления в этой ступени, что в случае необходимости может быть обеспечено включением в эту цепь дополнительной проточной полости. Эта мера никак не повлияет на точность работы системы в установившемся режиме.

Выявлено, что для устойчивости третьей ступени достаточно обеспечить устойчивость двух условно независимых фрагментов, построенных соответственно на основном и управляющем редукторах.

На втором этапе рассматривается фрагмент из двух ступеней. Из всех внутренних связей между ступенями наибольшее негативное влияние на устойчивость оказывают связи между первой и второй ступенями. Получены условия, выполнение которых обеспечивает устойчивость фрагмента, включающего первую и вторую ступени. Показано, что для увеличения запасов устойчивости этого фрагмента необходимо увеличивать запасы устойчивости первой ступени при ее независимом рассмотрении. Увеличение запасов устойчивости второй ступени желаемый эффект не обеспечит.

На заключительном этапе моделируется работа всей трехступенчатой системы и, в случае необходимости, либо корректируются параметры схемы включения редукторов, либо даются рекомендации об использовании в схеме других типов редукторов давления.

Возможен и более простой путь решения задачи об устойчивости. Исследование показало, что влияние на устойчивость взаимосвязей ступеней регулирования хотя и является негативным, но не является определяющим. Так, в конкретном примере показано, что объем цепи низкого давления первой ступени, при котором

обеспечивается ее устойчивость в "независимом" режиме, при присоединении второй ступени необходимо увеличить на 1СН-12 %. Можно рекомендовать при решении задачи об устойчивости отдельных условно независимых ступеней выбирать их параметры таким образом, чтобы запас устойчивости на первой и второй ступенях был несколько завышен (на первой ступени до 8 дб, на второй до 7 дб). Затем в устойчивости всей трехступенчатой системы следует убедиться математическим моделированием по линейной или нелинейной модели.

Для исследования влияния механических перегрузок на функционирование подсистемы регулирования давления построена нелинейная динамическая модель, которая воспроизводит процессы в подсистеме при наличии амортизирующих подвесов редукторов, а также при их жестком закреплении на основании.

(¡1 ми мь Л Ж

Проведена линеаризация и построена линейная модель подсистемы для наиболее характерного случая, случая жесткого закрепления редукторов-. Построенные модели позволяют методом математического моделирования оценивать погрешности регулирования выходного давления при действии механических перегрузок. Для приближенной оценки этих погрешностей предлагается упрощенная методика, которая строится на основе линейной модели.

Погрешности регулирования выходного давления возникают в результате действия механических перегрузок на все четыре редуктора подсистемы. В линейной постановке суммарная погрешность может быть определена как сумма погрешностей, возникающих при действии перегрузок на каждый редуктор в отдельности. Рассматривается действие механических перегрузок поочередно на каждый из редукторов, и при упрощающих допущениях, которые состоят в пренебрежении малыми постоянными времени и некоторыми слабо влияющими связями, получаются аналитические зависимости, определяющие динамические возмущения в выходном давлении.

Механические перегрузки включают удары и вибрации. Числовой анализ показал, что влияние вибрационных перегрузок, характерных для данного объекта параметров, на точность поддержания выходного давления незначительно. Влияние ударных перегрузок значительно более существенно.

Выявлено, что наибольшая составляющая ошибки возникает за счет действия механических перегрузок на редукторы последней ступени. Примерно в равной мере влияют перегрузки, действующие на основной и управляющий редукторы. Действие перегрузок на редукторы первой и второй ступени проявляются в выходном давлении в значительно меньшей мере. Таким образом, преодолевать действие перегрузок следует, главным образом, на последней ступени. Полученные зависимости позволяют проследить влияние на значение этих погрешностей конструктивных параметров и назначить меры, уменьшающие данные погрешности. Эти меры состоят в соответствующем подборе параметров, а также могут состоять в рекомендациях по выбору конструкции редуктора.

Проведены экспериментальные исследования функционирования подсистемы регулирования давления. Целью экспериментов был анализ возможности принятия тех допущений, при которых были построены методики расчета характеристик подсистемы и выбора ее параметров.

Исследование влияния взаимосвязи ступеней регулирования на устойчивость подсистемы производился в следующем порядке. Первоначально была реализована одноступенчатая система регулирования давления. Тип редуктора (АР-058) и параметры его включения подобраны таким образом, чтобы эта одноступенчатая система имела малые запасы устойчивости. При действии возмущающих воздействий, подачи на вход давления, включения и выключения расхода рабочего тела на потребитель в системе возникали высокочастотные движения, которые затухали за время 0,3-0,45 с. Система была устойчива, но запасы устойчивости невелики.

Затем к этой одноступенчатой системе была подсоединена вторая ступень. При этом сохранены давление рабочего тела на входе в систему, давление настройки первой ступени, величина расхода газа в установившемся режиме. Вторая ступень при независимом включении была устойчива. Эксперименты с двухступенчатой системой показали, что возникающие при возмущениях высокочастотные движения по-прежнему затухают, но время затухания возросло до 2 с. При подключении третьей ступени время затухания еще увеличилось (до 3 е.). Таким образом, при подключении к первой ступени второй и третьей ступеней регулирования система сохранила устойчивость, но запасы устойчивости заметно уменьшились. Это подтверждают результаты аналитического исследования: взаимосвязь между редукторами ступеней негативно влияет на запасы устойчивости, но это влияние не является определяющим.

Далее в цепь низкого давления первой ступени трехступенчатой системы была подключена полость объемом 1-Ю"3 м\ В результате высокочастотные движения при возмущениях практически исчезли, что подтвердило эффективность данного способа повышения запасов устойчивости трехступенчатой системы.

Было также экспериментально проведено сравнение статической характеристики независимо включенной второй ступени регулирования и ее статической характеристики в условиях включения в трехступенчатую систему. Выявлено, что эти изменения весьма незначительны, что подтвердило возможность практического использования предложенной упрощенной методики построения статической характеристики трехступенчатой системы регулирования давления.

Таким образом, получено экспериментальное обоснование для предложенных в работе методик анализа характеристик и выбора параметров подсистемы регулирования давления.

Основные результаты работы.

1. На основе анализа особенностей системы регулирования давления и температуры газообразного топлива, питающего энергоустановку газотепловоза, определены основные задачи, подлежащие решению на начальной стадии разработки, и сформирован алгоритм, отражающий последовательность решения этих задач.

2. Предложена методика формирования структуры системы газоснабжения, определяющая число и последовательность включения ступеней регулирования давления и температуры газа, а также основные требования к характеристикам этих ступеней.

3. Определен порядок формирования подсистемы регулирования температуры газообразного топлива; построена система математических моделей, на основе которых строятся расчеты характеристик подсистемы и определяются конструктивные параметры, обеспечивающие заданные свойства подсистемы; построены методики этих расчетов, иллюстрированные числовыми примерами.

4. Проведен сравнительный анализ двух альтернативных вариантов построения системы подогрева топлива, сформулирована система оценок этих вариантов, позволяющая произвести выбор варианта в соответствии с конкретными условиями технического давления.

5. Предложена методика формирования подсистемы регулирования давления газа; построена система математических моделей, обеспечивающая решение задач анализа характеристик и выбора параметров подсистемы; определена методика расчета статической характеристики многоступенчатой подсистемы регулирования давления; дана методика формирования подсистемы, обеспечивающая устойчивость рабочих режимов функционирования.

6. Проведены экспериментальные исследования, подтвердившие возможность тех упрощений, которые были приняты в методиках оценки точности и устойчивости подсистемы регулирования давления.

7. Построена методика оценки влияния подвижности основания на точность функционирования многоступенчатой системы регулирования давления. Даны рекомендации по уменьшению степени этого влияния.

8. С использованием разработанных в диссертации алгоритмов и методик расчета были спроектированы и изготовлены регуляторы давления газа АР-218, АР-171, АР-171-01, АР-222, АР-058, а также теплообменники ТО-01, ТО-02. На базе их создана и внедрена в эксплуатацию система газоснабжения, включающая подсистемы регулирования давления и температуры. Система обеспечивает подачу природного газа в энергоустановку газотепловоза ТЭМ18Г-001.

Представленные в диссертации результаты составляют теоретическую основу для решения задач выбора структуры и расчета основных параметров системы регулирования параметров газообразного топлива для энергоустановки газотепловоза на ранних стадиях разработки.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Арзуманов А.Ю., Чекмазов В.И. Выбор структуры газоснабжения энергоустановки газотепловоза II Изв. ТулГУ. Сер. вычислительная техника. Информационные технологии. Системы управления. Том 1. Вып. 1. Системы управления. - Тула. Изд-во ТулГУ, 2003. С. 36-42.

2. Арзуманов А.Ю., Арзуманов Ю.Л., Халатов Е.М. Анализ функционирования устройств пневмоавтоматики // Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке. — СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2003.

3. Арзуманов А.Ю., Чекмазов В.И., Халатов Е.М, Методика упрощенной оценки статической точности многоступенчатых систем регулирования давления. -М„ 2004. - 10 с. - Деп. в ВИНИТИ № 1273-В-2004.

4. Арзуманов А.Ю., Халатов Е.М., Чекмазов В.И. Анализ схем регулирования температуры газа в системе газоснабжения газотепловоза // Гидропневмоавтоматика и гидропривод — 2005: Сб. научных трудов. — Ковров: КГТА, 2006. — С. 282-289.

5. Арзуманов А.Ю., Чекмазов В.И., Халатов Е.М. Методика расчета и анализ характеристик трехступенчатой системы регулирования давления. — М., 2005. - 10 с. - Деп. в ВИНИТИ № 371-В-2005.

6. Арзуманов А.Ю., Халатов Е.М., Чекмазов В.И. Анализ влияния подвижности основания на функционирование подсистемы регулирования давления газотепловоза // Гидравлические машины, гидроприводы, гидропневмоавтоматика. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2005. - С. 211-220.

7. Арзуманов А.Ю., Халатов Е.М., Чекмазов В.И. Динамическая модель теплообменного аппарата в системе газоснабжения энергоустановки газотепловоза // Гидравлические машины, гидропневмоприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития. — СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2006.

8. Арзуманов А.Ю., Халатов Е.М., Чекмазов В.И. Разработка методик проектировочных расчетов систем регулирования давления на природном газе: На-учно-техн. отчет, — КБ "Арматура" ГКНПЦ им. М. В. Хруничева, 2001. - 53 с.

9. Арзуманов А.Ю., Халатов Е. М., Чекмазов В. И. Построение математических моделей систем регулирования давления на природном газе при различных режимах эксплуатации: Научно-техн. отчет. — КБ "Арматура" ГКНПЦ им. М.В .Хруничева, 2001. - 25 с.

Изд. лиц. № 020354 от 05.06.97 г. Подписано в печать 19.05.2006 г. Формат 60x84/16. Бумага писчая №1. Гарнитура «Тайме». Печать офсетная. Усл.печ.л. 1,5. Уч.-изд.л. 1,51. Тираж 100 экз. Заказ № 540.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия им. В.А.Дегтярева» 601910, Ковров, ул.Маяковского, 19.

Введение.

Глава 1. Основные задачи и алгоритм формирования системы.

1.1. Объект исследования и его особенности.

1.2. Подсистема регулирования температуры рабочего тела.

1.3. Подсистема регулирования давления.

1.4. Алгоритм формирования системы регулирования параметров газа.

Анализ энергетики промышленно развитых стран показывает, что в топливно-энергетическом комплексе на современном этапе все большее значение в качестве энергоносителя приобретает природный газ. Это определяется рядом факторов:

- большими разведанными запасами природного газа, которые на два порядка превышают разведанные запасы нефти;

- более простой технологией добычи и переработки природного газа, а, следовательно, более низкой его стоимостью по сравнению с продуктами нефтепереработки;

- большей экологической безопасностью энергоустановок, работающих на природном газе.

Поэтому многие государства мира, включая Россию, стремятся целенаправленно перестроить структуру топливно-энергетического баланса, снижая долю нефти и заменяя ее газом. К этому следует добавить, что Россия обладает 40 % мировых запасов природного метана.

Одним из важных направлений использования природного газа является его применение в качестве моторного топлива транспортных средств. Газобаллонные автомобили в настоящее время распространены достаточно широко, и их число в мире постоянно увеличивается. Весьма перспективным представляется использование природного метана в качестве моторного топлива газотепловозов. Замена на транспорте жидкого топлива природным газом целесообразно как с технико-экономической, так и с экологической точки зрения. Например, замена одного маневрового дизельного тепловоза газотепловозом позволяет сэкономить в год около 70 тонн дефицитного дизельного топлива, которое замещается значительно более дешевым природным метаном. При этом значительно улучшается экологическая обстановка в районе эксплуатации газотепловоза, поскольку выбросы токсичных веществ по окислам углерода при применении природного газа уменьшаются в 1,4 раза, а по окислам азота в 2,5 раза.

Запас газообразного топлива располагается на транспортном средстве в газобаллонном источнике под высоким давлением. По мере расходования топлива давление, а также температура газа в источнике уменьшается. На вход энергетической установки должен быть подан газ определенных величин давления и температуры. Подача топлива от газобаллонного источника к энергетической установке транспортного средства осуществляется через систему газоснабжения. Такая система может иметь весьма развитую структуру и включать значительное число элементов газовой арматуры.

Достаточно сложной является система газоснабжения энергетической установки газотепловоза, которая по сути является многоступенчатой системой регулирования давления и температуры газа. Весьма своеобразной является последняя ступень регулирования давления, которая обеспечивает управление расходом газового метана, питающего энергоустановку в соответствии с ее энергетическими потребностями.

Одним из наиболее ответственных этапов разработки является начальное формирование системы, когда необходимо обоснованно выбрать структуру всей системы, сформулировать требования к ее подсистемам, рассчитать основные параметры ее элементов. Успешное выполнение данного этапа во многом определяет высокое качество создаваемого объекта, сокращает сроки его разработки. Представляемые в настоящей работе результаты исследований направлены на повышение качества реализации этапа начального формирования системы регулирования параметров газообразного топлива, питающего энергоустановку газотепловоза.

Объектом исследования настоящей диссертации является система регулирования давления и температуры газообразного топлива, питающего энергетическую установку газотепловоза. К настоящему времени опыт разработки таких устройств является ограниченным, фактически не существует отработанной системы их синтеза, отсутствуют рекомендации по формированию их структуры, не разработаны методы расчета, обеспечивающие выбор конструктивных параметров в соответствии с требованиями технического задания, незначителен опыт экспериментальной отработки этих систем.

Актуальность работы определяется экономической и экологической целесообразностью внедрения в технику железнодорожного транспорта газотепловозов, работающих на природном метане.

Целью исследования является создание системы начального формирования объекта исследования, которая обеспечит обоснованный выбор структуры построения объекта и расчет основных его параметров в соответствии с требованиями к его техническим характеристикам.

Возможности заимствования опыта разработки систем газоснабжения для других областей техники ограничены, поскольку объект исследования достаточно своеобразен. Назовем несколько наиболее характерных особенностей рассматриваемой системы:

1) система реализует одновременное регулирование давления и температуры газа;

2) регулирование давления и температуры является многоступенчатым и многоконтурным;

3) в системе предусмотрено управление расходом потребляемого газа;

4) диапазон изменения давления и температуры газа в газобаллонном источнике весьма широк (25,0-И,5 МПа, 223-7-323 К);

5) система функционирует на подвижном основании в условиях действия механических перегрузок.

Разработка методик выбора структуры и расчета параметров объекта исследования с учетом всех названных особенностей его устройства и условий эксплуатации составляет новую научную задачу, имеющую важное практическое значение.

Для достижения поставленной в работе цели необходимо решение следующих задач:

- на основе анализа особенностей объекта исследования и условий эксплуатации сформулировать основные задачи его формирования;

-7- определить последовательность выполнения задач формирования объекта, создав таким образом алгоритм данного этапа разработки;

- построить математические модели, обеспечивающие решение отдельных задач анализа характеристик и выбора параметров объекта;

- разработать методики реализации процедур синтеза объекта;

- создать методики экспериментальных исследований и провести эксперименты по выявлению практической приемлемости разработанных методик анализа и синтеза элементов системы.

Предмет исследования, в соответствии с поставленной целью работы, составляют методики анализа и синтеза системы регулирования параметров газа, питающей энергетическую установку газотепловоза, математические модели, отражающие функционирование системы в различных условиях эксплуатации, статические и динамические характеристики подсистем объекта исследования, алгоритмы и программные средства, обеспечивающие решение задач синтеза объекта.

Решение задач, поставленных в диссертации, основывается на теории систем пневмогазоавтоматики, построенной трудами многих отечественных и зарубежных авторов. Назовем здесь лишь те работы, которые в наибольшей мере явились теоретической базой настоящей работы.

Методы построения математических моделей устройств пневмогазоавтоматики, методики анализа их характеристик даются в работах Е. В. Герц, Г. В. Крейнина [16], Б. М. Подчуфарова [31, 32], Ю. Б. Подчуфарова [33], В. В. Саяпи-на [43], В. А. Чащина [49,36] и др. При построении математического описания процессов в теплообменных аппаратах использовались модели, разработанные в теории теплопередачи и представленные в известных учебных изданиях [22, 28], а также в работах Г. А. Дрейцера и В. А. Кузьминова [18]. Методы проектирования систем газоавтоматики и их элементов представлены в работах Ю. JI. Арзуманова, Е. М. Халатова и др. [1, 2].

Для решения задач настоящей диссертации потребовалось достижения теории устройств газоавтоматики применить к новому техническому объекту, доработать модели и методы, которая дает эта теория, в соответствии с названными выше особенностями объекта исследования, построить новые методики анализа и синтеза.

Научная новизна диссертации состоит в следующем: построена методика выбора структуры и расчета основных параметров многоступенчатой системы регулирования давления и температуры природного газа, обеспечивающей газоснабжение энергоустановки газотепловоза, предложен алгоритм формирования объекта, построены математические модели, учитывающие особенности объекта исследования, разработаны методики реализации процедур синтеза объекта, выявлены особенности характеристик объекта исследования, которые следует учитывать при его разработке.

На защиту выносятся следующие результаты:

- алгоритм формирования объекта исследования;

- методика выбора структуры системы регулирования давления и температуры;

- методика расчета параметров подсистемы регулирования температуры, результаты сравнительного анализа различных схем реализации этой подсистемы;

- методика и результаты анализа характеристик, методика выбора параметров многоступенчатой подсистемы регулирования давления газа;

- методика анализа погрешностей многоступенчатой системы регулирования давления, связанные с динамическими перегрузками при движении газотепловоза.

Обоснованность и достоверность научных результатов определяется:

- использованием при построении математических моделей и методов исследования фундаментальных физических законов, а также основных положений теории пневмоавтоматических систем;

- соответствием результатов разработки систем регулирования давления и температуры газообразного топлива на основе предложенного подхода результатам эксперимента и опытной отработки;

-9- положительным опытом внедрения разработанных систем регулирования параметров газа в систему газоснабжения газотепловоза.

Практическая полезность работы состоит в повышении качества проектирования систем газоснабжения газотепловозов, улучшении характеристик вновь создаваемых систем, сокращении сроков их разработки.

Разработанные методики анализа и синтеза систем регулирования параметров природного газа, а также полученные в ходе разработки новые технические решения внедрены в процессе создания системы газоснабжения, обеспечивающей подачу природного газа в энергоустановку газотепловоза ТЭМ18Г-001.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции "Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке" (г. Санкт-Петербург, 2003 г.), на III международной научно-технической конференции "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика" (г. Санкт-Петербург, 2005 г.), на научно-технических конференциях Тульского государственного университета (2003-2005 г.г.), на научно-технических конференциях в Ковровской государственной технологической академии (20032005 г.г.). По теме диссертации опубликованы 6 научных работ, выпущены 2 научно-технических отчета.

Диссертация содержит три главы.

В первой главе с учетом особенностей объекта исследования сформулированы основные задачи его формирования, определен порядок их решения и, таким образом, построен алгоритм синтеза системы на начальном этапе разработки, предложена методика выбора структуры объекта.

Во второй главе построена методика формирования подсистемы регулирования температуры газообразного топлива. Проведен анализ функциональных возможностей двух различных схем построения данной подсистемы. Построены математические модели, отражающие характеристики основных элементов подсистемы, даны методики расчета характеристик и выбора параметров подсистемы.

- 10В третьей главе построена методика расчета характеристик подсистемы регулирования давления, имеющей многоступенчатую, характерную для рассматриваемого объекта, структуру. Даны математические модели и методики, позволяющие оценивать точность и устойчивость рабочих режимов подсистемы, выбирать конструктивные параметры в соответствии с техническими требованиями по точности и устойчивости, учитывать влияние динамических перегрузок, связанных с движением транспортного средства. Представлены результаты экспериментальных исследований, подтвердивших возможность принятия ряда упрощающих допущений при построении моделей и формировании расчетных методик.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации. л >

1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ

СИСТЕМЫ.

Основные результаты работы.

1. На основе анализа особенностей системы регулирования давления и температуры газообразного топлива, питающего энергоустановку газотепловоза, определены основные задачи, подлежащие решению на начальной стадии разработки, и сформирован алгоритм, отражающий последовательность решения этих задач.

2. Предложена методика формирования структуры системы газоснабжения, определяющая число и последовательность включения ступеней регулирования давления и температуры газа, а также основные требования к характеристикам этих ступеней.

3. Определен порядок формирования подсистемы регулирования температуры газообразного топлива; построена система математических моделей, на основе которых строятся расчеты характеристик подсистемы и определяются конструктивные параметры, обеспечивающие заданные свойства подсистемы; построены методики этих расчетов, иллюстрированные числовыми примерами.

4. Проведен сравнительный анализ двух альтернативных вариантов построения системы подогрева топлива, сформулирована система оценок этих вариантов, позволяющая произвести выбор варианта в соответствии с конкретными условиями технического давления.

5. Предложена методика формирования подсистемы регулирования давления газа; построена система математических моделей, обеспечивающая решение задач анализа характеристик и выбора параметров подсистемы; определена методика расчета статической характеристики многоступенчатой подсистемы регулирования давления; дана методика формирования подсистемы, обеспечивающая устойчивость рабочих режимов функционирования.

6. Проведены экспериментальные исследования, подтвердившие возможность тех упрощений, которые были приняты в методиках оценки точности и устойчивости подсистемы регулирования давления.

- 1437. Построена методика оценки влияния подвижности основания на точность функционирования многоступенчатой системы регулирования давления. Даны рекомендации по уменьшению степени этого влияния.

8. С использованием разработанных в диссертации алгоритмов и методик расчета были спроектированы и изготовлены регуляторы давления газа АР-218, АР-171, АР-171-01, АР-222, АР-058, а также теплообменники Т0-01, Т002. На базе их создана и внедрена в эксплуатацию система газоснабжения, включающая подсистемы регулирования давления и температуры. Система обеспечивает подачу природного газа в энергоустановку газотепловоза ТЭМ18Г-001.

Представленные в диссертации результаты составляют теоретическую основу для решения задач выбора структуры и расчета основных параметров системы регулирования параметров газообразного топлива для энергоустановки газотепловоза на ранних стадиях разработки.

- 142-Заключение

1. Арзуманов Ю. JL, Петров Р. А., Халатов Е. М. Системы газоснабжения и устройства пневмоавтоматики ракетно-космических комплексов. - М.: Машиностроение, 1997,464 с.

2. Арзуманов 10. Л., Халатов Е. М., Петров Р. А., Артемов В. П. Редукторы давления газовые. Методика расчета на ЭВМ. ОСТ 92-9184-79-1979.

3. Арзуманов А. Ю., Арзуманов Ю. Л., Халатов Е. М. Анализ функционирования устройств пневмоавтоматики. Сб. Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке. Санкт-Петербург, изд-во Политехнического университета, 2003.

4. Арзуманов А. Ю., Чекмазов В. И., Халатов Е. М. Методика упрощенной оценки статической точности многоступенчатых систем регулирования давления. М. Деп. В ВИНИТИ № 1273-В-2004, 10 с.

5. Арзуманов А. Ю., Халатов Е. М., Чекмазов В. И. Анализ схем регулирования температуры газа в системе газоснабжения газотепловоза. В кн. Гидропневмоавтоматика и гидропривод 2005. Сб. научных трудов. Ковров: КГТА, 2005.

6. Арзуманов А. Ю., Чекмазов В. И., Халатов Е. М. Методика расчета и анализ характеристик трехступенчатой системы регулирования давления. М.: Деп. В ВИНИТИ № 371-В-2005,10 с.

7. Автомобильные материалы. Справочник инженера механика. М.: Транспорт, 1971,296 с.

8. Баясанов Д. Б., Ионин A. JI. Распределительные системы газоснабжения. М., Стройиздат, 1977,407 с.

9. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического управления. М.: Наука, 1975, 992 с.

10. Бугаенко В. Ф. Пневмоавтоматика ракетно-космических систем. / Под ред. Акад. Будника В. С. М.: Машиностроение, 1979, 168 с.

11. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наук, 1972, 720 с.

12. Васильева JI. С. Автомобильные эксплуатационные материалы. М.: Транспорт, 1986,256 с.

13. Герц Е. В., Крейнин Г. В. Расчет пневмоприводов. Справочное пособие. М., Машиностроение, 1975, 272 с.

14. ГОСТ 30631-99 Межгосударственный стандарт. Общие требования к машинам, приборам и другим техническим изделиям в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам при эксплуатации.

15. Дрейцер Г. А., Кузьминов В. А. Расчет разогрева и охлаждения трубопроводов. М.: Машиностроение, 1977, 128 с.

16. Емцев Б. Т. Техническая гидромеханика. М.: Машиностроение, 1987,440 с.

17. Ермилов В. А., Николаев 10. В., Яровой В. г. Некоторые вопросы проектирования газовых редукторов// пневмоавтоматика. -М.: Наука, 1978, с. 316-317.

18. Ермилов В. А., Нестеренко 10. В., Николаев в. Г. Газовые редукторы. JL: Машиностроение, 1981, 174 с.

19. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. М.: Энергия, 1969,440 с.- 14623. Ионин A. JI. Газоснабжение: Учеб. для вузов. М.: Стройиздат, 1989,434 с.

20. Мамонтов М. А. Вопросы термодинамики тела переменной массы. М.: Оборонгиз., 1961, 148 с.

21. Методы классической и современной теории автоматического управления. Учебник в 3-х т. Т.1 / Под ред. Н. Д. Егупова. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000, 748 с.

22. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия,1973.

23. Моисеев Н. Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1970, 487 с.

24. Нащокин В. В. Техническая термодинамика и теплопередача. М. Высшая школа, 1975, 496 с.

25. Основы автоматического управления ядерными космическими энергетическими установками / Под ред. Б. Н. Петрова. М.: Машиностроение, 1974, 380 с.

26. Основы построения математических моделей систем пневмоавтоматики. Учебное пособие /10. JI. Арзуманов и др. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002, 128 с.

27. Подчуфаров Б. М., Подчуфаров 10. Б. Тепломеханика: Учеб. пособие / ТулПИ, Тула, 1985,104 с.

28. Подчуфаров Б. М. Тепломеханика: Учеб. пособие, ТулПИ, Тула, 1984,100 с.

29. Подчуфаров Ю. Б. Подобие функционирования пружинных редукторов давления в установившемся рабочем режиме. В кн.: Динамика и точность функционирования тепломеханических систем. - Тула: ТулПИ, 1973, вып. 4, с 147-150.

30. Пневмопривод систем управления летательных аппаратов / В. А. Чащин, О. Г. Камладзе, А. Б. Кондратьев и др. М.: Машиностроение, 1987, 248 с.

31. Подчуфаров 10. Б., Мозжечков В. А. Физическое моделирование систем автоматического регулирования : Учеб.пособие. Тула: ТулПИ, 1984, 76 с.

32. Плотников В. М., Подрешетников В. А., Дроздов А. П., Гончаров В. У. Регуляторы давления газа. JL: Недра, 1982, 125 с.

33. Пневматические устройства и системы в машиностроении. Справочник / Под общей ред. Герц Е. В. М.: Машиностроение, 1981,408 с.

34. Подчуфаров Б. М., Чернова М. Б., Грязев М. В. Математические модели автоматических систем. Пневмомеханические системы. Учебное пособие. Тула, ТПИ, 1988, 80 с.

35. Попов Д. Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем. М.: Машиностроение, 1976,424 с.

36. Саклаков Ю. П. Функционирование газового редуктора давления, корпус которого подвижен. В кн.: Динамика и точность функционирования тепломеханических систем. Тула, 1973, вып. 4, с 150-157.

37. Саяпин В. В. Пневматические приводы летательных аппаратов. М.: МАИ, 1984,51 с.

38. Стаскевич Н. JL, Северинец Г. Н., Выгдоргин Д. Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа. JL: Недра, 1990, 762 с.

39. Седов JI. И. Методы подобия и размерности в механике. М., Наука, 1967, 428 с.

40. Теплообмен в энергетических установках космических аппаратов / Под ред. В. К. Кошкина. М.: Машиностроение, 1975, 272 с.

41. Чащин В. А. Элементы пневмоавтоматики. М.: МАИ, 1980, 54 с.

42. Чекмазов В. И., Пономарев В. JI. Сравнительная оценка погрешностей динамических моделей пневматического сервомеханизма. В кн.: Моделирование и оптимизация систем автоматического управления и их элементов. Тула: ТулПИ, 1984, с 109-115.

43. Чекмазов В. И. Некоторые вопросы динамики пневматического редуктора давления. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 1966, №8, с 115-119.

44. Чекмазов В. И. Методические основы разработки систем моделей тепломеханических устройств. // Газовые приводы и системы управления. Сборник научных трудов. Тула, ТПИ, 1983, с. 3-8.

45. Шорников Е. Е. Проектирование силовых систем управления. Тула: ТулПИ, 1970, 146 с.

46. Шорников Е. Е. К проектированию пневматических силовых систем. // Теория машин-автоматов и пневмо-гидроприводов. -М.: Машиностроение, 1970, с. 247-258.

47. Шпильрайн Э. Э., Кессельман П. М. Основы теории теплофизических свойств веществ. М.: Энергия, 1977.

48. Эдельман А. И. Редукторы давления газа. М.: Машиностроение, 1980,167 с.