Повышение эксплуатационных качеств тепловоза путём модернизации бортовой системы диагностики

Диплом Тема дипломного проектирования: Повышение эксплуатационных качеств тепловоза путём модернизации бортовой системы диагностики

В настоящее время на железнодорожном транспорте находят широкое применение микропроцессорные системы управления. Достижения микропроцессорной техники позволяют, при сравнительно низкой себестоимости системы управления, реализовывать сколь угодно сложные алгоритмы управления и задавать любые взаимосвязи между сигналами.

Так например, на ОАО ХК «Коломенский завод» построен магистральный пассажирский тепловоз нового поколения ТЭП70БС с системой электроснабжения поезда. В рамках проектно-конструкторских работ специалистами Всероссийского научно-исследовательского и конструкторско-технологического института подвижного состава (ВНИКТИ, г. Коломна) создана микропроцессорная система управления, регулирования и диагностики тепловозов (МСУ-Т), а также технический проект оборудования этой системой нового локомотива. В ноябре 2003 г. успешно завершены приемо-сдаточные заводские испытания тепловоза ТЭП70БС. В настоящее время он готовится к сертификационным испытаниям в Научно-испытательном центре ВНИИЖТа (ст. Щербинка).

Детальное знакомство с основными принципами работы системы МСУ-Т представляет практический интерес в связи с тем, что ОАО ХК «Коломенский завод» планирует начать серийный выпуск тепловозов ТЭП70БС, а также постепенно перейти на выпуск серийных ТЭП70, оборудованных созданной системой.

Из ряда микропроцессорных систем управления и регулирования электрической передачей тепловозов (МСКУ-1, АСУ «Локомотив», УСТА), разработанных специалистами ВНИКТИ, система МСУ-Т отличается более совершенной элементной базой. Использование современных научно-технических разработок обеспечивает высокие потребительские качества системы МСУ-Т, которые соответствуют лучшим зарубежным аналогам.

Применение системы МСУ-Т на тепловозе позволило исключить из схемы его управления все промежуточные реле включения исполнительных аппаратов тепловоза, а также реле времени. Установка в кабине машиниста дисплейных модулей (ДМ) предоставила возможность отказаться от использования пультовых амперметров, электроманометров и термометров, за исключением приборов контроля тормозного оборудования.

Теперь, находясь в кабине, локомотивная бригада имеет возможность контролировать на ДМ практически все параметры основных и вспомогательных систем тепловоза. В случае возникновения какой-либо неисправности, а также при несанкционированной работе исполнительного аппарата и выходе за предельно допустимое значение любого из опрашиваемых параметров, на ДМ индицируется аварийно-предупредительное сообщение с указанием неисправности.

Следует отметить, что принятые технические решения позволили максимально автоматизировать процесс управления тепловозом, но, тем не менее, первоначальное задающее управляющее воздействие по изменению режима его работы всегда инициируется машинистом.

На тепловозе ТЭП70БС система МСУ-Т выполняет большой перечень функций. В частности, она бесконтактно управляет электрической схемой тепловоза во всех режимах его работы (т.е. действием исполнительных аппаратов система управляет непосредственно с помощью электронных транзисторных ключей, а все промежуточные реле исключены из электрической схемы). Пуск и остановка дизеля осуществляются по команде машиниста.

Система отслеживает все временные интервалы, которые требуются для пусковой операции в соответствии с техническими условиями на дизель. Его пуск блокируется при включенном валоповоротном механизме, отсутствии давления масла и топлива до окончания времени предпусковой прокачки маслом, при установке контроллера машиниста на позицию, отличную от нулевой, а также наличии сигнала «Пожар». Дизель автоматически останавливается тогда, когда появляется сигнал «Пожар», отсутствуют сигналы с блокировок газового пожаротушения и реле РДМ4, возникают сигналы о давлении газов в картере и «Аварийный останов дизеля».

Частота вращения коленчатого вала задается в зависимости от позиции контроллера машиниста. Автоматически снимается нагрузка с дизеля при превышении предельно допустимой температуры воды и масла, пропорционально количеству отключенных тяговых двигателей снижается мощность, снимаемая с зажимов тяговой выпрямительной установки. Турбокомпрессор защищается от помпажа при резком сбросе позиций. Это достигается за счет опережающего снижения напряжения на тяговом генераторе по сравнению с уменьшением частоты вращения коленчатого вала дизеля.

Обеспечиваются управление электроснабжением поезда, выдача сигналов задания напряжений в локальные микропроцессорные управления возбуждением тягового и вспомогательного генераторов. Формируются внешние и нагрузочные характеристики тягового генератора в зависимости от частоты вращения коленчатого вала дизеля, а также в соответствии с ТУ на дизель-генератор и тяговые двигатели. Используется вся свободная мощность силовой установки на тягу и электроснабжение поезда за счет включения в контур регулирования мощности координаты положения индуктивного датчика гидромеханического регулятора дизеля.

Автоматически ограничиваются напряжение и ток тягового генератора, тяговых двигателей в режимах тяги и электрического торможения, ведется защита силовых выпрямительных установок от перегрузок. Также автоматически выполняются контроль изоляции низковольтных и силовых цепей, сброс нагрузки при нарушении изоляции силовых цепей, управление контакторами ослабления возбуждения тяговых двигателей.

С помощью системы осуществляется управление электрическим торможением тепловоза от контроллера машиниста и от тормозного крана № 395, формирование характеристик электрического тормоза с учетом заданных ограничений, взаимодействие электрического и пневматического тормозов. Автоматически выполняется замещение электрического тормоза пневматическим при неисправностях или низкой эффективности первого. Поддерживается заданная контроллером машиниста скорость движения поезда при электрическом торможении тепловоза. Обеспечивается проверка исправности электрического тормоза на остановленном тепловозе. Также автоматически ведется защита от боксования, юза и срыва шестерни тягового двигателя002E

Система регулирует напряжение генератора электроснабжения по заданной характеристике при включенном и выключенном электроснабжении поезда. Она управляет перераспределением мощности между тяговым генератором и генератором электроснабжения поезда на рабочих позициях контроллера машиниста. Автоматически задается режим работы электропривода тормозного компрессора, регулируется напряжение стартер-генератора, работающего в режиме генератора напряжения бортовой сети тепловоза. Обеспечиваются автоматическая защита электрооборудования тепловоза в различных режимах работы, управление автопрогревом дизеля в холодное время года.

Важная функция МСУ-Т — автоматическая диагностика основного и вспомогательного оборудования тепловоза. Микропроцессорная система выдает на ДМ сообщения о неисправностях оборудования и отклонениях параметров систем тепловоза от нормы. По запросу обслуживающего персонала на ДМ отображаются параметры основного и вспомогательного оборудования тепловоза.

Таким образом, для повышения эксплуатационных качеств тепловоза, достаточно ввести в систему управления дополнительные датчики тех величин, учёт которых позволяет повысить надежность, экономичность и более эффективно использовать тепловоз.

1. Датчики, которые требуется установить на тепловоз

Таблица № 1.1

Для контроля состояния аккумуляторной батареи, сигналы от амперметра должны быть интегрированы по времени. После чего зависимость напряжения на батареи от ампер-часов полученных или затраченных батареей должны быть сопоставлены с образцовыми зависимостями, хранящимися в памяти микропроцессорного устройства. Результат сопоставляется и является оценкой состояния аккумуляторной батареи.

Принципы контроля состояния тяговых электрических машин, которые могут быть положены в основу работы датчика, следующие:

-измерение подведённой к машине электрической мощности и расчёт выделения тепла с использованием характеристик тяговых электрических машин.

— измерение температуры частей тяговых электрических машин через температуру и расход охлаждающего воздуха.

— непосредственное измерение температуры, путём установки датчиков.

— измерение температуры по косвенным признакам, таким как изменение характеристик тяговых электрических машин вследствие перегрева (наиболее перспективный метод).

В качестве датчиков измеряющих параметры окружающей среды используем датчики на основе резонаторов Гельмгольца. Резонаторы Гельмгольца представляют собой акустические резонаторы с сосредоточенными параметрами. Благодаря их форме колеблющейся массой системы оказывается масса газа, заключённого в трубе, в которой частицы газа движутся с относительно высокой скоростью. Акустический термометр имеет замкнутый резонатор (обычно трубчатый, заполненный газом постоянного состава) с резонансной частотой. Для получения прямого отсчета температуры в широком диапазоне ее изменения необходимо в частотно-измерительное устройство ввести блок, осуществляющий операцию возведения в квадрат. Достоинством акустических термометров является возможность достижения высокой точности измерения. Акустический манометр. Жидкость, поступающая в резонатор снизу, сжимает находящийся в нем газ до тех пор, пока давление газа не уравновесит измеряемого давления. резонансная частота прямо пропорциональна измеряемому давлению, зависимость от температуры требует применения корректирующих устройств. При давлениях выше 15—20 arm необходимо учитывать отклонение свойств сжатого газа от свойств идеального газа .

Для контроля состояния экипажной части используют акселерометры (датчики ускорения). Акселерометры относятся к одной из разновидностей струнных датчиков. Принцип действия струнных датчиков основан на зависимости собственной частоты колебаний натянутой струны от её длины, массы и силы натяжения. В конструкции датчика используется дифференциальное включение двух струн и работа в режиме заданной силы, а также автоколебательное возбуждение струн с помощью усилителей, располагаемых внутри датчика.

2. Частотные датчики для измерения неэлектрических величин на основе LC-генераторов

Методы построения LC-генераторов. В большинстве случаев при построении частотных датчиков находят применение генераторы с параллельными LC-контурами. В реальных схемах наряду с простейшим двухэлементным контуром часто используются трехи четырехэлементные резонансные контуры, позволяющие уменьшить связь частотозадающей цепи с усилителем, и таким образом повысить стабильность частоты. В технической литературе схемы 1 и 2 часто называют индуктивными трехточечными схемами или схемами Хартли, схемы V и VI — емкостными трехточечными схемами или схемами Колпица, а генераторы с контурами III и IV называют генераторами Лапкина и с контурами VII и VIII — генераторами Клаппа. Таким образом, минимальные значения коэффициентов pl и р2 ограничены крутизной используемого усилителя. Чаще других при построении частотных датчиков находят применение генераторы по схеме Клаппа или Лапкина. На практике используются и другие генераторы. Полупеременный резистор позволяет установить нужную величину фактора регенерации путем регулировки связи усилителя с контуром или путем регулировки отрицательной обратной связи в самом усилителе.

Погрешности, вносимые LC-генератором в общую погрешность датчика, складываются из нестабильности и нелинейности.

Нестабильность частоты LC-генератора вызывается изменением параметров избирательной цепи (емкости, индуктивности, добротности контура) и изменением характеристик усилителя (фазового сдвига, входных и выходных емкостей и сопротивлений). В свою очередь причинами этих изменений являются изменения окружающей температуры, напряжения питания, а также нестабильность элементов генератора с течением времени. В настоящее время не составляет проблемы стабилизировать напряжение питания генератора и исключить тем самым соответствующую составляющую нестабильности частоты. Однако при испытаниях генератора имеет смысл отключать стабилизатор и снимать зависимость частоты от напряжения питания, так как эта зависимость характеризует влияние усилителя на частоту генератора. У лучших образцов LC-генераторов изменение напряжения питания на 10% вызывает изменение частоты порядка (2 / 5)10% или (2 /5) 105. У большинства LC-генераторов частота изменяется на (2/ 5) 10−2% при изменении напряжения питания на 10%.

Температурный коэффициент частоты генератора определяется в основном нестабильностью элементов LC-контура и при использовании конденсаторов и катушек индуктивности с весьма малыми температурными коэффициентами может быть снижен до величины порядка 2*10−2% на 10 град (2*10−5 1/град). Вообще же значения температурного коэффициента частоты LC-генераторов лежат в пределах (5/ 10) 10−2% на 10 град или (5/10) 10−5 1/град.

При использовании катушек индуктивности с ферритовыми сердечниками следует учесть, что температурный коэффициент магнитной проницаемости ферритов может достигать величины 5—7% на 10град. Значение температурного коэффициента имеет большой разброс от партии к партии при одной и той же марке материала и изменяется, кроме того, в диапазоне температур. Уменьшить температурный коэффициент индуктивности можно введением воздушного зазора в магнитопроводе. Зависимость индуктивности от температуры при этом уменьшается во столько же раз, во сколько индуктивность сердечника без зазора больше индуктивности сердечника с зазором. Нестабильность частоты LC-контура с катушкой индуктивности на ферритовом сердечнике с зазором может составлять примерно 0,1% на 10 град в диапазоне температур от 20 до 70° С .

При построении частотного датчика целесообразно не изменяющийся элемент контура подбирать с таким температурным коэффициентом, который скорректирует температурный коэффициент всего датчика в целом. Возможна также ручная подрегулировка этих элементов в соответствии с температурой. В силоизмерительном датчике с индуктивным первичным преобразователем подрегулировкой емкостей в зависимости от температуры окружающей среды удалось снизить температурную погрешность датчика в целом до (3/5) 10~ % на 10 град.

Для уменьшения нестабильности частоты следует по возможности изолировать генератор от влияния окружающей среды. Например, генератор описанного в работе датчика для измерения давления в трубопроводе помещался в скважину на глубину 3 м, где температура в течение года колебалась в пределах 4,5 + 0,9° С. Суточный дрейф частоты такого датчика не превышал 5−10−4 (0,05%). В частотном датчике, предназначенном для кондуктометрических измерений, катушка колебательного контура генератора по схеме Клаппа и дроссель в цепи катода лампы, намотанные на кварцевой трубке, вместе с лампой и переменным конденсатором находились внутри экрана с двойными стенками, между которыми пропускалась термостатированная вода. Кратковременная нестабильность частоты такого генератора составляла величину порядка 10−8 -10−9 (10−6 — 10−7%).

При прочих равных условиях стабильность частоты тем выше, чем выше добротность контура. Добротность определяется в основном потерями в катушке индуктивности. На (рис. 2.1) приведены экспериментально полученные значения добротности LC-контура при использовании катушек индуктивности с ферритовыми сердечниками в функции частоты при различных величинах воздушного зазора в магнито-проводе. Катушка индуктивности имела следующие данные: число витков обмотки 2 Х 50 из провода литцендрат 6 Х 0,07 мм, сердечник броневого типа диаметром 11 мм из марганцецинкового феррита с магнитной проницаемостью Ц = 2000. Зависимости, приведенные на (рис. 2.1), показывают, что диапазон наиболее выгодных рабочих частот генератора с катушками на ферритах равен 300 — — 1200 кГц. В этом диапазоне частот добротность контура составляет не менее 120 — 160.

На графике (рис. 2.2) представлены кривые добротности колебательного контура в функции изменения зазора Q = / (б) для частот 500 и 760 кГц. Как видно из графика, добротность мало меняется при изменении зазора от 100 до 700 мкм. Кривые, показывающие зависимость от частоты добротностей катушек индуктивности, выполненных на броневых сердечниках из карбонильного железа, можно найти в работе.

Зависимости добротности катушек индуктивности с ферритовыми сердечниками от частоты при различных величинах воздушного зазора в магнитопроводе.

Рис.2.1

Зависимости добротности LC-контура от длины воздушного зазора в магнитопроводе катушки индуктивности с ферритовым сердечником для частот 500 и 760 кГц

Рис.2.2

Исходя из условий получения максимальной добротности, нецелесообразно выходную частоту LC-генератора выбирать ниже, чем 100—200 кГц, а также увеличивать выше нескольких мегагерц. Дальнейшее повышение частоты возможно только при использовании катушек индуктивности без ферромагнитных сердечников.

В значительной мере, как уже указывалось, погрешность от нестабильности частоты может быть уменьшена при переходе к дифференциальным датчикам. Поэтому иногда даже при использовании недифференциального датчика целесообразно применять опорный генератор, такой же, как и генератор датчика, но с постоянными элементами избирательной цепи .

Нелинейность частотных датчиков на основе LC-генераторов вызывается как нелинейностью преобразования величин L или С (или величин, обратных им) в частоту, так и нелинейностью первичного преобразователя. Так, например, емкость в емкостном преобразователе за счет наличия паразитных емкостей изменяется не строго обратно пропорционально воздушному зазору между пластинами или прямо пропорционально площади перекрывающихся пластин. В индуктивном преобразователе идеальные зависимости искажаются за счет полей рассеяния и отличного от нуля магнитного сопротивления сердечника.

Методы уменьшения погрешности линейности могут быть следующими: а) использование индуктивных преобразователей с сердечниками, имеющими высокое качество магнитной цепи, и емкостных преобразователей с малыми паразитными емкостями; б) использование специальных первичных преобразователей; в) построение дифференциальных датчиков и рациональный выбор рабочего участка их характеристики.

Высокое качество магнитной цепи или малые паразитные емкости дают возможность увеличить эффективность преобразования индуктивного или емкостного преобразователя, что в свою очередь приводит к уменьшению погрешности линейности. Обычно значение для первичного преобразователя лежит в диапазоне 0,2 — 0,8. Последнее значение относится к хорошо спроектированным преобразователям.

Для повышения линейности зависимости частоты от измеряемой величины разработаны также специальные частотные датчики. В работе предлагается строить индуктивные преобразователи для частотных датчиков в виде катушки с разомкнутой магнитной цепью и цилиндрическим сердечником из магнитно-мягких ферритов, перемещающимся по оси катушки. Линеаризация характеристики датчика в этом случае достигается профилированной намоткой катушки.

В работах предлагаются бипараметрические датчики, в которых изменение измеряемой величины приводит к одновременному изменению зазора в магнито-проводе катушки индуктивности и расстояния между пластинами конденсатора. Поскольку в таком датчике изменяются оба элемента контура, то уменьшается его погрешность линейности, однако полной линейности не достигается вследствие неравенства единице эффективности преобразования обоих первичных преобразователей.

Погрешность линейности может быть также уменьшена путем построения таких первичных преобразователей, у которых одновременно изменяется и эффективная площадь полюсов и зазор между ними. Примеры подобных преобразователей приведены на (рис. 2.3). В преобразователе, показанном на (рис. 2.3,а.), выполненном на основе броневого ферритового сердечника, полюсы двух половин сердечника сделаны скошенными, За счет этого при воздействии измеряемого перемещения 8 изменяются одновременно и длина воздушного зазора в магнитопроводе и эффективное сечение полюсов.

Конструкции первичных преобразователей частотных датчиков на основе LC-генераторов, обеспечивающие уменьшение погрешности линейности

Рис. 2.3

Преобразователь, показанный на (рис. 2.3,б.), выполнен также на основе броневого ферритового сердечника, но с постоянным зазором между двумя его половинами. Перемещается в этом преобразователе ферритовый стержень, вставленный в центральное отверстие сердечника. В преобразователе на (рис. 2.3), в пластины емкостного преобразователя выполнены в виде круглых дисков с кольцевыми концентрическими выступами, что также способствует уменьшению погрешности линейности, так как с изменением д изменяется и эффективная площадь пластин и зазор между ними. Следует, однако, заметить, что вследствие того, что изготовление и настройка подобных специальных первичных преобразователей сложнее, чем преобразователей с прямыми полюсами, на практике часто отдают предпочтение последним, а для уменьшения нелинейности уменьшают изменение зазора.

Практические значения девиации частоты датчиков с LC-генераторами лежат обычно в диапазоне 5—20%. Иногда строят датчики и с отличными от этих значений девиациями частоты, что вызывается спецификой примененных преобразователей.

Примеры частотных датчиков на основе LC-генераторов. На (рис. 2.4) показана конструкция дифференциального индуктивного первичного преобразователя и принципиальная схема датчика, предназначенного для измерения перемещений в пределах 0—400 мкм катушки индуктивности L1 и L2 контуров генераторов Г1 и Г2 размещены в разных половинах броневого оксиферового сердечника типа СБ-30. Измерительная цепь датчика содержит смеситель См, фильтр Ф и выходной усилительный каскад ВК. При изменении измеряемого перемещения от 0 до 200 мкм разность частот генераторов, являющаяся выходной частотой датчика, изменяется от 300 до 900 Гц. Начальные частоты генераторов составляют примерно10 кГц. Меняя начальный зазор в магнитопроводе датчика, можно получать значения чувствительности в пределах от 0,5 до 6 Гц/мкм. На (рис. 2.5) представлен эскиз конструкции емкостного первичного преобразователя и принципиальная схема частотного датчика для измерения давления.

Конструкция индуктивного первичного преобразователя (а) и принципиальная схема (б) частотного датчика для измерения перемещений

Рис. 2.4

Конструкция емкостного первичного преобразователя (а) и принципиальная схема частотного датчика давления (б)

Рис. 2.5

Первичный преобразователь представляет собой фигурный стальной стакан 1, ввинчиваемый в резервуар, в котором контролируется давление. Дно стакана выполняется в виде стальной мембраны, толщина которой зависит от диапазона измеряемых давлений. На расстоянии 0,2 — 0,3 мм от мембраны внутри стакана устанавливается цилиндрическая металлическая пластинка 3, укрепленная на изоляционной втулке 2, притертой к внутренней поверхности стакана. На пластинку наклеивается тонкий листок слюды 4. Особенностью схемы этого датчика является присоединение емкостного преобразователя С1 к LC-контуру через согласующий (понижающий) трансформатор L1 — L2, что уменьшает влияние емкости соединительного кабеля на частоту генератора.

Применением этого трансформатора можно достичь того, что изменение емкости кабеля будет сказываться на частоте генератора в 20—30 раз меньше, чем изменение на такую же величину емкости датчика. Уменьшение влияния емкости кабеля возможно и при присоединении к контуру емкостного преобразователя при помощи автотрансформатора.

На (рис. 2.6) показана конструкция, и принципиальная схема одного канала двухканального дифференциального силоизмерительного датчика с индуктивным преобразователем. Измеряемое усилие (5 кН) деформирует овальный упругий элемент, что приводит к изменению зазоров в магнитопроводах четырех катушек индуктивности на величину 160 мкм, причем в двух катушках индуктивности зазор уменьшается, а в двух других — увеличивается. Принципиальная схема каждого из двух каналов датчика включает в себя два генератора, смеситель и выходной усилитель. Наличие двух независимых каналов увеличивает надежность работы измерительной системы. Начальные частоты генераторов лежат в диапазоне от 400 до 500 кГц. Выходная частота каждого канала при ненагруженном датчике может иметь одно из значений в диапазоне от 5 до 20 кГц и увеличивается ровно на 50 кГц при приложении к датчику номинального усилия.

На (рис. 2.7) изображена схема генератора, использованного при построении частотного микрометра. Последовательный резонансный контур в этом генераторе позволяет уменьшить влияние емкости провода, соединяющего контур с остальными элементами генератора.

Конструкция индуктивного первичного преобразователя (а) и принципиальная схема (б) частотного силоизмерительного датчика

Генератор частотного микрометра с последовательным LC-контуром.

Рис.2.7

3. Измерение давления

3.1 Общие сведения

Жидкие и газообразные вещества воздействуют с определенной силой на соприкасающиеся с ними тела. Величина этого воздействия, зависящая от свойств вещества и внешних факторов (температуры, сжатия и др.), характеризуется понятием давление.

Давлением называют отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности к площади поверхности при условии равномерного распределения силы по всей площади. Различают абсолютное и избыточное давление.

Абсолютное давление — это полное давление газа или жидкости с учетом всех действующих сил, в том числе давления атмосферного воздуха. Избыточное давление — это разность между абсолютным и атмосферным давлением при условии, что абсолютное давление больше атмосферного. В технике, как правило, измеряют избыточное давление.

Абсолютное давление может быть меньше атмосферного. Если при этом их разность имеет небольшую величину, то ее называют разрежением, если она достаточно велика — вакуумом.

Для измерения избыточного давления применяют манометры, в связи, с чем это давление часто называют манометрическим. Разрежение и вакуум измеряют вакуумметрами, атмосферное давление — барометрами.

Единицей измерения давления в системе СИ является ньютон на квадратный метр (Н/м2). Однако выпускаемые приборы градуируют пока в старых единицах — миллиметрах водяного столба (мм вод. ст.), миллиметрах ртутного столба (мм. рт. ст.) и технических атмосферах (кгс/см2).

Одна техническая атмосфера равна давлению на площадь в 1 см² столба ртути высотой 735,56 мм при температуре 0 °C или столба воды высотой 10 м при температуре 4° С, т. е. 1 кгс/см2= = 735,56 мм рт. ст. = 104 мм вод. ст.

Вакуум измеряют в процентах атмосферного давления или в тех же единицах, что и давление. Средняя величина давления атмосферного воздуха определена в результате многочисленных измерений и составляет 760 мм.рт.ст.,

3.2 Жидкостный U-образный манометр

Наиболее простой прибор для измерения избыточного давления — жидкостный U-образный манометр (рис. 3.1), состоит из U-образной стеклянной трубки 1, прикрепленной к панели 2 скобами 3. Показания отсчитывают по шкале, располагаемой рядом с трубкой или за ней. Нулевую отметку шкалы устанавливают примерно посередине высоты трубки. До этого же уровня трубка заполнена жидкостью. Панель должна занимать строго вертикальное положение, чтобы уровень жидкости в правом и левом коленьях трубки был одинаковым.

Левое колено трубки соединено шлангом с объемом, где должно быть измерено давление, а правое колено оставляют открытым. Если измеряемое давление выше атмосферного, то уровень жидкости в левом колене трубки понизится, а в правом повысится. Когда прекратится перемещение жидкости, абсолютное давление в измеряемом объеме (ра) будет уравновешено суммарным давлением атмосферного воздуха (рв) и столба жидкости высотой h. Таким образом, разность уровней жидкости h пропорциональна избыточному давлению в измеряемом объеме, т. е. разности абсолютного и атмосферного давлений.

Этим же манометром можно измерять разрежение, однако в этом случае жидкость будет перемещаться в обратном направлении (уровень жидкости в левом колене будет выше, чем в правом). Если U-образный манометр используют для измерения и давления и разряжения, то его называют мановакуумметром. U-образным манометром можно измерять разность давлений. Для этого левое колено трубки соединяют с одной, а правое — со второй точками объема, между которыми необходимо измерить разность давлений. Манометр для измерения разности давлений называют дифференциальным манометром.

В качестве рабочей жидкости для манометров обычно применяют спирт, воду и ртуть, реже — масло. В случае использования спирта, масла и воды шкалу манометра градуируют в миллиметрах водяного столба, при использовании ртути — в миллиметрах ртутного столба.

Наибольшая величина давления, которая может быть измерена жидкостным манометром, зависит от высоты трубки и удельного веса жидкости. Высоту трубки нельзя брать слишком большой, так как такой манометр становится громоздким и неудобным для использования.

U-образный жидкостный манометр: трубка заполнена жидкостью, смачивающей стекло; б — форма мениска, если жидкость не смачивает стекло

Рис.3.1 Кроме того, допустимая величина давления ограничена механической прочностью стеклянной трубки.

По этим причинам спиртовые, масляные и водяные манометры изготовляют, как правило, на давления не выше 1000 мм вод. ст., ртутные — на давления не выше 1500mmрт. ст.

Точность измерения давления жидкостным манометром достаточно высокая. Например, измеряя давление, при котором высота столба жидкости превышает 100 мм, можно получить относительную погрешность менее 1%.

Отсчет уровня жидкости в трубке ведут по выпуклой части мениска. Если жидкость омачивает стекло (спирт, вода), то мениск расположен выпуклой частью вниз (рис.3.1,а), а если не смачивает (ртуть), то — вверх (рис. 3.1,б). Для повышения точности измерения внутренний диаметр трубки берут не менее 4—5 мм. На тепловозах U-образные манометры применяют при Испытаниях для измерения небольших давлений в системе наддува дизеля, давления охлаждающего воздуха в тяговых генераторах и коллекторных камерах тяговых электродвигателей и т. д. Но величине давления охлаждающего воздуха судят о его расходе и при необходимости корректируют.

3.3 Дифференциальный манометр

На тепловозах дифференциальным манометром (дифманометром) называют U-образный манометр, предназначенный для выполнения двух функции: измерения разрежения в картере дизеля и замыкания электрической цепи в системе управления дизелем при появлении давления, поскольку давление в картере часто указывает на серьезный дефект в дизеле (прогар поршня и др.), то замыкающий контакт дифманометра используют для включения реле, обеспечивающего остановку дизеля.

Дифференциальный манометр, применяемый на тепловозах ТЭП60, показан на (рис. 3.2) Конструкция дифманометров тепловозов ТЭЗ и 2Т310Л практически такая же (несколько отличаются детали крепления).

В корпусе 1 из органического стекла просверлены два вертикальных и соединяющий их горизонтальный каналы. Выходное отверстие горизонтального канала заглушено пробкой 2. Через штуцер 4 левое колено (канал) манометра соединяют с картером дизеля. Правое колено через угольник 6 соединено с атмосферой.

Дифференциальный манометр

Рис.3.2

В него же введены два медных контакта 7, припаянных к выводным клеммам штепсельного разъема 5. Чтобы исключить возможность касания контактов и, следовательно, подачи ложного сигнала для остановки дизеля, установлена распорка 8. Шкала 3 отградуирована в миллиметрах водяного столба. Деления нанесены только на тех участках, где отсчитывают величины разрежения. Измерение величины давления не предусмотрено.

В качестве рабочей жидкости используют воду. Для улучшения электропроводности и подкрашивания воды, что облегчает считывание показаний, в лее добавляют 1—2% хромпика.

При остановленном дизеле уровень жидкости в дифманометре должен быть на отметке 0 (нуль). Нормальное разрежение—10, 60 мм вод. ст. Длина контактов 7 выбрана такой, чтобы при давлении 10 мм вод. ст. и более вода касалась их и замыкала электрическую цепь.

В случае резкого повышения давления вода из правого колена через угольник 6 выливается наружу. Это предотвращает повреждение дифманометра. На тепловозах ТЭП60 дифманометр устанавливают непосредственно на дизель-генераторе; на тепловозах ТЭЗ и 2ТЭ10Л — в кабине машиниста над столом помощника. Пружинные манометры. Манометры с одновитковыми трубчатыми пружинами получили наиболее широкое распространение для измерения избыточного давления в промышленных установках и на транспорте. Это объясняется простым устройством пружинных манометров, малыми габаритами и массой, высокой надежностью, широким диапазоном измеряемых давлений, простотой обслуживания и достаточно высокой точностью измерений. Предусмотрен выпуск пружинных манометров ГОСТ 8625— 69 следующих классов точности: 0,4; 0,6; 1; 1,5; 1,6; 2,5 и 4 с диаметрами корпусов 40, 60^ 100, 160, 250 мм и верхними пределами измеряемых давлений от 0,6 до 1600 иге/см2. Имеются манометры с верхним пределом измеряемого давления 10 000 кгс/см2.

Количество манометров, устанавливаемых на тепловозах различных типов, неодинаково. Однако можно выделить наиболее характерные точки, в которых измеряют давление. Давление воздуха измеряют в системе наддува дизеля (манометры с пределами измерения 0—2,5 кгс/см2), в тормозных цилиндрах, уравнительном резервуаре и магистрали низкого давления системы автоматики (0—10 кгс/см2), в тормозной магистрали и главном резервуаре тормозной системы (0—16 кгс/см2).

Давление масла измеряют в масляной системе дизеля до фильтра грубой очистки и после него, до фильтра тонкой очистки, в нагнетательном трубопроводе к охлаждающему устройству, в системе смазки турбокомпрессора, в масляных системах вспомогательных агрегатов: на входе в редуктор с гидромуфтой привода вентиляторов охлаждающего устройства (ТЭЗ, 2ТЭ10Л), в системах смазки переднего и заднего редукторов (2ТЭ10Л) и др. Для этих измерений используют манометры с пределами измерения О—6, 0—10 и 0—16 кгс/см2. В системе гидростатического привода вентиляторов охлаждающего устройства тепловоза ТЭП60 давление масла измеряют манометрами с пределами измерения 0— 250 кгс/см2.

Давление топлива контролируют до фильтра тонкой очистки и после него, используя манометры с пределами измерения 0— 10 кгс/см2.

Классы точности применяемых манометров 1,6 и 2,5. Диаметры корпусов — 100 мм, реже — 60 мм. Манометры для измерения давления в тормозной магистрали и главном резервуаре двухстрелочные. Все остальные манометры однострелочные. Типы применяемых манометров различны, но наиболее распространены однострелочные манометры типа МТК-100Б или МТК-100 (диаметр корпуса 100 мм, классы точности 1,6 и 2,5) и двухстрелочные манометры типов МТП-381 и МП-2 (диаметр корпуса 100 мм, класс точности 1,5 или 1,6).

Предусмотрено изготовление манометров специально для подвижного состава железнодорожного транспорта (ГОСТ 12 716 — 67). В соответствии с этим стандартом будут выпускать манометры с диаметром корпуса 60 мм (классов точности 2,5 и 4) и 100 мм (классов точности 1,6 и 2,5). Верхние пределы измеряемого давления от 4 до 400 кгс/см2.

3.4 Двухстрелочные манометры

Двухстрелочные манометры типа МП-2 по ГОСТ 12 716–67 уже устанавливают на тепловозах, однострелочные манометры разработаны и находятся в стадии эксплуатационных испытаний и отработки конструкции.

Несмотря на некоторые конструктивные отличия, принцип действия манометров с одновитковыми трубчатыми пружинами аналогичен. Основной элемент манометра (рис.3.3) — полая трубка (пружина Бурдона) 9, имеющая овальное или эллиптическое сечение и согнутая по дуге окружности. Один конец трубки, впаян в держатель 3, второй — закрыт пробкой 12. В верхней части держателя имеется плита (треугольной формы), на которой монтируют передаточный механизм, в нижней — расположен штуцер 1 с резьбой для присоединения манометра к резервуару, где необходимо измерять давление. Внутри штуцера просверлен канал, соединяющийся с внутренней полостью трубки 9. Сосок 17 предохраняет этот канал от перекрытия уплотняющей прокладкой. Держатель 3 прикреплен винтами к пластмассовому корпусу 4.

Отверстие в корпусе, через которое проходит штуцер /, закрыто резиновой шайбой 2. Для крепления манометра корпус 4 имеет фланец с тремя отверстиями. Свободный конец трубки 9 через шарнирные соединения и поводок 13 связан с хвостовиком зубчатого сектора 14. Сектор 14 может поворачиваться вокруг оси 15 и приводить во вращение трубку (маленькая шестерня) 8 .На оси трубки жестко закреплена указательная стрелка, конец которой подходит к шкале на циферблате 5. Циферблат прикреплен винтом 10 к стойке, установленной на держателе 3, и винтом 16 непосредственно к держателю. Трубка и зубчатый сектор установлены между двумя платами. Нижняя плата 11 прикреплена винтами к держателю 3, верхняя плата 6 с помощью двух стоек и винтов — к нижней плате. Оси трубки и зубчатого сектора вращаются в отверстиях плат 11 и 6. Чтобы устранить зазоры в зубчатой передаче и, следовательно, мертвый ход передаточного механизма, установлена спиральная пружинка 7. Один конец пружинки 7 прикреплен к трубке 8, а второй — к неподвижной стойке, соединяющей платы 6 и 11. Под действием момента, создаваемого пружинкой 7, зубья трубки 8 всегда прижаты к зубьям сектора 14.

Когда жидкость или газ, имеющие избыточное давление, поступают в упругую трубку 9, она деформируется. Малая ось овала увеличивается, а большая — несколько уменьшается, т. е. в сечении трубка стремится стать более круглой.

Однострелочный манометр типа МТК-100Б с трубчатой пружиной

Рис. 3.3

Возникающая в результате этого сила незначительно раскручивает трубку, и свободный конец ее перемещается немного вправо и вверх. Благодаря этому на определенный угол повернутся зубчатый сектор 14, трубка 8 и стрелка, которая покажет величину давления. Такой манометр измеряет избыточное давление, так как деформация трубки определяется разностью давлений: абсолютного внутри нее и атмосферного, действующего на наружную поверхность трубки. Трубки круглого сечения не могут разгибаться под действием избыточного давления, поэтому в манометрах их не применяют.

Для измерения небольших давлений трубки изготовляют из сплавов меди, для больших давлений — из стали. Перемещение свободного конца трубки небольшое (от 2 до 15 мм [5]), поэтому устанавливают передаточный механизм, обеспечивающий вращательное движение стрелки и значительно большее ее перемещение по сравнению со свободным концом трубки.

Шкала манометра концентрическая, т. е. ось стрелки находится в центре шкалы. Угол охвата шкалы 270°. Обычно диапазон измеряемого давления выбирают в таких пределах, где величина перемещения свободного конца трубки пропорциональна величине давления. Это позволяет сделать шкалу манометра равномерной.

Нулевой штрих шкалы манометра шире остальных, а первое деление в связи с этим более узкое. Объясняется это особым свойством трубки, которое называют упругим последействием. Проявляется оно в том, что после некоторого давления в трубке и последующего снижения его до нуля свободный конец трубки, а следовательно, и стрелка манометра возвращаются в исходное (нулевое) положение не сразу, а через некоторое время (минуты и даже часы). Это может ввести в заблуждение, так как стрелка манометра показывает хотя и небольшое, но все-таки отличное от нуля давление. Поэтому нулевой штрих на шкале манометра делают более широким. Протяженность нулевого штриха ограничена. Она не должна быть больше абсолютной величины допустимой основной погрешности. Для регулировки манометра в хвостовике зубчатого сектора 14 и нижней плате 11 сделаны прорези, позволяющие изменять соотношение плеч сектора 14 (перемещением поводка 13) и поворачивать весь механизм относительно центра (за счет поворота платы 11). Если измеряемое давление резко колеблется, то в штуцер 1 ввертывают демпфер 18. Отверстие внутри демпфера: имеет маленький диаметр, поэтому колебания давления после демпфера (внутри измерительной трубки манометра) становятся меньшими, чем до него. Если при колебаниях давления демпфер не устанавливать, то механизм манометра быстро изнашивается, а большая амплитуда колебаний стрелки затрудняет или вообще делает * невозможным считывание показаний манометра. При повреждении шуб™ 9 демпфер 18 сдерживает поступление измеряемой среды внутрь манометра. Кольцевой зазор между штуцером 1 и корпусом 4 позволяет измерительной среде при этом выходить наружу. Резьба на штуцере 1 трубная Va", квадрат — под ключ 17 мм.

Применявшийся ранее двухстрелочный манометр типа МТП-381 имеет такое же устройство, как МП2 (рис. 3.4). Манометр имеет два измерительных элемента — трубки пружинные 6 и 7, впаянные одним концом в держатель 8. Свободные концы трубок 6 и 7 закрыты заглушками и через тяги связаны с двумя независимыми передаточными механизмами.

Трубка 6 с помощью наконечника 30 и тяг 31, 32 соединена с хвостовиком зубчатого сектора 22, напрессованного на ось 21, Поворачиваясь вокруг оси, сектор 22 приводит во вращение трубку 10 и связанную с ней указательную стрелку 2. Для регулировки передаточного механизма в наконечнике 30, тяге 31 и хвостовике зубчатого сектора 22 сделаны прорези.

Аналогичным образом трубка 7 связана с зубчатым сектором 18. Сектор 18 напрессован на ось 17 и при повороте приводит во вращение трубку 11 с указательной стрелкой 1. Ось стрелки 1 проходит внутри полой оси стрелки 2 и трубки 10. Оси зубчатых секторов и трубок вращаются в отверстиях плат 14, 19 и 20, 24. Платы скреплены между собой четырьмя колонками, две из них 16 и 23 видны на рисунке. Весь механизм крепят винтами к держателю 8, а держатель 8 — к металлическому корпусу 9 манометра. Для устранения зазоров в зубчатых передачах и шарнирах тяг установлены спиральные пружинки 15 и 25.