RU2767568C1

RU2767568C1 - Compressed air pressure control device driven by linear actuator

Info

Publication number: RU2767568C1
Application number: RU2021116725A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Михайлович Емелин; Евгений Петрович Лепешев
Original assignee: Акционерное Общество "Контрольприбор"
Priority date: 2021-06-09
Filing date: 2021-06-09
Publication date: 2022-03-17

Abstract

FIELD: compressed air pressure control devices.

SUBSTANCE: invention relates to devices for controlling the pressure of compressed air in the pneumatic drive for controlling the pantograph of the rolling stock of railways. Device contains a pressure feedback assembly, which includes a housing inside which a metal bellows is placed. One end of the bellows is rigidly connected to the bushing installed in the housing and is fixed. Second end of the bellows is pressed by a cylindrical coil spring installed between the bushing and the second end of the bellows. Inside the spring there is a movable rod, on which a linear step actuator with a retractable rod is fixed, passing into the pneumatic distributor until it stops against the movable slide valve pressed by the second spring. Prestart heater is arranged on the housing of the pneumatic control valve with the possibility of heating.

EFFECT: simplification and unification of the design is achieved.

5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области автоматизированного управления пневмосистемами, а именно к устройствам для управления давлением сжатого воздуха в пневмоприводе управления токоприемником подвижного состава железных дорог.The invention relates to the field of automated control of pneumatic systems, and in particular to devices for controlling the pressure of compressed air in the pneumatic drive for controlling the pantograph of the rolling stock of railways.

Известен (RU, патент 2593421 С2, опубликован 10.08.2016) регулятор давления, содержащий узел обратной связи по давлению с чувствительным элементом на металлическом сильфоне, пневмораспределитель с золотником, управляющий потоком регулируемой среды и узел механической настройки давления с нажимным винтом и пружиной.Known (RU, patent 2593421 C2, published on 10.08.2016) is a pressure regulator containing a pressure feedback assembly with a sensitive element on a metal bellows, a pneumatic distributor with a spool that controls the flow of the regulated medium and a mechanical pressure adjustment assembly with a pressure screw and a spring.

Давление на выходе этого регулятора пропорционально усилию, которое создает нажимной винт при сдавливании пружины.The pressure at the outlet of this regulator is proportional to the force that the pressure screw creates when the spring is compressed.

Данный регулятор имеет простую, современную конструкцию, позволяющую строить регуляторы давления с различными регулируемыми давлениями и расходами путем подбора металлических сильфонов и пневмораспределителей с металлическим золотником.This regulator has a simple, modern design that allows you to build pressure regulators with various adjustable pressures and flows by selecting metal bellows and pneumatic valves with a metal spool.

Недостатком регулятора применительно к решаемой задаче является отсутствие узла внешнего управления давлением, позволяющего устанавливать и изменять регулируемое давление дистанционно, например, при помощи электрического сигнала.The disadvantage of the regulator in relation to the problem being solved is the absence of an external pressure control unit that allows you to set and change the regulated pressure remotely, for example, using an electrical signal.

Известен (RU, патент 2103720, опубликован 27.01.1998) электромагнитный регулятор давления, в котором чувствительный элемент выполнен в виде поршня, конструктивно выполненного так, что та сторона поршня, которая не воспринимает давление управляемой среды, выполняет функцию золотника за счет отверстий, проходящих перпендикулярно оси перемещения поршневой части чувствительного элемента. При смещении поршня в результате изменения давления, отверстия в его золотниковой части перемещаются относительно неподвижных отверстий корпуса гидрораспределителя. Тем самым производится управление давлением жидкости на выходе регулятора. Величина давления, поддерживаемого на выходе регулятора, устанавливается изменением тока в обмотке электромагнита, входящего в состав устройства.Known (RU, patent 2103720, published on January 27, 1998) is an electromagnetic pressure regulator, in which the sensitive element is made in the form of a piston, structurally made so that the side of the piston that does not perceive the pressure of the controlled medium performs the function of a spool due to holes running perpendicular axis of movement of the piston part of the sensitive element. When the piston is displaced as a result of a change in pressure, the holes in its spool part move relative to the fixed holes in the valve body. This controls the fluid pressure at the outlet of the regulator. The value of pressure maintained at the outlet of the regulator is set by changing the current in the winding of the electromagnet, which is part of the device.

Регулятор позволяет дистанционно устанавливать давление управляемой среды.The regulator allows you to remotely set the pressure of the controlled medium.

Недостатком данного регулятора является уникальность конструкции поршня - золотника, в котором совмещены функции чувствительного и запорного узлов. Создание линейки таких устройств требует отработки геометрии и технологии изготовления различных по диаметру поршней-золотников. По технологическим соображениям предпочтительно изготавливать чувствительный элемент отдельно, а золотник - тоже отдельно. Металлические сильфоны для чувствительных элементов выпускаются серийно. Их параметры нормированы и обеспечены изготовителем. Также серийно выпускаются пневмораспределители с золотниковыми затворами с нормированными параметрами. В этой ситуации обеспечение необходимой точности регулирования в сочетании с требуемой пропускной способностью достигается подбором серийно изготавливаемых узлов.The disadvantage of this regulator is the unique design of the piston - spool, which combines the functions of sensitive and locking units. The creation of a line of such devices requires the refinement of the geometry and manufacturing technology of spool pistons of various diameters. For technological reasons, it is preferable to manufacture the sensitive element separately, and the spool - also separately. Metal bellows for sensitive elements are commercially available. Their parameters are normalized and provided by the manufacturer. Pneumatic distributors with spool valves with normalized parameters are also mass-produced. In this situation, ensuring the required control accuracy in combination with the required throughput is achieved by selecting mass-produced units.

Наиболее близким аналогом разработанного устройства является (RU, патент 2662333 опубликован 25.07.2018) устройство управления давлением сжатого воздуха с резервированием по управляющему воздействию, содержащее чувствительный элемент обратной связи по давлению в виде металлического сильфона, пневмораспределитель с золотниковым затвором и управляющий элемент - электромагнит.The closest analogue of the developed device is (RU, patent 2662333 published on 07/25/2018) a compressed air pressure control device with control action redundancy, containing a pressure feedback sensitive element in the form of a metal bellows, a pneumatic distributor with a spool valve and a control element - an electromagnet.

Устройство можно комплектовать с использованием серийно выпускаемых золотниковых пневмораспределителей и металлических сильфонов. Индивидуальной разработки и изготовления требует только управляющий элемент - электромагнит, параметры которого определяются усилием чувствительного элемента и необходимым ходом регулирования золотникового затвора.The device can be completed using commercially available spool valves and metal bellows. Individual development and production requires only a control element - an electromagnet, the parameters of which are determined by the force of the sensitive element and the necessary adjustment stroke of the spool valve.

Недостатком данного устройства является необходимость получать относительно большое усилие, развиваемое электромагнитом для выполнения требований к точности поддержания давления на выходе устройства. При этом вес электромагнита составляет около 90% общего веса устройства управления давлением.The disadvantage of this device is the need to obtain a relatively large force developed by the electromagnet to meet the requirements for the accuracy of maintaining the pressure at the outlet of the device. In this case, the weight of the electromagnet is about 90% of the total weight of the pressure control device.

Чем больше заданная точность регулирования давления, тем большей должна быть эффективная (воспринимающая давление) площадь чувствительного элемента на сильфоне. Только в этом случае достигается необходимое для перемещения золотника изменение линейного размера чувствительного элемента (сильфона) вдоль оси перемещения золотника. Например, чувствительный элемент с площадью сильфона 0.5 см² может не среагировать на изменение давления, равное 0,02 бар. Это может произойти из-за наличия трения покоя в подвижных деталях всего устройства, с которыми взаимодействует чувствительный элемент. Таким образом, необходимо иметь запас чувствительного элемента по площади эффективного сечения, на которую действует регулируемое давление.The greater the specified accuracy of pressure control, the greater should be the effective (pressure-receiving) area of the sensing element on the bellows. Only in this case, the change in the linear size of the sensitive element (bellows) along the axis of movement of the spool, necessary for the movement of the spool, is achieved. For example, a sensor with a 0.5 cm2 bellows area may not respond to a pressure change ^of 0.02 bar. This can occur due to the presence of static friction in the moving parts of the entire device with which the sensing element interacts. Thus, it is necessary to have a margin of the sensitive element in terms of the effective cross-sectional area, which is affected by the controlled pressure.

С другой же стороны, чем больше эффективная площадь чувствительного элемента, тем большее усилие должен развивать электромагнит, входящий в состав устройства управления давлением. Эта же зависимость между эффективной площадью чувствительного элемента и усилием управляющего электромагнита (или нажимного винта с пружиной) свойственна всем известным устройствам управления давлением. Эта зависимость обусловлена сложившейся компоновкой (взаимным расположением узлов) устройств данного типа - когда на запорный орган с одной стороны действует сила, пропорциональная регулируемому давлению, и закрывающая подачу управляемой среды, а с другой - сила, задающая давление и открывающая подачу управляемой среды. Таким образом, чем больше необходимая точность работы устройства, тем более габаритным и массивным должен быть электромагнит. При этом за счет увеличения массы якоря и магнитопровода, увеличивается время реакции электромагнита. В итоге увеличение статической точности работы устройства приводит к ухудшению его динамических свойств, увеличению веса, габаритов, и потребляемой мощности.On the other hand, the larger the effective area of the sensing element, the greater the force must be developed by the electromagnet, which is part of the pressure control device. The same relationship between the effective area of the sensing element and the force of the control electromagnet (or pressure screw with a spring) is characteristic of all known pressure control devices. This dependence is due to the prevailing layout (mutual arrangement of nodes) of devices of this type - when a force proportional to the controlled pressure acts on the shut-off element on the one hand and closes the flow of the controlled medium, and on the other hand, a force that sets the pressure and opens the flow of the controlled medium. Thus, the greater the required accuracy of the device, the more overall and massive the electromagnet should be. At the same time, due to the increase in the mass of the armature and the magnetic circuit, the reaction time of the electromagnet increases. As a result, an increase in the static accuracy of the device operation leads to a deterioration in its dynamic properties, an increase in weight, dimensions, and power consumption.

Общим недостатком устройств с приводом от электромагнита является невозможность осуществить непосредственное цифровое задание величины управляемого давления. Изменение тока, подаваемого в обмотку электромагнита, приводит к изменению усилия, развиваемого якорем электромагнита, соответственно изменяется и давление на выходе устройства. Но, эти изменения относительны и сильно зависят от предыдущих состояний устройства. В динамике работы одному и тому же значению тока в обмотке электромагнита может соответствовать разное давление на выходе устройства. Особенно это несоответствие проявляется в динамическом режиме управления. В частности, когда требуется стабилизировать давление в пневмоприводе токоприемника движущегося электровоза и изменяющейся при этом высоты контактного провода. Собственная инерционность (индуктивная и механическая) электромагнита не позволяет достаточно быстро изменять ток через электромагнит. Если необходимо остановить рост давления в управляемом объеме (например, когда высота контактного провода быстро уменьшается и сжимает объем пневмопривода), даже если полностью отключить ток через обмотку электромагнита, его якорь не переместится мгновенно (намагничен весь магнитопровод), а потом будет перемещаться с постепенным набором скорости как любое материальное тело, имеющее собственную массу и инерцию. Кроме того, якорь электромагнита, перемещающийся в магнитном поле остаточной намагниченности, сам генерирует ток электромагнитной индукции через обмотку электромагнита, продлевая тем самым состояние остаточной намагниченности. Получается, что подача тока в обмотку электромагнита прекращена, а устройство еще не перешло в режим ускоренного сброса воздуха из управляемого объема пневмопривода токоприемника. В динамике работы устройства в любой произвольный момент времени нельзя найти точное соответствие между величиной тока через обмотку электромагнита и величиной давления на выходе устройства.A common disadvantage of devices driven by an electromagnet is the inability to directly digitally set the magnitude of the controlled pressure. A change in the current supplied to the electromagnet winding leads to a change in the force developed by the armature of the electromagnet, and the pressure at the output of the device also changes accordingly. But, these changes are relative and highly dependent on the previous states of the device. In the dynamics of work, the same value of current in the winding of an electromagnet can correspond to different pressures at the output of the device. This discrepancy is especially manifested in the dynamic control mode. In particular, when it is required to stabilize the pressure in the pneumatic drive of the pantograph of a moving electric locomotive and the height of the contact wire changing at the same time. The inherent inertia (inductive and mechanical) of the electromagnet does not allow changing the current through the electromagnet quickly enough. If it is necessary to stop the growth of pressure in the controlled volume (for example, when the height of the contact wire quickly decreases and compresses the volume of the pneumatic drive), even if the current through the electromagnet winding is completely turned off, its armature will not move instantly (the entire magnetic circuit is magnetized), and then it will move with a gradual increase speed as any material body having its own mass and inertia. In addition, the armature of the electromagnet, moving in the magnetic field of remanence, itself generates an electromagnetic induction current through the winding of the electromagnet, thereby prolonging the state of remanence. It turns out that the supply of current to the electromagnet winding is stopped, and the device has not yet switched to the mode of accelerated air discharge from the controlled volume of the pantograph pneumatic drive. In the dynamics of the operation of the device at any arbitrary moment in time, it is impossible to find an exact correspondence between the magnitude of the current through the winding of the electromagnet and the magnitude of the pressure at the output of the device.

Таким образом, динамические свойства электромагнита в качестве узла, задающего давление за счет генерации усилия, равного и направленного противоположно усилию чувствительного элемента, ограничены на принципиальном уровне.Thus, the dynamic properties of an electromagnet as a node that sets the pressure by generating a force equal to and directed opposite to the force of the sensing element are limited on a fundamental level.

Еще одним недостатком известных устройств управления давлением является отсутствие возможности измерять давление на выходе устройства, контролируя изменение длины чувствительного элемента (сильфона) так как на этот элемент действует не только давление на выходе устройства, но и противоположно направленное усилие управляющего узла - электромагнита, или нажимного винта с пружиной. Для контроля давления необходимо устанавливать на выходе такого устройства специальный датчик давления. При этом стоимость датчика давления, работающего в диапазоне температур от минус 50°С до плюс 60°С (температурный диапазон подвижного состава ЖД транспорта) сопоставима со стоимостью всего устройства управления давлением.Another disadvantage of the known pressure control devices is the inability to measure the pressure at the outlet of the device by controlling the change in the length of the sensing element (bellows), since this element is affected not only by the pressure at the outlet of the device, but also by the oppositely directed force of the control unit - an electromagnet, or a pressure screw with spring. To control the pressure, it is necessary to install a special pressure sensor at the outlet of such a device. At the same time, the cost of a pressure sensor operating in the temperature range from minus 50°С to plus 60°С (temperature range of railway transport rolling stock) is comparable to the cost of the entire pressure control device.

Описанные недостатки - необходимость увеличения мощности электромагнита для удовлетворения ужесточающихся требований к точности регулирования, невозможность цифрового управления, отсутствие недорогого и надежного датчика давления, интегрированного в состав устройства - устраняются за счет изменения взаимного расположении основных узлов (компоновки) устройства управления давлением.The described disadvantages - the need to increase the power of the electromagnet to meet the stricter requirements for control accuracy, the impossibility of digital control, the lack of an inexpensive and reliable pressure sensor integrated into the device - are eliminated by changing the relative position of the main components (layout) of the pressure control device.

Техническая проблема, решаемая с использованием разработанного устройства, состоит в создании приборов нового типа, лишенного указанных недостатков.The technical problem to be solved using the developed device is to create devices of a new type, devoid of these disadvantages.

Технический результат, достигаемый при реализации разработанного устройства, состоит в выполнении взаимного расположения узлов устройства, позволившего упростить и унифицировать конструкцию, а также осуществлять цифровое управление и интегрировать датчик давления в состав устройства.The technical result achieved in the implementation of the developed device consists in the mutual arrangement of the device nodes, which made it possible to simplify and unify the design, as well as to carry out digital control and integrate the pressure sensor into the device.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать устройство управления давлением сжатого воздуха с приводом от линейного актуатора разработанной конструкции. Устройство содержит узел обратной связи по давлению, в состав которого входит корпус, внутри которого размещен металлический сильфон, один торец которого жестко соединен с втулкой, установленной в корпусе, и неподвижен, а второй торец сильфона отжимается цилиндрической витой пружиной, установленной между втулкой и вторым торцом сильфона, внутри указанной пружины проходит подвижный шток, на котором закреплен линейный шаговый актуатор с выдвижным штоком, проходящим в пневмораспределитель до упора в подвижный золотник, поджатый второй пружиной, на корпусе пневмораспределителя размещен с возможностью разогрева предпусковой нагреватель.To achieve this technical result, it is proposed to use a compressed air pressure control device driven by a linear actuator of the developed design. The device contains a pressure feedback unit, which includes a housing, inside which is placed a metal bellows, one end of which is rigidly connected to the sleeve installed in the housing and is fixed, and the second end of the bellows is pressed by a cylindrical twisted spring installed between the sleeve and the second end bellows, a movable rod passes inside said spring, on which a linear stepping actuator with a retractable rod is fixed, passing into the pneumatic distributor until it stops against the movable spool, preloaded by the second spring, a pre-start heater is placed on the valve body with the possibility of heating.

В некоторых вариантах реализации разработанного устройства оно может содержать дифференциально трансформаторный датчик выходного давления, а также жестко закрепленный на выдвижном штоке линейного шагового актуатора подвижный элемент датчика начального положения выдвижного штока актуатора.In some embodiments of the developed device, it may contain a differential transformer output pressure sensor, as well as a movable element of the initial position sensor of the retractable actuator rod rigidly fixed on the retractable stem of the linear stepper actuator.

Устройство может дополнительно на корпусе узла обратной связи по давлению содержать катушку дифференциального трансформатора, охватывающая подвижный шток узла обратной связи по давлению.The device can additionally contain a differential transformer coil on the body of the pressure feedback unit, covering the movable rod of the pressure feedback unit.

Предпусковой нагреватель может быть выполнен позисторным.The starting heater can be made posistor.

При анализе противоречий принято решение не использовать генерацию устанавливающего (задающего) давление усилия, равного и противоположно направленного усилию чувствительного элемента. В разработанном устройстве для регулирования давления управляемой среды значение имеет только линейное (вдоль оси) изменение размера чувствительного элемента. При такой компоновке сильфон чувствительного элемента выбирается по двум параметрам - необходимое линейное (вдоль оси) изменение дины в диапазоне регулируемого давления, и эффективная площадь, обеспечивающая усилие преодоления всех компонент трения покоя реального устройства при изменении давления, равного или меньшего заданной точности регулирования. При этом усилие, развиваемое сильфоном, не требует создания такого же усилия от узла установки (задания) выходного давления, так как его не надо преодолевать путем генерации встречно направленного усилия.When analyzing contradictions, it was decided not to use the generation of a pressure-setting (setting) force equal and opposite to the force of the sensing element. In the developed device for controlling the pressure of a controlled medium, only linear (along the axis) change in the size of the sensing element matters. With this arrangement, the sensing element bellows is selected according to two parameters - the required linear (along the axis) change in the dyne in the range of adjustable pressure, and the effective area that provides the force to overcome all components of the static friction of the real device when the pressure changes equal to or less than the specified control accuracy. At the same time, the force developed by the bellows does not require the creation of the same force from the outlet pressure setting (setting) unit, since it does not need to be overcome by generating an oppositely directed force.

Номенклатура серийно выпускаемых металлических сильфонов позволяет выбрать оптимальные типоразмеры и другие параметры сильфонов для широкой линейки устройств с заданной точностью поддержания регулируемого давления. При этом пневмораспределители с золотниковым затвором подбираются по требуемой пропускной способности проектируемого устройства, независимо от параметров выбранного для чувствительного элемента сильфона. Такая независимость обеспечивается тем, что пневмораспределители (или гидрораспределители) с притертым металлическим золотником не создают собственного, зависящего от пропускной способности, усилия перестановки золотника и не оказывают существенного влияния на требования по параметрам сильфона чувствительного элемента.The range of mass-produced metal bellows allows you to choose the optimal standard sizes and other parameters of bellows for a wide range of devices with a given accuracy of maintaining controlled pressure. At the same time, pneumatic distributors with a spool valve are selected according to the required throughput of the designed device, regardless of the parameters of the bellows selected for the sensitive element. Such independence is ensured by the fact that pneumatic distributors (or hydraulic valves) with a ground-in metal spool do not create their own capacity-dependent spool repositioning force and do not significantly affect the requirements for the parameters of the sensing element bellows.

Для достижения указанного технического результата в разработанном устройстве, содержащем узел обратной связи по давлению с чувствительным элементом на металлическом сильфоне и пневмораспределитель с металлическим притертым золотником, в качестве узла, задающего давление, использован линейный шаговый актуатор, закрепленный на подвижном штоке чувствительного элемента, и перемещающий золотник пневмораспределителя посредством собственного выдвижного штока. В такой компоновке линейное сжатие сильфона чувствительного элемента всегда точно соответствует давлению на выходе устройства, а значение выходного давления задается положением выдвижного штока линейного актуатора.To achieve the specified technical result in the developed device, containing a pressure feedback unit with a sensitive element on a metal bellows and a pneumatic valve with a metal ground-in spool, a linear stepping actuator mounted on the movable rod of the sensing element and moving the spool pneumatic distributor by means of its own retractable stem. In this arrangement, the linear compression of the sensing element bellows always exactly matches the device outlet pressure, and the outlet pressure is set by the position of the rising stem of the linear actuator.

Для определения начального положения выдвижного штока линейного актуатора, соответствующего нулевому давлению на выходе, в устройство введен датчик начального положения. Наличие этого датчика позволяет задавать давление цифровым образом, подавая команды перемещения штока актуатора на расчетное число шагов начиная от начального положения.To determine the initial position of the retractable rod of the linear actuator, corresponding to zero outlet pressure, an initial position sensor is introduced into the device. The presence of this sensor allows you to set the pressure digitally, giving commands to move the actuator rod by the calculated number of steps starting from the initial position.

Для измерения давления на выходе устройства используется дифференциальный трансформатор, катушка которого закрепляется на корпусе узла обратной связи по давлению и охватывает подвижный шток чувствительного элемента на металлическом сильфоне. При этом на участке подвижного штока, охваченном катушкой дифференциального трансформатора, вносится магнитная неоднородность, например, выполнением радиальной проточки, если подвижный шток сделан из магнитомягкого материала, или установкой магнитомягкой втулки, если подвижный шток сделан из мало магнитного материала. При эксплуатации в условиях низких температур устройство может содержать нагреватель, например, позисторный.To measure the pressure at the output of the device, a differential transformer is used, the coil of which is fixed on the body of the pressure feedback unit and covers the movable rod of the sensing element on a metal bellows. At the same time, magnetic inhomogeneity is introduced on the section of the movable rod covered by the coil of the differential transformer, for example, by performing a radial groove if the movable rod is made of a soft magnetic material, or by installing a soft magnetic bushing if the movable rod is made of a low magnetic material. When operating at low temperatures, the device may contain a heater, for example, a posistor.

Сущность предложенного изобретения поясняется схематическим чертежом, где показан общий вид устройства управления давлением сжатого воздуха с приводом от линейного актуатора в нейтральном положении, когда управляемый объем пневмопривода отсечен от канала подачи сжатого воздуха из подводящей магистрали и от канала сброса избыточного воздуха в атмосферу.The essence of the proposed invention is illustrated by a schematic drawing, which shows a general view of the compressed air pressure control device driven by a linear actuator in the neutral position, when the controlled volume of the pneumatic actuator is cut off from the compressed air supply channel from the supply line and from the excess air discharge channel to the atmosphere.

Устройство управления давлением сжатого воздуха с приводом от линейного актуатора содержит узел обратной связи по давлению 1 с металлическим сильфоном 2, один торец которого жестко соединен с втулкой 3 и неподвижен, а второй торец отжимается цилиндрической витой пружиной 4, внутри которой проходит подвижный шток 5, на котором закреплен линейный шаговый актуатор 6 с выдвижным штоком 7, проходящим в пневмораспределитель 8 до упора в подвижный золотник 9, поджатый пружиной 10. Для предварительного разогрева пневмораспределителя при температуре ниже минус 30°С служит предпусковой позисторный нагреватель 11. Для определения начального состояния устройства «закрыто» служит подвижный элемент датчика положения 12, например, на постоянном магните, закрепленный на выдвижном штоке актуатора при помощи кронштейна 13. Для определения значения выходного давления при работе устройства служит датчик 14, например, дифференциально трансформаторный, закрепленный на корпусе узла обратной связи 1, регистрирующий положение подвижного штока 5.The compressed air pressure control device driven by a linear actuator contains a pressure feedback assembly 1 with a metal bellows 2, one end of which is rigidly connected to the sleeve 3 and is fixed, and the second end is pressed by a cylindrical twisted spring 4, inside which a movable rod 5 passes, on which the linear stepper actuator 6 is fixed with a retractable stem 7 passing into the pneumatic distributor 8 until it stops in the movable spool 9, preloaded by the spring 10. To preheat the pneumatic distributor at a temperature below minus 30 ° C, a pre-start posistor heater 11 is used. To determine the initial state of the device “closed » serves as a moving element of the position sensor 12, for example, on a permanent magnet, fixed on the retractable rod of the actuator using a bracket 13. To determine the value of the output pressure during operation of the device, a sensor 14 is used, for example, a differential transformer, mounted on the housing of the feedback unit 1, register controlling the position of the movable rod 5.

Устройство управления давлением сжатого воздуха с приводом от линейного актуатора работает следующим образом:The compressed air pressure control device driven by a linear actuator works as follows:

Сжатый воздух подается на вход пневмораспределителя 8 по каналу подвода воздуха Р. Нагрузка подключается к выходу пневмораспределителя 8 через канал А. Через канал R пневмораспределителя сжатый воздух из объема нагрузки, подключенной к каналу А, сбрасывается в атмосферу.Compressed air is supplied to the inlet of the pneumatic distributor 8 through the air supply channel P. The load is connected to the outlet of the pneumatic distributor 8 through channel A. Through the channel R of the pneumatic distributor, compressed air from the volume of the load connected to channel A is discharged into the atmosphere.

Работа устройства начинается с выдвижения штока 7 линейного актуатора 6 так, чтобы золотник 9 перекрыл канал подачи воздуха Р и открыл канал сброса воздуха R. Это начальное состояние устройства определяется по положению постоянного магнита 12 относительно неподвижной части датчика положения (неподвижная часть датчика положения на чертеже не показана). После установки начального состояния устройства, на вход пневмораспределителя подается сжатый воздух. Шток 7 линейного актуатора 6 втягивается в актуатор. Золотник 9, под действием пружины 10 смещается и открывает доступ воздуха из канала подвода Р в канал нагрузки А. Сжатый воздух из объема нагрузки по импульсной трубке Т_А поступает в узел обратной связи 1 и сжимает сильфон 2 с силой F_A, прямо пропорциональной давлению в нагрузке устройства. При этом подвижный шток 5, на котором закреплен актуатор 6 смещается в сторону неподвижно закрепленного пневмораспределителя 8, смещая тем самым золотник 9 в сторону запирания канала подачи воздуха Р и открывания канала R сброса воздуха из нагрузки. При этом пружина 10 сжимается. Таким образом, при втягивании штока 7 в линейный актуатор 6 в сторону от золотника 9, сжатый воздух поступает в нагрузку и в узел обратной связи по давлению. В результате, шток 5, под давлением сжатого воздуха, смещает весь актуатор 6 в сторону золотника 9, перекрывая тем самым поступление сжатого воздуха в нагрузку и сжимая пружину 10. При уменьшении давления в нагрузке, сила F_A, сжимающая сильфон уменьшается, и он разжимается за счет собственной упругости и упругости пружины 4. При этом линейный актуатор 6, закрепленный на штоке 5, вместе со своим выдвижным штоком 7 смещается в сторону узла обратной связи 1, а золотник 9, перемещаемый пружиной 10, открывает канал Р подачи воздуха в нагрузку и закрывает канал R сброса воздуха из нагрузки в атмосферу. Тем самым реализуется отрицательная обратная связь по давлению в нагрузке устройства.The operation of the device begins with the extension of the rod 7 of the linear actuator 6 so that the spool 9 blocks the air supply channel P and opens the air outlet channel R. This initial state of the device is determined by the position of the permanent magnet 12 relative to the fixed part of the position sensor (the fixed part of the position sensor is not shown in the drawing). shown). After setting the initial state of the device, compressed air is supplied to the inlet of the pneumatic distributor. The rod 7 of the linear actuator 6 is retracted into the actuator. The spool 9, under the action of the spring 10, is displaced and opens the access of air from the supply channel P to the load channel A. Compressed air from the load volume through the impulse tube T _A enters the feedback unit 1 and compresses the bellows 2 with a force F _A that is directly proportional to the pressure in device load. In this case, the movable rod 5, on which the actuator 6 is fixed, shifts towards the fixed pneumatic distributor 8, thereby shifting the spool 9 towards locking the air supply channel P and opening the channel R for air discharge from the load. In this case, the spring 10 is compressed. Thus, when the rod 7 is retracted into the linear actuator 6 away from the spool 9, compressed air enters the load and the pressure feedback assembly. As a result, the rod 5, under the pressure of compressed air, shifts the entire actuator 6 towards the spool 9, thereby blocking the supply of compressed air to the load and compressing the spring 10. When the pressure in the load decreases, the force F _A , compressing the bellows decreases, and it decompresses due to its own elasticity and elasticity of the spring 4. In this case, the linear actuator 6, mounted on the rod 5, together with its retractable rod 7, is shifted towards the feedback unit 1, and the spool 9, moved by the spring 10, opens the channel P for supplying air to the load and closes the channel R for the discharge of air from the load into the atmosphere. Thus, a negative feedback on the pressure in the load of the device is realized.

Максимальное давление на выходе устройства создается при полностью (до конструктивного внутреннего ограничения) втянутом в актуатор 6 его выдвижном штоке 7. Ограничение максимального давления на выходе устройства задается выбором длины подвижного штока 5, на котором закреплен актуатор 6. Таким образом, для ограничения максимального давления в регулируемой нагрузке не требуется специального узла в составе устройства управления давлением сжатого воздуха, или отдельно устанавливаемого специального сбросного клапана. В предлагаемом устройстве это ограничение получено за счет взаимного расположения основных функциональных узлов.The maximum pressure at the outlet of the device is created when the retractable rod 7 is fully (up to the design internal limitation) drawn into the actuator 6. The limitation of the maximum pressure at the outlet of the device is set by choosing the length of the movable rod 5, on which the actuator 6 is fixed. Thus, to limit the maximum pressure in adjustable load does not require a special assembly as part of the compressed air pressure control device, or a separately installed special relief valve. In the proposed device, this limitation is obtained due to the relative position of the main functional units.

Пружина 4 увеличивает упругость сильфона и служит для получения необходимой зависимости перемещения штока 5 от давления на выходе стабилизатора. Сильфоны выпускаются с определенной таблицей собственной погонной упругости, заданной стандартом. Использование пружины совместно с сильфоном позволяет получить оптимальную для проектируемого устройства зависимость упругого сжатия сильфона (с пружиной) от давления, поступающего в узел обратной связи.Spring 4 increases the elasticity of the bellows and serves to obtain the necessary dependence of the movement of the rod 5 on the pressure at the outlet of the stabilizer. The bellows are produced with a certain table of their own linear elasticity, given by the standard. The use of a spring in conjunction with a bellows makes it possible to obtain the dependence of the elastic compression of the bellows (with a spring) on the pressure entering the feedback unit that is optimal for the designed device.

Датчик давления 14, например, дифференциально трансформаторный, используется для измерения давления на выходе устройства. Этот датчик регистрирует положение подвижного штока 5 относительно узла 1 обратной связи по давлению. Для работы датчика 14 подвижный шток 5 выполняется, например, из магнитомягкого материала с проточкой (на Фиг. не показана), положение которой относительно катушки дифференциального трансформатора датчика 14 регистрируется как сигнал, значение которого соответствует давлению на выходе устройства. Таким образом, измерение выходного давления на предлагаемом устройстве требует добавления только одного простого узла - катушки дифференциального трансформатора и выполнения радиальной проточки на участке подвижного штока 5, охваченного катушкой дифференциального трансформатора. Причем, катушка дифференциального трансформатора 14 конструктивно является необходимым элементом узла обратной связи 1, герметизирующим внутренний объем этого узла. То есть, катушка трансформатора не требует специального места для ее размещения.The pressure sensor 14, for example, differential transformer, is used to measure the pressure at the outlet of the device. This sensor registers the position of the movable rod 5 relative to the node 1 pressure feedback. For the operation of the sensor 14, the movable rod 5 is made, for example, of a soft magnetic material with a groove (not shown in Fig.), the position of which relative to the coil of the differential transformer of the sensor 14 is recorded as a signal, the value of which corresponds to the pressure at the output of the device. Thus, the measurement of the output pressure on the proposed device requires the addition of only one simple unit - the coil of a differential transformer and the implementation of a radial groove in the area of the movable rod 5 covered by the coil of the differential transformer. Moreover, the coil of the differential transformer 14 is structurally a necessary element of the feedback node 1, sealing the internal volume of this node. That is, the transformer coil does not require a special place for its placement.

При использовании устройства для управления приводом токоприемника, каждый цикл работы устройства заканчивается выдвижением штока 7 линейного актуатора 6 так, что золотник 8 перекрывает канал подачи воздуха Р, сжимает пружину 10, и открывает канал сброса воздуха R. При этом воздух из объема пневмопривода токоприемника, подключенного к каналу А полностью сбрасывается, а токоприемник опускается. Это состояние устройства контролируется датчиком, подвижный элемент которого 12 закреплен кронштейном 13 на выдвижном штоке 7 линейного актуатора 6. В этом положении электрические сигналы на входе актуатора 6 устройства управления давлением сжатого воздуха могут быть отключены. Подача воздуха в нагрузку перекрыта, объем пневмопривода токоприемника соединен с атмосферой. При последующем включении на подъем токоприемника работа устройства начнется с состояния полностью перекрытой подачи воздуха и при сброшенном давлении в объеме пневмопривода.When using a device to control the pantograph drive, each cycle of the device operation ends with the extension of the rod 7 of the linear actuator 6 so that the spool 8 closes the air supply channel P, compresses the spring 10, and opens the air outlet channel R. In this case, the air from the volume of the pantograph pneumatic drive connected to channel A is completely reset, and the pantograph is lowered. This state of the device is monitored by a sensor, the movable element of which 12 is fixed by a bracket 13 on the retractable stem 7 of the linear actuator 6. In this position, the electrical signals at the input of the actuator 6 of the compressed air pressure control device can be turned off. The air supply to the load is blocked, the volume of the pantograph pneumatic drive is connected to the atmosphere. When the pantograph is subsequently switched on for lifting, the operation of the device will begin from the state of completely blocked air supply and with the pressure released in the volume of the pneumatic actuator.

Установка требуемого давления на выходе устройства в каждой фазе операции подъема токоприемника производится цифровым образом, путем подачи на входы V_{управления} линейного шагового актуатора 6 расчетного числа шагов, необходимых для втягивания штока 7 актуатора в положение, соответствующее заданному для данной фазы подъема давлению. При этом за начало перемещения штока 7 актуатора 6 берется начальное (закрытое) положение по датчику 12, например, на постоянном магните. Дальнейшее управление давлением на выходе устройства происходит аналогичным образом, - путем подачи расчетного числа шагов актуатора 6 в ту, или иную сторону - на втягивание, или на выдвижение штока 6 в зависимости от заданной диаграммы управления давлением, например, при поджатии токоприемника к контактному проводу, или в фазе быстрого отрыва токоприемника от контактного провода.Setting the required pressure at the outlet of the device in each phase of the lifting operation of the pantograph is carried out digitally by applying to the inputs V _{of the control of the} linear stepper actuator 6 the calculated number of steps necessary to retract the rod 7 of the actuator to the position corresponding to the pressure specified for this lifting phase. In this case, the initial (closed) position according to the sensor 12, for example, on a permanent magnet, is taken as the beginning of the movement of the rod 7 of the actuator 6. Further pressure control at the outlet of the device occurs in a similar way - by applying the calculated number of steps of the actuator 6 in one direction or another - to retract or extend the rod 6, depending on the given pressure control diagram, for example, when pressing the current collector to the contact wire, or in the phase of fast separation of the pantograph from the contact wire.

Для постоянного контроля давления на выходе устройства, электрический сигнал, пропорциональный значению давления, снимается с датчика 14, реагирующего на положение подвижного штока 5 узла обратной связи 1. Точность измерения давления обеспечивается не хуже 1% от номинального значения поддерживаемого давления. При этом узел обратной связи 1 в комплекте с датчиком 14 в рамках функции измерения давления работает как типичный манометр с металлическим сильфоном и дифференциально трансформаторным датчиком.For constant control of the pressure at the outlet of the device, an electrical signal proportional to the pressure value is taken from the sensor 14, which responds to the position of the movable rod 5 of the feedback unit 1. The pressure measurement accuracy is ensured no worse than 1% of the nominal value of the maintained pressure. In this case, the feedback unit 1, complete with the sensor 14, within the framework of the pressure measurement function, works as a typical pressure gauge with a metal bellows and a differential transformer sensor.

В предлагаемом устройстве совмещение функции узла обратной связи по давлению с функцией измерения давления датчиком 14 возможно за счет того, что подвижный шток 5 нагружен только весом линейного актуатора 6, и упругостью пружины 10. От этих параметров (вес актуатора и упругость пружины) зависят только начало отсчета и наклон линейной характеристики выходного сигнала датчика 14. Факторов, изменяющих характеристику датчика выходного давления 14 в зависимости от величины выходного давления в устройстве нет.In the proposed device, the combination of the function of the pressure feedback unit with the function of measuring pressure by the sensor 14 is possible due to the fact that the movable rod 5 is loaded only by the weight of the linear actuator 6 and the elasticity of the spring 10. Only the beginning depends on these parameters (the weight of the actuator and the elasticity of the spring). and the slope of the linear characteristic of the output signal of the sensor 14. There are no factors that change the characteristic of the output pressure sensor 14 depending on the value of the output pressure in the device.

Ограничение максимального давления на выходе устройства, при использовании его для управления пневмоприводом токоприемника, обеспечивается длиной штока 5, на котором закрепляется актуатор 6. Сам актуатор имеет фиксированное положение своего полностью втянутого выдвижного штока 7, заданное в параметрах от изготовителя.Limiting the maximum pressure at the output of the device, when used to control the pneumatic drive of the pantograph, is provided by the length of the rod 5, on which the actuator 6 is fixed. The actuator itself has a fixed position of its fully retracted retractable rod 7, specified in the parameters from the manufacturer.

Если включение устройства производится при температуре окружающей среды ниже минус 30°С, перед началом работы включается позисторный нагреватель 11. Ток через нагреватель зависит от температуры нагревателя и при достижении 60°С приближается к нулевому значению. Использование позисторного нагревателя не требует контроля температуры нагрева и устраняет последствия возможных ошибочных включений нагревателя. Для включения нагревателя можно использовать общий сигнал управляющих цепей электровоза «Зима/Лето», предназначенный для предпусковых операций систем электровоза в зимнее время.If the device is turned on at an ambient temperature below minus 30°C, the posistor heater 11 is turned on before starting work. The current through the heater depends on the heater temperature and approaches zero when it reaches 60°C. The use of a posistor heater does not require control of the heating temperature and eliminates the consequences of possible erroneous switching on of the heater. To turn on the heater, you can use the common signal of the control circuits of the electric locomotive "Winter / Summer", intended for pre-start operations of the electric locomotive systems in winter.

Время необходимого разогрева составляет 5÷10 минут и не превышает времени предпусковой подготовки других систем электровоза.The required warm-up time is 5÷10 minutes and does not exceed the pre-launch time of other electric locomotive systems.

Claims

1. A compressed air pressure control device driven by a linear actuator, characterized in that it contains a pressure feedback assembly, which includes a housing, inside which a metal bellows is placed, one end of which is rigidly connected to a sleeve installed in the housing, and is fixed, and the second end of the bellows is pressed by a cylindrical twisted spring installed between the bushing and the second end of the bellows, a movable rod passes inside the specified spring, on which a linear stepper actuator with a retractable rod is fixed, passing into the pneumatic distributor until it stops into the movable spool, preloaded by the second spring, on In the case of the pneumatic distributor, a pre-heater is placed with the possibility of heating.

2. The device according to claim 1, characterized in that a differential transformer outlet pressure sensor is used.

3. The device according to claim 1, characterized in that, additionally, on the retractable rod of the linear stepper actuator, the movable element of the initial position sensor of the retractable actuator rod is rigidly fixed.

4. The device according to claim 1, characterized in that, in addition, a differential transformer coil is fixed on the body of the pressure feedback unit, covering the movable rod of the pressure feedback unit.

5. The device according to claim 1, characterized in that a posistor preheater is used.