机械液压型调速器

机械液压型调速器主要内容1、测量元件（离心摆）2、比较元件（引导阀）3、放大元件（液压放大装置）4、反馈元件（缓冲器）5、操作控制机构6、油压装置第二章机械液压调速器离心摆引导阀缓冲器辅助接力器、主配压阀主接力器2.1测量元件（离心摆）1.离心摆结构及工作原理主要内容：2.离心摆运动方程和动态特性3.离心摆工作参数2.1测量元件（1）作用：把机组的转速信号转换为机械位移信号。（2）结构：菱形钢带结构，上与飞摆电动机转轴相连（输入），下与引导阀转动套相连（输出）。离心飞摆结构①上支持块输入②钢带③限位架④重块⑤调节螺母⑥弹簧⑦下支持块（3）动作：a.初始为某一平衡位置，折算离心力与弹簧力相等；b.当飞摆转速升高时，折算离心力大于弹簧力向外张开，下支持块向上处于较高位置；c.当飞摆转速下降时，折算离心力小于弹簧力向内收缩，下支持块向下处于较低位置；可见稳态时，下支持块的上下位置就反映了转速的高低。离心摆受力及动作（4）离心摆特性1.运动方程——由二阶简化为比例方程xfrfnnnEzdzdAkminmax0max2002])([2.离心摆的不均衡度——表征离心摆的测速范围100maxfzK3.离心摆的放大系数K：转速偏差1%时,下支持块的位移偏差。放大系数K的倒数称为单位不均衡度δuxdtdTdtdTf222214.静特性直线性：实践表明菱形钢带式离心摆的静特性在一定范围内线性度很好。转速死区：%100rxpnnni静特性曲线离心摆运动方程：方框图：传递函数：2.2放大元件（液压放大装置）1.放大元件动作原理主要内容：3.放大元件静态特性4.放大元件动态特性2.放大元件结构5.放大元件方块图2.2.1放大元件动作原理（1）作用：将飞摆的输出位移量放大到足以操作笨重的导水机构。（2）结构a．第一级液压放大（引导阀→辅助接力器）引导阀由三层结构组成，外层为引导阀固定套，里层为引导阀针塞，中间层为引导阀转动套。转动套与离心摆下支持块相连，和离心摆一同旋转；引导阀针塞与辅助接力器、主接力器反馈杠杆相连；固定套与阀体相连，阀体上接通三个油管路。辅助接力器与引导阀中间控制油路相连。引导阀结构b．第二级液压放大（主配压阀→主接力器）主配位于辅接下面，由外层的阀套与中间的阀芯组成。阀芯两个阀盘，上大下小。阀套与阀体相连，阀体上有4个油管路。主接由缸体、活塞及活塞杆组成，活塞两侧接通主配两个控制油路，活塞杆与导水机构相连。第一级液压放大第二级液压放大（3）动作平衡位置受力分析辅助接力器向上力：辅助接力器向下力：静止时满足：转速升高时：转速降低时：2.2.2放大元件结构1.配压阀型式结构形式分类：（按遮程/搭叠量分）hs——衬套孔口高度hv——阀盘高度a.通流式：正开口阀b.断流式：负开口阀零开口阀通流式配压阀断流式配压阀a.四通阀——双作用油缸有两个控制油路主配压阀―→主接力器b.三通阀——单作用油缸只有一个控制油路引导阀―→辅助接力器2.液压放大的型式2.2.3放大元件静态特性液压放大装置原理图接力器在静止时，有b.配压阀漏油量或压力损失在遮程上。由于间隙很小（0.01mm~0.02mm），流速较低为层流，压力损失与流量的一次方成正比例，设压力油罐油压为p0，回油箱油压为“0”，则有kT—与阀盘和阀套之间间隙相关的液体摩阻系数。漏油量q与工作油压p0成正比，与遮程l、kt成反比。a.接力器静止平衡方程c.几何中间位置即衬套孔口两侧遮程相等情况下，主配压阀两个控制油口油压相等，油压合力此时为零。即d.工作（实际）中间位置阻力不为零，故活塞两侧的油压力不相等。能够保持接力器静止不动的主配压阀阀芯位置，称之为工作（实际）中间位置，以几何中间位置为基准，设主配压阀阀芯向下位移S1，则有：可见，工作中间位置与阻力R大小成正比，由于水力阻力的大小和方向随导叶开度位置变化。因此主配压阀工作中间位置的大小和方向也在变化。d.配压阀死区由于作用在接力器活塞杆上的力除水推力RW之外，还有干摩擦力T。若要向开启方向移动，油压为主动力，阻力R=RW+T，配压阀向下位移S11若要向关闭方向移动，水推力RW为主动力，阻力R=(PI-PII)F+T，配压阀向上位移S12则在S11到S12之间移动时，主接力器保持不动。称为配压阀死区2.2.4放大元件动态特性一旦配压阀偏离了工作中间位置，设在此基础上主配压阀偏离一个量△S，接力器就开始运动。接力器活塞的运动方程为式中：m接力器活塞及一起移动的零部件质量（包括与接力器活塞一起运动的所有零部件，如推拉杆、控制环、连杆、拐臂和导叶等）；D为液体阻尼系数；Y为接力器位移量。当调节系统波动较小时，△S亦较小，接力器移动速度较慢，运动质量力、液体摩擦阻力相对于水阻力、油压力小的多，运动方程可近似认为或与静止式相同，但内涵不同上式说明，为液压放大元件提供压力油的油压，一部分用于克服接力器上静止阻力所需油压R/F，另一部分用于克服接力器运动所引起的油流动在过油部件产生的油压损失，这一损失油压称为储备油压△p。在小波动条件下，接力器速度较慢，管道中的油流速较慢，所有沿程损失可忽略不计，油压损失△p主要集中在配压阀口。设配压阀窗口形状为矩形，根据不可压缩流体的连续性方程，流过该窗口的油流量等于通过接力器的油流量。式中：v通过配压阀窗口油的流速，b为配压阀窗口宽度，△S为配压阀的偏移量。通常以接力器活塞最大位移Ymax（YM）及配压阀阀芯最大位移Smax为基准，写成相对值形式（注：以下运动方程、传递函数中的物理量均以偏差相对值表示），有上式称为接力器运动方程，Ty称为接力器反应时间常数，单位为秒（s）。液压放大装置的传递函数为可见，液压放大装置是一个积分环节。其中可见，当配压阀有一开口时，接力器以一直线运动。或者说，要想让接力器停止运动，配压阀开口必须为“0”，这说明液压放大装置无自平衡能力。在单位阶跃输入信号作用下，其时域相应输出为接力器单位阶跃响应曲线接力器反应时间常数TyTy是表征接力器运动的一个重要参数，不同的配压阀结构，油路布置不同，则Ty不同，但其输入/输出关系为非线性，一般常根据实验数据求得，画出接力器的速度特性曲线。水轮机调速器技术条件规定，Ty是指接力器带一定负载，其相对运动速度与配压阀相对位移关系曲线斜率的倒数。接力器速度特性曲线2.2.5放大元件方框图液压放大装置是一个积分环节，无自平衡能力。为了保证其输入、输出在稳态情况下保持确定的关系，将接力器的位移输出以负反馈形式反馈到配压阀的输入端，从而构成液压随动系统。①第一级液压放大装置的传递函数：式中：为辅助接力器行程；为引导阀开口相对位移，为辅助接力器反应时间常数。②局部反馈：取相对值：传递函数：为局部反馈系数。式中：为局部反馈引起的引导阀针塞相对位移量；③综合比较元件——引导阀引导阀开口：设计时取：离心飞摆方框图第一级液压放大随动系统传函为液压随动系统方框图传函简化为④辅助接力器→主配压阀取相对值设计时：传递函数：⑤放大元件总体方块图作业题1：YT型调速器主配压阀单边遮程为0.2mm，正常工作油压下限22kg/cm2，接力器活塞直径170mm，活塞杆直径50mm，导水机构的干摩擦力为1000kg，辅助接力器至引导阀的局部反馈杠杆尺寸如图所示，试求主配压阀所造成的转速死区为多少（以转速变化的相对值表示。）？已知飞摆的放大系数K=0.3mm/%，即ZM*=30mm。支点（暂态反馈及永态反馈）引导阀针塞5314110217注：图中尺寸单位为mm主配压阀辅助接力器2.4反馈元件（缓冲器）1.缓冲器作用主要内容：3.缓冲器运动方程4.缓冲器的特性2.缓冲器组成5.暂态反馈机构6.调节系统特性及动作过程分析2.4.1反馈元件作用设置反馈元件的目的是对放大元件进行校正，改变调速器的控制规律，以保证水轮机调节系统动态的稳定性。专有名词称暂态转差机构。2.4.2缓冲器的组成a.缓冲杯（主动活塞）；b.缓冲活塞（从动活塞）；c.缓冲弹簧；d.节流阀。缓冲器1.主动活塞；2.从动活塞；4.缓冲弹簧；3.节流阀。2.4.3缓冲器的运动方程作用在缓冲活塞上的力有：油压力和弹簧力，其他力较小忽略不计。通过节流阀孔口的流量由于油流速较小，可按层流公式计算。也可表示为活塞下腔油的体积变化。整理后得设：2.4.4缓冲器的回中特性设△N为一阶跃输入，观察△K的变化规律。在t=0时，△K0=△N0当t＞0时，求解微分方程缓冲器回中特性曲线当t=Td时缓冲常数Td被定义为：缓冲活塞从阶跃输入撤出到恢复至36.8%初始偏移量为止所经历的时间。2.4.5暂态反馈机构设主接力器到缓冲杯的杠杆传递系数为α1，缓冲活塞到引导阀针塞的杠杆传递系数为α2，引导阀针塞位移△Zd，主接力器位移变化量△Y，则有：代入缓冲器运动方程用相对值可化为：式中：暂态转差机构运动方程传递函数：暂态转差系数（缓冲强度）bt可理解为，相当于缓冲器截流孔全关（认为Td=∞）情况下，接力器走完全行程YM所引起的反馈量，相当于转速变化的百分数。2.4.6调节系统特性及动作过程分析分三种情况来讨论调节系统的静态与动态特性。（一）、无反馈作用时Td=0（二）、硬反馈作用时Td=∞（三）、软反馈作用时Td=有限值（1）调节系统静态特性以机组出力P为横坐标，机组转速n为纵坐标，可画出调节系统静特性曲线①无反馈（Td=0）要使调节系统稳定的3个必要条件：a.主动力矩等于阻力矩（Mt=Mg）；b.配压阀开口为零（△S=0，△SB=0）；c.反馈量不在变化（△K=常数）。无差静态特性，调节结束输出没有误差无反馈调节系统静态特性②.硬反馈（Td=∞）硬反馈调节系统静态特性③.软反馈（Td=有限值）软反馈调节系统静态特性（2）调节系统动态特性a.第一级液压放大为比例环节；b.第二级液压放大为积分环节;（主接力器速度与主配压阀开口成正比例，忽略非线性）c.主动力矩与主接力器开度成正比例。（忽略转速、水击压力等对主动力矩的影响）d.机组运动方程，忽略转速对阻力矩Mg影响①无反馈（Td=0）初始处于稳态，当t=t0时，n=n0，S=0，Y=Y0Mt=Mt0=Mg0=Mg=M0当t＞t0时，Mg=Mg1=M1＜M0=Mt0进入到动态。无反馈作用时调节系统动态过程②.硬反馈（Td=∞）曲线Sn代表机组转速对主配压阀影响，假设Z点不动；曲线Sy代表主接力器反馈对主配压阀影响，假设X点不动；红线代表二者对主配压阀影响之和，即主配压阀的实际位置变化曲线。是一个衰减振荡过程，分析见后。硬反馈作用时调节系统动态过程无反馈作用时硬反馈作用时表示动态过程中杠杆位置变化的关系。初始平衡状态，Y0、Z0、S0杠杆处于水平位置。S0点主配压阀开口的大小。Y0点反馈量的大小，Z0点转速的高低，有反馈时可以使主配压阀提前回中，不必等到转速变化后。无反馈时杠杆的动作位置有反馈时杠杆的动作位置③软反馈（Td=有限值）当采用软反馈时，在调节系统动态过程中，反馈量是存在的，可保证动态过程能够稳定，其动态过程曲线见图。软反馈相当于速度反馈，动态有、静态无；硬反馈为位置反馈，动态有、静态也有。软反馈作用时调节系统动态过程无反馈作用时软反馈作用时作业题2、YT-600型调速器的软反馈机构信号传递系统尺寸如下图所示，试求可调支点在b=15mm时的暂态转差系数bt。已知飞摆的放大系数K=0.3mm/%，即ZM*=30mm。支点（永态反馈）支点（局部反馈）引导阀针塞缓冲器反馈锥体63130b451101401588010217YM=170d2=40d1=50注：图中尺寸单位为mm2.5操作控制机构1.转速调整机构（略）主要内容：3.手动、自动切换阀4.紧急停机电磁阀2.开度限制机构2.5.2、开度限制机构1.开度限制作用正常运行时开限针塞的中间阀盘高于阀套的中部油孔，引导阀与辅助接力器之间的油路保持畅通。引导阀输出的油压控制信号可到达辅助接力器。接力器开至一定开度时，针塞的中阀盘使通向辅助接力器的油孔封闭，此时无论引导阀窗口开多大，压力油也无法流向辅助接力器，接