Губернатор (устройство)

Губернатор
Тип	Выключатель
Электронный символ

Регулятор устройство , или ограничитель скорости , или контроллер , представляет собой , используемое для измерения и регулирования скорости машины , например двигателя .

Классическим примером является центробежный регулятор , также известный как регулятор Ватта или шаровой регулятор возвратно-поступательного парового двигателя, который использует эффект инерционной силы на вращающиеся грузы, приводимые в движение выходным валом машины, для регулирования ее скорости путем изменения входного потока пар.

История

Центробежные регуляторы использовались для регулирования расстояния и давления между жерновами с ветряных мельниц 17 века. Ранние паровые двигатели использовали исключительно возвратно-поступательное движение и использовались для перекачивания воды – приложение, которое допускало изменения рабочей скорости.

Лишь после того, как шотландский инженер Джеймс Уатт представил ротационный паровой двигатель для привода заводских машин, возникла необходимость в постоянной рабочей скорости. Между 1775 и 1800 годами Уатт в сотрудничестве с промышленником Мэтью Бултоном произвел около 500 лучевых двигателей с вращающимся лучом . В основе этих двигателей был разработанный Уоттом «конический маятниковый» регулятор: набор вращающихся стальных шариков, прикрепленных к вертикальному шпинделю с помощью рычагов, где управляющая сила состоит из веса шариков.

Теоретическая основа деятельности губернаторов была описана Джеймсом Клерком Максвеллом в 1868 году в его основополагающей статье «О губернаторах». ^{[ 1 ]}

Основываясь на конструкции Уотта, американский инженер Уиллард Гиббс в 1872 году теоретически проанализировал конический маятниковый регулятор Уатта с точки зрения математического баланса энергии. Во время учебы в аспирантуре Йельского университета Гиббс заметил, что на практике работа устройства имела такие недостатки, как медлительность и склонность к чрезмерной корректировке изменений скорости, которую оно должно было контролировать. ^{[ 2 ]}

Гиббс предположил, что, аналогично равновесию простого регулятора Ватта (которое зависит от балансировки двух крутящих моментов: одного из-за веса «шариков», а другого из-за их вращения), термодинамическое равновесие для любой работы, производящей термодинамическую систему зависит от баланса двух сущностей. Первая — это тепловая энергия, сообщаемая промежуточному веществу, а вторая — энергия работы, совершаемая промежуточным веществом. В данном случае промежуточным веществом является пар.

Кульминацией такого рода теоретических исследований стала публикация в 1876 году знаменитой работы Гиббса « О равновесии гетерогенных веществ» и создание губернатора Гиббса. Эти формулировки сегодня повсеместно распространены в естественных науках в виде уравнения свободной энергии Гиббса , которое используется для определения равновесия химических реакций; также известное как равновесие Гиббса . ^{[ 3 ]}

Регуляторы также можно было найти на ранних автомобилях (таких как Wilson-Pilcher 1900 года ), где они были альтернативой ручному дросселю. Они использовались для установки требуемой скорости двигателя, а дроссельная заслонка и синхронизация автомобиля настраивались регулятором, чтобы поддерживать постоянную скорость, подобно современному круиз-контролю . Регуляторы также были необязательными для грузовых автомобилей с аксессуарами с приводом от двигателя, такими как лебедки или гидравлические насосы (например, Land Rover ), опять же, чтобы поддерживать необходимую скорость двигателя независимо от изменений приводимой нагрузки.

Ограничители скорости

Регуляторы можно использовать для ограничения максимальной скорости транспортных средств, а для некоторых классов транспортных средств такие устройства являются юридическим требованием. В более общем плане их можно использовать для ограничения скорости вращения двигателя внутреннего сгорания или защиты двигателя от повреждений из-за чрезмерной скорости вращения.

Автомобили

Сегодня BMW , Audi , Volkswagen и Mercedes-Benz ограничивают скорость своих серийных автомобилей до 250 километров в час (155 миль в час). Некоторые Audi Sport GmbH и AMG автомобили , а также Mercedes/McLaren SLR являются исключением. BMW Rolls-Royces ограничены скоростью 240 километров в час (149 миль в час). Ягуары хоть и британские, но тоже имеют ограничитель, как и шведский Сааб и Вольво на машинах там, где это необходимо.

Немецкие производители изначально заключили « джентльменское соглашение », ограничивая максимальную скорость своих автомобилей электронным способом до 250 километров в час (155 миль в час). ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} поскольку такие высокие скорости более вероятны на автобане . Это было сделано для уменьшения политического желания ввести законное ограничение скорости.

На европейских рынках General Motors Europe иногда отказывается от соглашения, а это означает, что некоторые мощные автомобили Opel или Vauxhall могут превышать отметку в 250 километров в час (155 миль в час), тогда как их Cadillac этого не делает. Ferrari , Lamborghini , Maserati , Porsche , Aston Martin и Bentley также не ограничивают скорость своих автомобилей, по крайней мере, до 250 километров в час (155 миль в час). Chrysler 300C SRT8 ограничен до 270 км/ч. Большинство автомобилей на внутреннем рынке Японии ограничены скоростью всего 180 километров в час (112 миль в час) или 190 километров в час (118 миль в час). ^{[ 6 ]} Максимальная скорость является сильным аргументом для продаж, хотя скорость выше 300 километров в час (190 миль в час) вряд ли будет достижима на дорогах общего пользования.

Многие высокопроизводительные автомобили ограничены скоростью 250 километров в час (155 миль в час ). ^{[ 7 ]} ограничить расходы на страхование транспортного средства и снизить риск выхода из строя шин .

Мопеды

С 1977 года мопеды в Соединенном Королевстве должны были иметь ограничитель скорости 30 миль в час (48 км/ч). ^{[ 8 ]} В большинстве других европейских стран действуют аналогичные правила (см. основную статью).

Коммунальные автомобили

Транспортные средства общественного пользования часто имеют установленную законом максимальную скорость. Регулярные автобусные перевозки в Соединенном Королевстве (а также автобусные перевозки ) ограничены скоростью 65 миль в час. ^{[ 9 ]}

Городские общественные автобусы часто имеют регуляторы скорости, которые обычно устанавливаются на диапазон от 65 километров в час (40 миль в час) до 100 километров в час (62 мили в час). ^{[ нужна ссылка ]}

Грузовики

Все тяжелые транспортные средства в Европе и Новой Зеландии имеют законы/подзаконные акты, которые ограничивают их скорость до 90 километров в час (56 миль в час) или 100 километров в час (62 мили в час). ^{[ нужна ссылка ]} Пожарные машины и другие машины экстренных служб освобождены от этого требования.

Пример использования

Самолет

авиационные пропеллеры Еще одно применение — . Регулятор определяет частоту вращения вала и регулирует или контролирует угол лопастей, чтобы изменить крутящую нагрузку на двигатель. Таким образом, когда самолет ускоряется (как при пикировании) или замедляется (при наборе высоты), обороты остаются постоянными.

Маленькие двигатели

Небольшие двигатели, используемые для питания газонокосилок , портативных генераторов , а также газонных и садовых тракторов , оснащены регулятором, позволяющим ограничивать подачу топлива в двигатель до максимально безопасной скорости при разгрузке и поддерживать относительно постоянную скорость, несмотря на изменения нагрузки. В случае применения генератора необходимо тщательно контролировать скорость двигателя, чтобы выходная частота генератора оставалась достаточно постоянной.

Регуляторы небольших двигателей обычно относятся к одному из трех типов: ^{[ 10 ]}

Пневматический : механизм регулятора определяет поток воздуха от маховика нагнетателя , используемого для охлаждения двигателя с воздушным охлаждением. Типичная конструкция включает в себя воздушную лопасть , установленную внутри корпуса нагнетателя двигателя и соединенную с карбюратора заслонки валом дроссельной . Пружина . открывает дроссельную заслонку, и по мере того, как двигатель набирает обороты, увеличенный поток воздуха от нагнетателя заставляет лопасть прижиматься обратно к пружине, частично закрывая дроссельную заслонку В конце концов будет достигнута точка равновесия , и двигатель будет работать с относительно постоянной скоростью. Пневматические регуляторы просты по конструкции и недороги в производстве. Они не очень точно регулируют частоту вращения двигателя, на них влияет плотность воздуха, а также внешние условия, которые могут влиять на воздушный поток.
Центробежный : механизм противовеса, приводимый в движение двигателем, связан с дроссельной заслонкой и работает против пружины аналогично механизму пневматического регулятора, что приводит к практически идентичной работе. Центробежный регулятор сложнее спроектировать и изготовить, чем пневматический регулятор. Центробежная конструкция более чувствительна к изменениям скорости и, следовательно, лучше подходит для двигателей, которые испытывают большие колебания нагрузки.
Электронный : серводвигатель связан с дроссельной заслонкой и управляется электронным модулем , который определяет скорость двигателя путем подсчета электрических импульсов , излучаемых системой зажигания или магнитным датчиком. Частота этих импульсов напрямую зависит от скорости двигателя, что позволяет модулю управления подавать пропорциональное напряжение на сервопривод для регулирования скорости двигателя. Из-за их чувствительности и быстрого реагирования на изменения скорости электронные регуляторы часто устанавливаются на генераторы с приводом от двигателя, предназначенные для питания компьютерного оборудования , поскольку выходная частота генератора должна поддерживаться в узких пределах, чтобы избежать неисправности.

Управление турбиной

Работа флайболового регулятора для регулирования скорости водяной турбины

В паровых турбинах представляет управление паровой турбиной собой процедуру контроля и регулирования расхода пара в турбину с целью поддержания постоянной скорости ее вращения. Расход пара контролируется и регулируется с помощью промежуточных клапанов между котлом и турбиной. ^{[ 11 ]}

В водяных турбинах с середины 19 века используются регуляторы для регулирования их скорости. В типичной системе используется регулятор Flyball, действующий непосредственно на входной клапан турбины или калитку для контроля количества воды, поступающей в турбину. К 1930 году механические регуляторы начали использовать ПИД -регуляторы для более точного управления. Во второй половине двадцатого века электронные регуляторы и цифровые системы начали заменять механические регуляторы. ^{[ 12 ]}

Электрический генератор

При выработке электроэнергии в синхронных электрических сетях первичные двигатели приводят в движение электрические генераторы , которые электрически связаны с любыми другими генераторами в сети. При регулировании снижения скорости частота всей сети определяет количество топлива, подаваемого к каждому генератору, поэтому, если сеть работает быстрее, его регулятор снижает подачу топлива к каждому генератору для ограничения скорости.

Лифт

Регуляторы используются в лифтах . Он действует как механизм остановки в случае, если лифт выходит за пределы своей скорости движения (которая обычно зависит от максимальной скорости лифта и задается производителем в соответствии с международными рекомендациями по безопасности лифтов). Данное устройство должно устанавливаться в тяговых лифтах и тросовых гидролифтах.

Музыкальная шкатулка

В некоторых заводных музыкальных шкатулках используются регуляторы, обеспечивающие воспроизведение музыки с постоянной скоростью, в то время как натяжение пружины уменьшается.

См. также

Ссылки

^ Беннетт, Стюарт (1992). История техники управления, 1930-1955 гг . ИЭПП. п. п. 48 . ISBN 978-0-86341-299-8 .
^ Уиллер, Линдер Фелпс (1947), «Гиббс-губернатор паровых двигателей», в Уилер, Линдер Фелпс; Уотерс, Эверетт Ойлер; Дадли, Сэмюэл Уильям (ред.), Ранние работы Уилларда Гиббса в области прикладной механики , Нью-Йорк: Генри Шуман, стр. 63–78.
^ Уиллер, Л. (1951). Джозайя Уиллард Гиббс - История великого разума. Вудбридж, Коннектикут: Ox Bow Press.
^ Богдан Попа (28 июля 2012 г.). «Джентльменское соглашение: не так быстро, сэр!» . автоэволюция .
^ ван Горп, Анке. «Этические проблемы инженерного проектирования; безопасность и устойчивое развитие», стр. 16. Опубликовано 3TU Ethics, 2005 г. ISBN 9090199071 , 9789090199078. ISSN 1574-941X
^ «Почему Япония наконец спустила ногу с тормоза | The Japan Times Online» . Search.japantimes.co.jp. 13 апреля 2008 г. Проверено 8 ноября 2012 г.
^ Майк Спинелли (11 февраля 2006 г.). «Прощайте, господин: Mercedes откроет максимальную скорость для моделей AMG в США за определенную цену» . Ялопник .
^ Департамент транспорта (2008 г.). «Сообщенные о дорожно-транспортных происшествиях в Великобритании: годовой отчет за 2008 г.» (PDF) . Проверено 9 января 2010 г. на стр. 179 говорится: «Максимальная расчетная скорость мопедов изменена на 30 миль в час».
^ «История британской дорожной безопасности» . Архивировано из оригинала 17 июня 2010 г. Проверено 20 января 2010 г.
^ «Как работает регулятор небольшого двигателя? | Briggs & Stratton» . www.briggsandstratton.com . Проверено 22 марта 2018 г.
^ Ратор, ММ (2010). Тепловая инженерия . Нью-Дели: Образование Таты МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-068113-2 . Проверено 29 января 2015 г.
^ Фасоль, Карл Хайнц (август 2002 г.). «Краткая история управления гидроэнергетикой» (PDF) . Журнал IEEE Control Systems . 22 (4): 68–76. дои : 10.1109/MCS.2002.1021646 . Архивировано из оригинала (PDF) 6 ноября 2015 года . Проверено 29 января 2015 г.

[ben93p48-1] Беннетт, Стюарт (1992). История техники управления, 1930-1955 гг . ИЭПП. п. п. 48 . ISBN 978-0-86341-299-8 .

[2] Уиллер, Линдер Фелпс (1947), «Гиббс-губернатор паровых двигателей», в Уилер, Линдер Фелпс; Уотерс, Эверетт Ойлер; Дадли, Сэмюэл Уильям (ред.), Ранние работы Уилларда Гиббса в области прикладной механики , Нью-Йорк: Генри Шуман, стр. 63–78.

[3] Уиллер, Л. (1951). Джозайя Уиллард Гиббс - История великого разума. Вудбридж, Коннектикут: Ox Bow Press.

[4] Богдан Попа (28 июля 2012 г.). «Джентльменское соглашение: не так быстро, сэр!» . автоэволюция .

[5] ван Горп, Анке. «Этические проблемы инженерного проектирования; безопасность и устойчивое развитие», стр. 16. Опубликовано 3TU Ethics, 2005 г. ISBN 9090199071 , 9789090199078. ISSN 1574-941X

[6] «Почему Япония наконец спустила ногу с тормоза | The Japan Times Online» . Search.japantimes.co.jp. 13 апреля 2008 г. Проверено 8 ноября 2012 г.

[7] Майк Спинелли (11 февраля 2006 г.). «Прощайте, господин: Mercedes откроет максимальную скорость для моделей AMG в США за определенную цену» . Ялопник .

[8] Департамент транспорта (2008 г.). «Сообщенные о дорожно-транспортных происшествиях в Великобритании: годовой отчет за 2008 г.» (PDF) . Проверено 9 января 2010 г. на стр. 179 говорится: «Максимальная расчетная скорость мопедов изменена на 30 миль в час».

[9] «История британской дорожной безопасности» . Архивировано из оригинала 17 июня 2010 г. Проверено 20 января 2010 г.

[10] «Как работает регулятор небольшого двигателя? | Briggs & Stratton» . www.briggsandstratton.com . Проверено 22 марта 2018 г.

[11] Ратор, ММ (2010). Тепловая инженерия . Нью-Дели: Образование Таты МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-068113-2 . Проверено 29 января 2015 г.

[12] Фасоль, Карл Хайнц (август 2002 г.). «Краткая история управления гидроэнергетикой» (PDF) . Журнал IEEE Control Systems . 22 (4): 68–76. дои : 10.1109/MCS.2002.1021646 . Архивировано из оригинала (PDF) 6 ноября 2015 года . Проверено 29 января 2015 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]