Regulator odśrodkowy - Centrifugal governor

Rysunek odśrodkowego regulatora typu „fly-ball”. Kulki wychylają się wraz ze wzrostem prędkości, co powoduje zamknięcie zaworu, aż do osiągnięcia równowagi między zapotrzebowaniem a proporcjonalnym wzmocnieniem cięgła i zaworu.

Regulator odśrodkowy to specyficzny typ regulatora z układem sprzężenia zwrotnego, który kontroluje prędkość silnika poprzez regulację przepływu paliwa lub płynu roboczego , tak aby utrzymać prawie stałą prędkość. Wykorzystuje zasadę proporcjonalności .

Sterowniki odśrodkowe zostały wynalezione przez Christiaana Huygensa i używane do regulacji odległości i ciśnienia między kamieniami młyńskimi w wiatrakach w XVII wieku. W 1788 roku James Watt przystosował jeden do sterowania silnikiem parowym, w którym reguluje dopływ pary do cylindra ( cylindrów ), co okazało się tak ważne, że czasami nazywany jest wynalazcą. Najszersze zastosowanie gubernatorów odśrodkowych miało miejsce w silnikach parowych w epoce pary w XIX wieku. Można je również znaleźć w stacjonarnych silnikach spalinowych i turbinach o różnym zasilaniu , a także w niektórych nowoczesnych zegarach bijakowych .

Prosty regulator nie utrzymuje dokładnej prędkości, ale zakres prędkości, ponieważ przy rosnącym obciążeniu regulator otwiera przepustnicę, gdy prędkość (RPM) spada.

Operacja

Rysunek przekrojowy regulatora prędkości silnika parowego. Zawór zaczyna się całkowicie otwierać przy zerowej prędkości, ale gdy kulki obracają się i podnoszą, centralny trzpień zaworu jest wypychany w dół i zamyka zawór. Wał napędowy, którego prędkość jest mierzona, znajduje się u góry po prawej stronie
Gubernator Portera na silniku parowym Corliss

Pokazane urządzenia są na silnikach parowych. Moc jest dostarczana do regulatora z wału wyjściowego silnika za pomocą paska lub łańcucha połączonego z dolnym kołem pasowym. Regulator jest podłączony do zaworu dławiącego , który reguluje przepływ płynu roboczego (pary) zasilającej główny napęd . Wraz ze wzrostem prędkości głównego napędu, wrzeciono centralne regulatora obraca się z większą prędkością, a energia kinetyczna kulek wzrasta. Pozwala to dwóm masom na ramionach dźwigni poruszać się na zewnątrz i do góry wbrew grawitacji. Jeśli ruch zajdzie dostatecznie daleko, ruch ten powoduje pociągnięcie ramion dźwigni w dół na łożysku oporowym , które porusza łącznik belki, co zmniejsza aperturę zaworu dławiącego. Szybkość dopływu płynu roboczego do cylindra jest w ten sposób zmniejszona, a prędkość głównego napędu jest kontrolowana, co zapobiega nadmiernej prędkości.

Do ograniczenia zakresu ruchu przepustnicy można użyć ograniczników mechanicznych, jak widać w pobliżu mas na obrazie po prawej stronie.

Regulacja nie grawitacyjna

Ograniczeniem dwuramiennego regulatora z dwiema kulami jest jego poleganie na grawitacji oraz to, że regulator musi pozostać wyprostowany względem powierzchni Ziemi, aby grawitacja cofnęła kule, gdy gubernator zwalnia.

Regulatory mogą być zbudowane, które nie używają siły grawitacji, używając pojedynczego prostego ramienia z ciężarkami na obu końcach, środkowego sworznia przymocowanego do obracającej się osi i sprężyny, która próbuje skierować ciężarki w kierunku środka obracającej się osi. Dwa obciążniki na przeciwległych końcach ramienia obrotowego równoważą wszelkie efekty grawitacyjne, ale oba obciążniki wykorzystują siłę odśrodkową do działania przeciw sprężynie i próbują obrócić ramię obrotowe w kierunku prostopadłej osi względem obracającej się osi.

Sprężynowe regulatory nie grawitacyjne są powszechnie stosowane w jednofazowych silnikach indukcyjnych prądu przemiennego (AC) do wyłączania cewki pola rozruchowego, gdy prędkość obrotowa silnika jest wystarczająco wysoka.

Są również powszechnie stosowane w przekładniach bezstopniowych (CVT) do skuterów śnieżnych i pojazdów terenowych (ATV) , zarówno do włączania / wyłączania ruchu pojazdu, jak i do zmiany stosunku średnicy koła pasowego przekładni w zależności od obrotów silnika na minutę .

Historia

Silnik Boulton & Watt z 1788 roku

James Watt zaprojektował swojego pierwszego gubernatora w 1788 roku na podstawie sugestii swojego partnera biznesowego Matthew Boultona . Był to stożkowy regulator wahadła i jedna z ostatnich innowacji, które Watt zastosował w silnikach parowych. James Watt nigdy nie twierdził, że gubernator odśrodkowy był własnym wynalazkiem. Gigantyczny posąg gubernatora Watta stoi w Smethwick w angielskim West Midlands . Jest znany jako gubernator flyball.

Regulatory odśrodkowe są również używane w wielu nowoczesnych zegarkach powtarzających się, aby ograniczyć prędkość uderzającego pociągu , aby repeater nie działał zbyt szybko.

Inny rodzaj regulatora odśrodkowego składa się z pary mas na wrzecionie wewnątrz cylindra, przy czym masy lub cylinder są pokryte klockami, podobnie jak hamulec bębnowy . Jest używany w odtwarzaczu ze sprężyną i sprężynowym pokrętle telefonicznym w celu ograniczenia prędkości.

Systemy dynamiczne

Regulator odśrodkowy jest często używany w kognitywistyce jako przykład systemu dynamicznego , w którym reprezentacja informacji nie może być wyraźnie oddzielona od operacji wykonywanych na reprezentacji. A ponieważ regulator jest serwomechanizmem , jego analiza w układzie dynamicznym nie jest trywialna. W 1868 roku James Clerk Maxwell napisał słynną pracę On Governors ”, która jest powszechnie uważana za klasyczną w teorii kontroli sprzężenia zwrotnego . Maxwell wyróżnia moderatory ( hamulec odśrodkowy ) i regulatory, które kontrolują pobór mocy napędowej . Bierze pod uwagę urządzenia Jamesa Watta , profesora Jamesa Thomsona , Fleeming Jenkin , Williama Thomsona , Léona Foucaulta i Carla Wilhelma Siemensa (zarządca cieczy).

Naturalna selekcja

W swoim słynnym artykule z 1858 r. Do Towarzystwa Linneusza , który skłonił Darwina do opublikowania O pochodzeniu gatunków , Alfred Russel Wallace użył gubernatorów jako metafory zasady ewolucji :

Zasada ta działa dokładnie tak samo, jak regulator odśrodkowy silnika parowego, który sprawdza i koryguje wszelkie nieprawidłowości prawie zanim staną się widoczne; i podobnie żaden niezrównoważony brak w królestwie zwierząt nie może nigdy osiągnąć żadnej rzucającej się w oczy wielkości, ponieważ dałby się odczuć już na pierwszym etapie, czyniąc egzystencję trudną, a wymarcie prawie na pewno wkrótce nastąpi.

Bateson powrócił do tego tematu w swojej książce Mind and Nature: A Necessary Unity z 1979 roku , a inni uczeni kontynuowali badanie związku między doborem naturalnym a teorią systemów .

Kultura

Gubernator odśrodkowy jest częścią pieczęci miejskiej Manchesteru w stanie New Hampshire w USA i jest również używany na fladze miasta. Wyborcy odrzucili próbę zmiany projektu w 2017 roku.

Zobacz też

Bibliografia