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新聞主題 |
柴油機(jī)的機(jī)械離心調(diào)速器的工作原理 |
摘要：機(jī)械式速度調(diào)節(jié)器主要用途是用來改變柴油機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，以便滿足電力和電壓的需要。它有助于提高柴油發(fā)電機(jī)的性能，從而大大增加生產(chǎn)效率，并保護(hù)柴油發(fā)電機(jī)免受損壞。調(diào)速器的主要性能特點是高效率、穩(wěn)定性好、精度高、調(diào)速范圍寬，它可以通過控制柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能減排、降低噪音、降低振動和提高效率的目的，同時它可以帶來更多的優(yōu)勢，比如提高柴油發(fā)電機(jī)的可靠性、延長柴油發(fā)電機(jī)的使用壽命等好處。
一、調(diào)速器原理和優(yōu)缺點
對柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，使它限制在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作的油量自動調(diào)節(jié)裝置稱為調(diào)速器。柴油機(jī)上裝置調(diào)速器，是因為柴油機(jī)工作時，負(fù)荷往往產(chǎn)生很大變化。如負(fù)荷突然增加，此時若不及時增加供油量，則會造成柴油機(jī)轉(zhuǎn)速急速下降，甚至有熄火的危險。反之，當(dāng)負(fù)荷突然減少時，如供油量不及時減少，則使轉(zhuǎn)速上升，噴油泵每次循環(huán)供油量也略有增加，而供油量的增加使轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，這樣互相影響的結(jié)果，使柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速越來越高，嚴(yán)重時會出現(xiàn)超速，甚至造成“飛機(jī)”事故。柴油機(jī)工作中，在負(fù)荷頻繁變化的情況下，依靠操作者來調(diào)節(jié)供油量，保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速是不可能的。調(diào)速器的功能就是可以根據(jù)負(fù)荷變化情況自動調(diào)節(jié)供油量，保證柴油機(jī)在規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作。
1、調(diào)速原理
機(jī)械調(diào)速器是利用重物旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生離心力作用原理而工作的。圖1所示為離心力作用原理示意圖。轉(zhuǎn)軸上懸掛著重錘，滑套裝在轉(zhuǎn)軸上，并通過拉桿與重錘相連。當(dāng)轉(zhuǎn)軸停止時，如圖1（a）所示，重錘在重力作用下，向下垂落，滑套位于最下端位置。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，如圖1（b）所示，重錘也隨著旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下，重錘向外張開，帶動滑套向上移動一段距離h。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速越高，如圖1（c）所示，離心力就越大，重錘張開角度也越大，滑套便向上移動一段較大的距離H。如將噴油泵油量調(diào)節(jié)齒條與滑套相連，便可通過重錘旋轉(zhuǎn)時離心力感知轉(zhuǎn)速變化，以實現(xiàn)供油量自動調(diào)節(jié)。
2、調(diào)速過程
① 當(dāng)柴油機(jī)功率與外界負(fù)荷平衡時，柴油機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作，飛重產(chǎn)生的離心力與彈簧的預(yù)緊力平衡，油量調(diào)節(jié)桿不動。公式如下：
F=P
② 當(dāng)外界負(fù)荷減小時，柴油機(jī)發(fā)出的功率大于外界負(fù)荷，轉(zhuǎn)速升高，飛重產(chǎn)生的離心力大于彈簧的預(yù)緊力，滑動套筒上移，調(diào)速彈簧被壓縮，油量調(diào)節(jié)桿向減油方向移動，轉(zhuǎn)速降低。但調(diào)節(jié)后的轉(zhuǎn)速比原轉(zhuǎn)速要稍高。公式如下：
F+△F=P+△P
③ 當(dāng)外界負(fù)荷增大時，柴油機(jī)發(fā)出的功率小于外界負(fù)荷，轉(zhuǎn)速降低，飛重產(chǎn)生的離心力小于彈簧的預(yù)緊力，滑動套筒下移，調(diào)速彈簧被放松，油量調(diào)節(jié)桿向加油方向移動，轉(zhuǎn)速升高。但調(diào)節(jié)后的轉(zhuǎn)速比原轉(zhuǎn)速要稍低。公式如下：
F-△F=P-△P
④ 機(jī)械調(diào)速器的設(shè)定轉(zhuǎn)速取決于調(diào)速彈簧的預(yù)緊力，預(yù)緊力越大，設(shè)定轉(zhuǎn)速越高，而彈簧的預(yù)緊力是通過調(diào)節(jié)螺釘加以調(diào)節(jié)。逆時針旋出螺釘，彈簧的預(yù)緊力降低，設(shè)定轉(zhuǎn)速下降；反之，順時針旋進(jìn)螺釘，彈簧的預(yù)緊力增加，設(shè)定轉(zhuǎn)速升高。調(diào)速過程轉(zhuǎn)速變化曲線如圖2所示。
3、優(yōu)缺點
機(jī)械調(diào)速器的工作能力較小，其靈敏度和精度均較差，但其結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便。多用于中、小型柴油機(jī)。
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圖1 柴油機(jī)調(diào)速器離心力作用原理 |
圖2 柴油機(jī)調(diào)速過程轉(zhuǎn)速變化曲線 |
二、機(jī)械式調(diào)速器分類
機(jī)械式調(diào)速器按控制轉(zhuǎn)速范圍不同，可分為單制式、雙制式和全制式三種。
1、單制式調(diào)速器
單制式調(diào)速器只能控制柴油機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。圖3所示為單制式調(diào)速器工作原理。調(diào)速器軸帶動著飛球旋轉(zhuǎn)。飛球在離心力作用下向外移動，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于最高轉(zhuǎn)速時，彈簧的彈力通過杠桿及滑套上錐面，擠壓鋼球，使鋼球限制在旋轉(zhuǎn)中心附近，調(diào)速器不起作用。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過最高轉(zhuǎn)速時，飛球離心力克服了彈簧彈力向外移動，通過錐面將滑套向右推移，又通過杠桿帶動噴油泵齒條向左移動，減少發(fā)動機(jī)供油量，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速一下降，離心力又減小，彈簧將滑套推到原來位置，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速限制在規(guī)定范圍內(nèi)。
2、雙制式調(diào)速器
雙制式調(diào)速器的功能是既能控制發(fā)動機(jī)不超過最高轉(zhuǎn)速，又能保證在最低轉(zhuǎn)速時穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，在最高與最低轉(zhuǎn)速之間，則不起作用。圖4所示為雙制式調(diào)速器工作原理。它由飛球、低速彈簧（裝在里面，軟而長）、高速彈簧（裝在外面，硬而短）、滑動盤和杠桿等組成。
柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，可根據(jù)工作負(fù)荷要求，利用操縱桿直接拉動齒桿，調(diào)整至所需供油量位置；支撐盤在油泵軸帶動下轉(zhuǎn)動，同時驅(qū)動飛球旋轉(zhuǎn)；在飛球離心力作用下，飛球向外張開，飛球內(nèi)臂撥動滑動盤右移，低速彈簧被壓縮，直到與高速彈簧相接觸；高速彈簧彈力較大，阻止其繼續(xù)移動。
當(dāng)負(fù)載突然增加時，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降，飛球離心力減小。直到柴油機(jī)下降至最低轉(zhuǎn)速，飛球離心力克服不了低速彈簧力作用，滑動盤在低速彈簧力作用下，將飛球擠向旋轉(zhuǎn)中心，使滑動盤向左移動，通過杠桿將齒條向左推動，增加了柴油機(jī)供油量，防止柴油機(jī)轉(zhuǎn)速過低而熄火。
柴油機(jī)轉(zhuǎn)速升高時，飛球離心力增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過規(guī)定最高轉(zhuǎn)速時，飛球離心力便克服兩個彈簧彈力作用，推動滑動盤向右移動，通過杠桿，將齒條向右移動，使柴油機(jī)供油量減少，轉(zhuǎn)速下降，從而防止轉(zhuǎn)速過高引起“飛機(jī)”事故。
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圖3 柴油機(jī)單制式調(diào)速器工作原理 |
圖4 柴油機(jī)雙制式調(diào)速器工作原理 |
3、全制式調(diào)速器
全制式調(diào)速器可以控制柴油機(jī)在最低轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速之間的任一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。圖5所示為全制式調(diào)速器工作原理圖。它由操縱桿、支撐盤、飛球、滑動盤、調(diào)速彈簧、杠桿和齒條等組成。
柴油機(jī)工作時，利用操縱桿將噴油泵齒條調(diào)整到某一位置上，使柴油機(jī)獲得所需要的轉(zhuǎn)速（操縱桿是通過調(diào)速彈簧拉動杠桿來操縱齒條的）。飛球在支撐盤帶動下轉(zhuǎn)動，在一定轉(zhuǎn)速下，飛球離心力通過滑動盤對杠桿作用，恰好與調(diào)速彈簧力相平衡。即當(dāng)油門操縱桿固定在某一位置時，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為一定值，如果負(fù)荷不變，調(diào)節(jié)齒條不動，柱塞供油量不變，飛球離心力與調(diào)速彈簧拉力保持平衡。
當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷增加時，轉(zhuǎn)速下降，飛球離心力減小，在調(diào)速彈簧作用下，飛球向內(nèi)靠攏，拉動杠桿將齒條向右推動，供油量增大，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速上升，直到飛球離心力與調(diào)速彈簧彈力再次平衡為止。這時柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速略低于負(fù)荷增加前的轉(zhuǎn)速。
當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷減小時，轉(zhuǎn)速升高，飛球離心力增大，向外張開。當(dāng)飛球離心力大于調(diào)速彈簧彈力時，滑動盤向左移動，推動杠桿將齒條向左拉出，供油量減少，轉(zhuǎn)速下降，直到飛球離心力與彈簧彈力得到新的平衡為止。這時柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速略高于負(fù)荷減小前的轉(zhuǎn)速。
全制式調(diào)速器所控制的轉(zhuǎn)速是隨操縱桿的位置而定的，操縱桿向右移，調(diào)速彈簧彈力變大，此時調(diào)速器作用轉(zhuǎn)速變高，即柴油機(jī)穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速增高。反之，操縱桿向左移，使調(diào)速彈簧彈力減小，柴油機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速變低。當(dāng)操縱桿位置不動時，調(diào)速彈簧拉力一定，飛球推力一定，它們之間保持平衡，柴油機(jī)便保持在相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速下工作。當(dāng)改變操縱桿的位置，建立新的平衡時，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍才改變。因此全制式調(diào)速器起作用的轉(zhuǎn)速范圍是人為確定的。
從單制式、雙制式和全制式調(diào)速器工作原理可知，全制式調(diào)速器彈簧的張力，可通過操縱桿來調(diào)節(jié)，則雙制式調(diào)速器的高速和低速、單制式調(diào)速器的高速彈簧的張力是不能改變的。由于全制式調(diào)速器的彈簧張力可在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，因此柴油機(jī)也就可以在規(guī)定范圍內(nèi)的任意轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。調(diào)速器調(diào)速特性曲線如圖6所示。
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圖5 全制式調(diào)速器工作原理 |
圖6 柴油機(jī)調(diào)速器調(diào)速性曲線圖 |
三、調(diào)速器的性能指標(biāo)
1、靜態(tài)指標(biāo)
（1）穩(wěn)定調(diào)速率 δ?
指當(dāng)操縱手柄在標(biāo)定供油位置時，最高空載轉(zhuǎn)速nomax與標(biāo)定轉(zhuǎn)速nb之差同標(biāo)定轉(zhuǎn)速nb比值的百分?jǐn)?shù)，即：
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...........................（公式1）
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穩(wěn)定調(diào)速率δ?用來衡量調(diào)速器的準(zhǔn)確性，其值愈小，表示調(diào)速器的準(zhǔn)確性愈好。δ?在國外稱速度降（Speed droop）。對單臺柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)允許δ?=0，表示該柴油機(jī)將不隨外界負(fù)荷變化而保持恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。但在幾臺柴油機(jī)并聯(lián)工作時，為使各機(jī)負(fù)荷分配合理，各機(jī)的δ?必須相等且不得為零。對δ?的要求應(yīng)根據(jù)柴油機(jī)的用途而定。我國有關(guān)規(guī)范規(guī)定，船用主機(jī)的δ?≯10%；交流發(fā)電機(jī)的δ?≯5%。
（2）轉(zhuǎn)速波動率 Φ 或轉(zhuǎn)速變化率 φ
轉(zhuǎn)速波動率：
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...........................（公式2）
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轉(zhuǎn)速變化率：
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...........................（公式3）
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式中：ncmax——測定期間的最高轉(zhuǎn)速，r/min；
ncmin——測定期間的最低轉(zhuǎn)速，r/min；
nm——測定期間的a平均轉(zhuǎn)速，r/min，nm=（ncmax+ncmin）/2。
一般，在標(biāo)定工況時Φ≤（0.25~0.5）%；φ≤（0.5~1）%。
（3）不靈敏度 ε
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...........................（公式4）
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式中：n?——柴油機(jī)轉(zhuǎn)速減少時，調(diào)速器開始起作用的轉(zhuǎn)速，r/min；
n?——柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增加時，調(diào)速器開始起作用的轉(zhuǎn)速，r/min；
nm——柴油機(jī)平均轉(zhuǎn)速，r/min，nm=（n?+n?）/2。
不靈敏度過大會引起柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，嚴(yán)重時會導(dǎo)致調(diào)速器失去作用發(fā)生飛車，一般規(guī)定在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時ε≤（1.5~2）%；而在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時ε≤（10~13）%。
2、動態(tài)指標(biāo)
（1）瞬時調(diào)速率 δ?
突卸全負(fù)荷瞬時調(diào)速率：
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...........................（公式5）
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式中：nmax——突卸100%負(fù)荷時的最高瞬時轉(zhuǎn)速；
nb——突卸100%負(fù)荷前的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速（標(biāo)定轉(zhuǎn)速）。
我國有關(guān)規(guī)范要求發(fā)電柴油機(jī)的+10%；（突加50%后再加50%全負(fù)荷）≯10%。
（2）穩(wěn)定時間 t?
指從突加（或突減）全負(fù)荷后轉(zhuǎn)速剛偏離最高空載轉(zhuǎn)速的波動范圍（或標(biāo)定轉(zhuǎn)速的波動范圍）到轉(zhuǎn)速恢復(fù)到標(biāo)定轉(zhuǎn)速的波動范圍（或最高空載轉(zhuǎn)速的波動范圍）為止所需時間（s）。我國有關(guān)規(guī)范規(guī)定，交流發(fā)電機(jī)t?+5s。
總結(jié)：
柴油機(jī)的不同轉(zhuǎn)速是通過改變循環(huán)噴油量來獲得的。改變柴油機(jī)的油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)稱柴油機(jī)調(diào)速。為此必須裝設(shè)專門的調(diào)速裝置，以便根據(jù)柴油機(jī)負(fù)載的變化自動調(diào)節(jié)供油量，維持其規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍。綜上所述，機(jī)械調(diào)速器是一種常用的電子設(shè)備，其主要特點是高效率、穩(wěn)定性好、精度高、調(diào)速范圍寬，可以滿足現(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)對轉(zhuǎn)速控制的要求。調(diào)速器在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)、制造行業(yè)等許多行業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用，為柴油發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行和高效率生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的支持。
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