液压调速器工作原理

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1、一节 柴油机转速的调节一、调速器的作用柴油机的不同转速是通过改变每一循环的喷油量获得的。在一定的外界负荷条件下，供 给柴油机一定燃油量， 使柴油机发出的功率与外界负荷相平衡， 柴油机就在某一转速下稳定 运行。船用柴油机的外界负荷是经常变动的，欲使柴油机的功率与新的外界负荷相适应，就应及时改变喷油量。为了使柴油机在选定的转速下稳定运行，必须装有专门的调速装置调速器，通过它自动地改变柴油机喷油泵的喷油量，以适应外界负荷的变化。发电柴油机要求在外界负荷（用电量）变化时能保持恒定的转速，以保证发电机输出的 电压和频率恒定， 满足并车及供电需要。 所以发电柴油机必须装设定速调速器， 确保外界负 荷变化时

2、，柴油机的转速基本不变。用作船舶推进的柴油机，受装载、风力、波浪及水流等影响，外负荷（船舶阻力）会忽 大忽小。 但为了保证主机在特殊航行条件下 （风浪中螺旋桨露出水面、 断轴、掉桨） 的安全， 根据我国有关规定必须装 “极限调速器 ”（简称限速器） ，当主机转速增至 115标定转速时 自动切断燃油供给。 另外， 为了避免海况变化造成的主机转速上下波动， 提高柴油机的工作 可靠性和工作寿命， 通常都在主机上装设 “全制式调速器 ”，使转速不随外界负荷变化而产生 波动。二、调速器的分类 1接转速调节范围分类（1）极限调速器（限速器）（2）定速调速器（单制式调速器）（3）双制式调速器（4）全制式调速

3、器2按作用原理分类（1）机械调速器（直接作用式） ：它直接利用飞铁（飞重）产生的离心力与调速弹簧张 力之间的不平衡力去移动油量调节机构来稳定柴油机的转速。其结构简单、 工作可靠、 维修方便，广泛用于中、小型柴油机。其缺点是工作能力较小，不能实现恒速调节。（2）液压调速器 （间接作用式） ：它利用飞铁产生的离心力与调速弹簧张力之间的不平衡力 去操纵液压伺服器（油压放大器） ，利用液压作用产生更大的动力去移动油量调节机构来调 节柴油机的转速。液压调速器转速调节范围广、调节精度高、稳定性好、通用性强，但其结 构复杂、调试及维护所要求的技术较高，它广泛用于大、中型柴油机。（3）电子调速器：信号监测或执

4、行机构采用电气方式的调速器称电子调速器。三、超速保护装置此种超速保护装置是一种运转安全装置， 它与调速器不同， 它只能限制柴油机转速， 本身无 调速特性， 在柴油机正常运转范围内不起作用， 只在柴油机转速达到规定限值时才发生动作 使柴油机立即停车或降速。 按规定， 超速保护装置必须与调速器分开设立而独立工作， 无论 柴油机的操纵机构处于什么状态，该装置的保护性动作必须迅速而准确。第二节 机械式调速器一、机械式调速器的结构和工作原理（图 8-1）图 8-1 机械式调速器原理图柴油机运转时， 飞铁座架和转轴一同旋转， 飞铁便产生离心力， 通过推脚向上作用在滑动套 筒下端， 滑套的上端受调速弹簧向下

5、的张力作用。 当柴油机发出的功率与外界负荷刚好平衡 时，其转速稳定，飞铁的离心力与弹簧张力相等，柴油处于稳定运转。若外界负荷减小，则柴油机发出的功率会大于外界负荷而使转速增加，这时飞铁离心力 将大于弹簧的预紧力而使滑动套筒上移， 通过直角形杠杆迫使油量调节机构向减油方向 （右） 移动（图中虚线所示） 。随着喷油量减少，柴油机转速便下降，飞铁离心力也减小了，直到 其离心力与调速弹簧张力又平衡为止，此时柴油机又重新稳定运行。从图中虚线可以看出， 新的滑动套筒位置稍高于原来位置， 调速弹簧又稍被压缩。说明： 外负荷减小后， 在新的稳 定位置，飞铁的离心力比原先的大， 经调速器自动调速后的转速比原来稍

6、高， 出现“转速差 ”。 这是机械式调速器所固有的特性，是避免不了的。同理，当外界负荷增加时，调速器的动作与上述相反，飞铁离心力与弹簧作用力在彼此 都减小的情况下重新稳定的转速比原转速稍低。另外，若想提高柴油机的转速，可以将调整螺钉向下旋动，加大调速弹簧5 的张力，使油量调节机构左移加油。同理也可通过调整螺钉降低柴油机的转速。二、调速器的性能指标（图 8-2 ） 1调速器的静态指标1）稳定调速率 3 2 调速器标定工况下的稳定调速率3 2是根据标定工况突卸全部负载求得的。它是指当操纵手柄在标定供油位置不变， 柴油机在标定工况稳定运行时突卸全部负载， 调速器起作用使柴油 机重新稳定运行后，其最高

7、空载转速（空车稳定转速）n0max 与标定转速 nb 之差同标定转速 nb 比值的百分比，即稳定调速率 32用来衡量调速器的准确性。 调速器存在调速率 （也称速度降） 说明当外界 负荷变化时，柴油机的转速会有少量波动，其值较小就表示准确性好；如果32过大，不仅对被带动的工作设备的稳定工作不利，即便对空转时柴油机零件的磨损也是有害的。稳定调速率的大小应根据柴油机的用途和要求而定，我国海船建造规范规定，船用主机 调速器的稳定调速率应不超过10，船用发电柴油机调速器的稳定调速率应不超过5。对于单台柴油机允许 3 2= 0,它表示柴油机的转速不会随外界负荷变化而保持恒速运转。但在 几台柴油机并联工作时

8、，为了按比例均衡分配负载，各柴油机的稳定调速率32必须相等且不为零。图 8-2 突卸、突增负载时转速调节过渡过程2）转速波动率或转速变化率柴油机在稳定运转时，转速也会产生微小的波动， 转速的变化程度可用 转速波动率 或 转 速变化率 ”来评价， 两者定义不同， 均用来衡量调速器的稳定性。一般让柴油机在某转速稳定运行15min，测定其间的转速波动情况。转速波动率 表征稳定工况下转速波动的大小，转速变化率表征其转速变化的大小。为保证柴油机可靠运转，一般规定在标定工况时，w 0.21%0.5%, 0.%1 %。如果超过规定范围，就表示调速系统的工作不正常。3）不灵敏度e调速器在工作时, 因为调速器内

9、的运动元件之间存在摩擦阻力, 从调速器到喷油泵之间的传 动件（拉杆、杠杆、销轴等）之间有间隙,各零件运动时有摩擦阻力和惯性力。因此当柴油 机外界负荷有点变化并引起转速微量增加或减少时,调速器不会立即作出反应去改变供油 量,而要到转速变化量足够大时, 调速器才开始起到喷油量的调节作用。 这种现象称为调速 器的不灵敏性，通常用不灵敏度e来表示不灵敏性的大小：不灵敏度过大会引起柴油机转速不稳定, 严重时会导致调速器失去作用, 甚至产生飞车事故。 不灵敏度&随柴油机转速高低会有差异，当柴油机转速较低时， 因调速器预紧力较小， 产生张力也小,而传动机构的阻力却反而增大,造成不灵敏度加大。般规定在标定转速

10、时 2%,在最低稳定转速时%0- 13%。2调速器的动态指标由一个平衡转速过渡到另一个平衡转速之间所反应的调速系统的特性，称为调速器的动态特性，用作评定调速系统调节过渡过程性能的动态指示，通常采用下列二项。1 ）瞬时调速率根据试验时负荷的突卸与突加，可分为突卸负荷瞬时调速率和突加负荷瞬时调速率 两种。突卸负荷瞬时调速率 ：指柴油机先在标定工况下稳定运行，然后突然卸去全部负荷， 测定转速随时间的变化关系。突加负荷瞬时调速率：与突卸负荷情况相似，当柴油机在最高空载转速nmax下稳定运转时，突加全部负荷，转速也会突然下降，最低瞬时转速为nmin ，再经几次收敛性的波动后，才会稳定在标定转速 nb 运

11、行。船用主机一般要求 1%12%，对船用发电柴油机要求 1%。2）稳定时间 ts 过渡过程的稳定时间是指突卸（或突加）全负荷后，转速开始波动到转速达到新的稳定 范围（指转速波动率 不大于规定值）为止的时间，表明消除过渡过程中波动现象的快慢， 以秒计。稳定时间 ts 越短，说明转速消除得快，调速器的稳定性越好。 ts 一般限制在 5s10s， 对于船用柴油发电机，要求 ts 0的调速特性，为有差调速，特性线斜率越大，调节后转速 的差别也越大。对于并联运行的多台柴油机，要求每台机承担的负荷份额与其标定功率（或转矩）之比 均相同。若标定功率相同，则每台机承担的负荷亦相同。 若彼此的标定功率不同， 则

12、承担的 负荷与标定功率之值成比例， 即标定功率大者多承担负荷， 小者少承担负荷。 当总负荷增加 至全负荷时，大小两者应同时达到全负荷。图 8-11 表示两台柴油机并联运行，其 32值相等并都大于零。两台机有重合的调速特性，M 合为两台机合成的调速特性线。当 n=n1 时，每台机都在 2点运行，合成工作点为 1，两 机负荷均匀分布。当外负荷增加时，两机同时加油，但两者转速也同时下降到n2,每台机 运行点为 2，合成工作点为 1。其负荷分配仍然均匀。图8-12 3 2不同负荷分配不均匀图8-13并联运行负荷分配的特性曲线图8-12表示若两台机的 3 2不等，设（3 2斥（3 2）2两条调速特性曲线

13、具有不同的倾斜度，32小者陡峭。若此时调节调速器的设定转速，使两台机同时运行在点2（见图 8-13），即让其调速特性曲线沿 n 轴平移后的两线交点 2 ，这时两机负荷虽然相同， 但这种均衡只是暂时的， 严重时会一台机超负荷而使全船失电。综上所述， 调速器的 32决定了并联运行的柴油机间的负荷分配情况， 对于单台运行的柴 油机 32可以为零。 但并联运行的各台柴油机的 32值必须相等且均大于零， 在满足调速系统 稳定性要求的前提下，尽量选用小的 32值。3）稳定调速率 32的调节表盘式调速器可通过静速差旋钮进行调节。如将旋钮刻度旋转至“ 38 50”）之间，则表示相应的3 2值约为3%5%。实践

14、中应通过并联运行柴油机的负荷分配比例进行调节，如 果并联机承担负荷小，则应减少该机的 32数值。杠杆式 PGA 型调速器其外部无 32调节机构。 如需调节 32值，应打开调速器顶盖旋松速 度降凸轮上的锁紧螺钉，则速度降凸轮可沿支架销 L 的槽道滑动。若将速率降凸轮沿槽道 向右移动，即朝动力活塞尾杆 18 的方向移动凸轮，则 32值增加；反向移动凸轮则 32值减 小，若使凸轮中心线与支点销中心线重合，则 3 2值为零。决不允许使速度降凸轮移动超过“ 0稳”定调速率的位置，因为此时发生负的速度降而使调速器动作非常不稳定。在这些调速 器中 32的调节约为 012%。机械调速器的 32值与其结构参数有

15、关，除非更换调速弹簧（刚度）或飞重等零件，一般 是不可调整的。若调速弹簧换用刚度小行，则其 32变小，准确性提高，但稳定性降低。2稳定性调节为了保证调速过程稳定， 在液压调速器中设有反馈系统， 以使调速器具有良好的稳定性。 通常在调速器换新或修理后装机时应对反馈系统进行综合调节，以获得尽可能小的瞬时调速率 31和尽可能短的稳定时间 ts。反馈系统调节的环节主要有两个（见图8-8）：一是扳动反馈指针 46，借以改变活动支点47 的位置，用以调节反馈行程的大小；二是调节补偿针阀 31 的开度，用以调节反馈速度的 快慢。如果反馈指针的位置和补偿针阀的开度调节得正确，控制滑阀36 提前复位后，在飞重和

16、小反馈活塞 30 的复位过程中，控制滑阀 36在中央位置上一直保持不动。3）速度设定的调节（ PGA 调速器） 速度设定的调节主要包括气动低速设定值调节， 控制空气压力与相应转速范围调节， 以及手 动设定旋钮的最高转速调节。第四节 电子调速器电子调速器是一种电子控制系统， 凡转速感测元件或执行机构采用电气方式的调速器。 通常 包括三种：全电子调速器；电一液或电一气调速器；液一电双脉冲调速器。 电子调速器不使用机械机构， 动作灵敏， 响应速度快， 响应时间只有液压调速器的1/10 1/2；动态和静态精度很高；无调速器驱动机构，装置简单安装方便，便于实现遥控和自动控制， 是近代发展起来的精密调速器

17、。一、电子调速器的工作原理（图8-14）工作时，先通过转速设定器，利用可调节的电位器设定所需的转速，将其产生的转速设 定信号以直流电的形式作为 “正信号 ”输入放大器； 柴油机起动运转后， 速度传感器 （或负载 传感器） 将磁性测速头感应的转速情况转化成直流电的形式作为“负信号 ”输入放大器， 在放大器内将两种信号相加， 当两者之和为零时， 不向执行器输出控制信号， 柴油机即在设定的转速运行。图 8-14 电子调速器原理框图当外负荷变化使柴油机转速增加时，磁性测速头感应产生的交流电压频率立即增加，经 速度传感器转换后的直流电压也随之增加。在放大器内它与转速设定信号之和变为 “负值 ”， 此时放

18、大器即向执行器输出 “减油”的信号， 通过执行器使柴油机的燃油量减少， 转速随之下 降。同理，当柴油机转速减小时，放大器会立即向执行器输出 “加油 ”的信号，通过执行器使 柴油机加油，提升其转速。放大器在工作时，根据转速变化不断地输出 “加油”或“减油 ”信号，由于其反应极为灵敏，很 难做到根据转速变化 “适可而止 ”地改变喷油泵的供油量， 柴油机转速不易很快稳定而产生转 速的波动。为此，在放大器中专门设置了 “增益控制单元 ”和 “复位单元 ”，使电子调速器能稳 定地工作。 “增益控制单元 ”用来控制反馈信号的大小，如果增大增益，则执行器的输出轴转 角随放大器输入偏差而增大。 “增益控制单元

19、 ”在这里起着液压调速器中的 “补偿机构 ”的作 用。“复位单元 ”用来给定放大器的复位时间常数， 用以改变放大器的响应时间，如果增大复 位的给定值， 复位时间常数将增大。 只要通过合理的调节就能提高控制回路的稳定性， 满足 柴油机稳定运行的要求。 “复位单元 ”在这里起着液压调速器中的 “针阀 ”作用。 二、典型电子调速器简介Woodward 2301 型电子调速器是一种使用广泛的电子调速器， 它属于电一液调速器， 其测速 传感器采用磁电式，控制单元采用 2301 型电子控制器，控制机构采用 EG3P 液压执行器。 它有单纯调频型(单脉冲)和调频调载型(双脉冲)两种。前者用于单机运行，其瞬时调速率3 1般在5%7%，稳定时间ts在3s5s范围内；后者用于并联运行机组，其瞬时调 速率一般不大于 2，稳定时间 ts 不大于 1s。图 8-15 系单脉冲 2301 型电子控制器外形图。 其正面面板上有四个调节旋钮， 自左而右分别 有：怠速(Low idle speed)调节旋钮 于调节滑油低压，保护运转时的最低转速；设定转速(Rated speed)调节旋钮于调节设定转速； 稳定度( Stability )调节旋钮 用于稳定性调节； 增益量如(Gain)调节旋钮一于稳定性调节。图 8-15 单脉冲 2301 型电子控制器外形图