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新聞主題 |
柴油機的機械離心調速器的工作原理 |
摘要：機械式速度調節器主要用途是用來改變柴油機的運行轉速，以便滿足電力和電壓的需要。它有助于提高柴油發電機的性能，從而大大增加生產效率，并保護柴油發電機免受損壞。調速器的主要性能特點是高效率、穩定性好、精度高、調速范圍寬，它可以通過控制柴油發電機的轉速，達到節能減排、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勢，比如提高柴油發電機的可靠性、延長柴油發電機的使用壽命等好處。
一、調速器原理和優缺點
對柴油機的轉速進行自動調節，使它限制在一定轉速范圍內工作的油量自動調節裝置稱為調速器。柴油機上裝置調速器，是因為柴油機工作時，負荷往往產生很大變化。如負荷突然增加，此時若不及時增加供油量，則會造成柴油機轉速急速下降，甚至有熄火的危險。反之，當負荷突然減少時，如供油量不及時減少，則使轉速上升，噴油泵每次循環供油量也略有增加，而供油量的增加使轉速進一步提高，這樣互相影響的結果，使柴油機的轉速越來越高，嚴重時會出現超速，甚至造成“飛機”事故。柴油機工作中，在負荷頻繁變化的情況下，依靠操作者來調節供油量，保持穩定轉速是不可能的。調速器的功能就是可以根據負荷變化情況自動調節供油量，保證柴油機在規定的轉速范圍內工作。
1、調速原理
機械調速器是利用重物旋轉時，產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。轉軸上懸掛著重錘，滑套裝在轉軸上，并通過拉桿與重錘相連。當轉軸停止時，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。當轉軸轉動時，如圖1（b）所示，重錘也隨著旋轉，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。轉軸轉速越高，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。如將噴油泵油量調節齒條與滑套相連，便可通過重錘旋轉時離心力感知轉速變化，以實現供油量自動調節。
2、調速過程
① 當柴油機功率與外界負荷平衡時，柴油機在某一轉速下穩定工作，飛重產生的離心力與彈簧的預緊力平衡，油量調節桿不動。公式如下：
F=P
② 當外界負荷減小時，柴油機發出的功率大于外界負荷，轉速升高，飛重產生的離心力大于彈簧的預緊力，滑動套筒上移，調速彈簧被壓縮，油量調節桿向減油方向移動，轉速降低。但調節后的轉速比原轉速要稍高。公式如下：
F+△F=P+△P
③ 當外界負荷增大時，柴油機發出的功率小于外界負荷，轉速降低，飛重產生的離心力小于彈簧的預緊力，滑動套筒下移，調速彈簧被放松，油量調節桿向加油方向移動，轉速升高。但調節后的轉速比原轉速要稍低。公式如下：
F-△F=P-△P
④ 機械調速器的設定轉速取決于調速彈簧的預緊力，預緊力越大，設定轉速越高，而彈簧的預緊力是通過調節螺釘加以調節。逆時針旋出螺釘，彈簧的預緊力降低，設定轉速下降；反之，順時針旋進螺釘，彈簧的預緊力增加，設定轉速升高。調速過程轉速變化曲線如圖2所示。
3、優缺點
機械調速器的工作能力較小，其靈敏度和精度均較差，但其結構簡單，維護方便。多用于中、小型柴油機。
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圖1 柴油機調速器離心力作用原理 |
圖2 柴油機調速過程轉速變化曲線 |
二、機械式調速器分類
機械式調速器按控制轉速范圍不同，可分為單制式、雙制式和全制式三種。
1、單制式調速器
單制式調速器只能控制柴油機的最高轉速。圖3所示為單制式調速器工作原理。調速器軸帶動著飛球旋轉。飛球在離心力作用下向外移動，當轉速低于最高轉速時，彈簧的彈力通過杠桿及滑套上錐面，擠壓鋼球，使鋼球限制在旋轉中心附近，調速器不起作用。當發動機轉速超過最高轉速時，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，減少發動機供油量，使發動機轉速下降。發動機轉速一下降，離心力又減小，彈簧將滑套推到原來位置，使發動機轉速限制在規定范圍內。
2、雙制式調速器
雙制式調速器的功能是既能控制發動機不超過最高轉速，又能保證在最低轉速時穩定運轉，在最高與最低轉速之間，則不起作用。圖4所示為雙制式調速器工作原理。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。
柴油機正常運轉時，可根據工作負荷要求，利用操縱桿直接拉動齒桿，調整至所需供油量位置；支撐盤在油泵軸帶動下轉動，同時驅動飛球旋轉；在飛球離心力作用下，飛球向外張開，飛球內臂撥動滑動盤右移，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，阻止其繼續移動。
當負載突然增加時，柴油機轉速下降，飛球離心力減小。直到柴油機下降至最低轉速，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，增加了柴油機供油量，防止柴油機轉速過低而熄火。
柴油機轉速升高時，飛球離心力增大。當轉速超過規定最高轉速時，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，使柴油機供油量減少，轉速下降，從而防止轉速過高引起“飛機”事故。
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圖3 柴油機單制式調速器工作原理 |
圖4 柴油機雙制式調速器工作原理 |
3、全制式調速器
全制式調速器可以控制柴油機在最低轉速與最高轉速之間的任一轉速下穩定地運轉。圖5所示為全制式調速器工作原理圖。它由操縱桿、支撐盤、飛球、滑動盤、調速彈簧、杠桿和齒條等組成。
柴油機工作時，利用操縱桿將噴油泵齒條調整到某一位置上，使柴油機獲得所需要的轉速（操縱桿是通過調速彈簧拉動杠桿來操縱齒條的）。飛球在支撐盤帶動下轉動，在一定轉速下，飛球離心力通過滑動盤對杠桿作用，恰好與調速彈簧力相平衡。即當油門操縱桿固定在某一位置時，柴油機轉速為一定值，如果負荷不變，調節齒條不動，柱塞供油量不變，飛球離心力與調速彈簧拉力保持平衡。
當柴油機負荷增加時，轉速下降，飛球離心力減小，在調速彈簧作用下，飛球向內靠攏，拉動杠桿將齒條向右推動，供油量增大，柴油機轉速上升，直到飛球離心力與調速彈簧彈力再次平衡為止。這時柴油機的轉速略低于負荷增加前的轉速。
當柴油機負荷減小時，轉速升高，飛球離心力增大，向外張開。當飛球離心力大于調速彈簧彈力時，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。這時柴油機的轉速略高于負荷減小前的轉速。
全制式調速器所控制的轉速是隨操縱桿的位置而定的，操縱桿向右移，調速彈簧彈力變大，此時調速器作用轉速變高，即柴油機穩定工作轉速增高。反之，操縱桿向左移，使調速彈簧彈力減小，柴油機穩定轉速變低。當操縱桿位置不動時，調速彈簧拉力一定，飛球推力一定，它們之間保持平衡，柴油機便保持在相對應的轉速下工作。當改變操縱桿的位置，建立新的平衡時，柴油機的轉速范圍才改變。因此全制式調速器起作用的轉速范圍是人為確定的。
從單制式、雙制式和全制式調速器工作原理可知，全制式調速器彈簧的張力，可通過操縱桿來調節，則雙制式調速器的高速和低速、單制式調速器的高速彈簧的張力是不能改變的。由于全制式調速器的彈簧張力可在一定范圍內任意調節，因此柴油機也就可以在規定范圍內的任意轉速下運轉。調速器調速特性曲線如圖6所示。
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圖5 全制式調速器工作原理 |
圖6 柴油機調速器調速性曲線圖 |
三、調速器的性能指標
1、靜態指標
（1）穩定調速率 δ?
指當操縱手柄在標定供油位置時，最高空載轉速nomax與標定轉速nb之差同標定轉速nb比值的百分數，即：
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...........................（公式1）
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穩定調速率δ?用來衡量調速器的準確性，其值愈小，表示調速器的準確性愈好。δ?在國外稱速度降（Speed droop）。對單臺柴油機運轉允許δ?=0，表示該柴油機將不隨外界負荷變化而保持恒速運轉。但在幾臺柴油機并聯工作時，為使各機負荷分配合理，各機的δ?必須相等且不得為零。對δ?的要求應根據柴油機的用途而定。我國有關規范規定，船用主機的δ?≯10%；交流發電機的δ?≯5%。
（2）轉速波動率 Φ 或轉速變化率 φ
轉速波動率：
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...........................（公式2）
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轉速變化率：
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...........................（公式3）
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式中：ncmax——測定期間的最高轉速，r/min；
ncmin——測定期間的最低轉速，r/min；
nm——測定期間的a平均轉速，r/min，nm=（ncmax+ncmin）/2。
一般，在標定工況時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?——柴油機轉速減少時，調速器開始起作用的轉速，r/min；
n?——柴油機轉速增加時，調速器開始起作用的轉速，r/min；
nm——柴油機平均轉速，r/min，nm=（n?+n?）/2。
不靈敏度過大會引起柴油機轉速不穩定，嚴重時會導致調速器失去作用發生飛車，一般規定在標定轉速時ε≤（1.5~2）%；而在最低穩定轉速時ε≤（10~13）%。
2、動態指標
（1）瞬時調速率 δ?
突卸全負荷瞬時調速率：
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...........................（公式5）
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式中：nmax——突卸100%負荷時的最高瞬時轉速；
nb——突卸100%負荷前的穩定轉速（標定轉速）。
我國有關規范要求發電柴油機的+10%；（突加50%后再加50%全負荷）≯10%。
（2）穩定時間 t?
指從突加（或突減）全負荷后轉速剛偏離最高空載轉速的波動范圍（或標定轉速的波動范圍）到轉速恢復到標定轉速的波動范圍（或最高空載轉速的波動范圍）為止所需時間（s）。我國有關規范規定，交流發電機t?+5s。
總結：
柴油機的不同轉速是通過改變循環噴油量來獲得的。改變柴油機的油量調節機構，使其轉速調節到規定的轉速范圍內稱柴油機調速。為此必須裝設專門的調速裝置，以便根據柴油機負載的變化自動調節供油量，維持其規定的轉速范圍。綜上所述，機械調速器是一種常用的電子設備，其主要特點是高效率、穩定性好、精度高、調速范圍寬，可以滿足現代柴油發電機對轉速控制的要求。調速器在工業自動化控制系統、制造行業等許多行業中都得到了廣泛的應用，為柴油發電機的安全運行和高效率生產提供了強有力的支持。
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