液压调速器工作原理

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─一调速器，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，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δ2调速器标定工况下的稳定调速率δ2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δ2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δ2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δ2＝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，为了按比例均衡分配负载，各柴油机的稳定调速率δ2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Φ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Φ”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Φ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，Ф≤0.25％～0.5％，≤0.5％～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ε调速器在工作时，因为调速器内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ε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ε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。

一般规定在标定转速时ε≤1.5％～2％，在最低稳定转速时ε≤10％～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。

①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。

②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运行。

船用主机一般要求≤10％～12％，对船用发电柴油机要求≤10％。

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Ф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5s～10s，对于船用柴油发电机，要求ts≤5s。

一个好的调速系统，其调速过程应满足三个条件：一是过渡过程的转速波动是收敛的，即转速波动的幅度随时间增长而减小；二是过渡中转速瞬时波动的幅度不应过大，以免柴油机超速而影响其可靠性；三是过渡时间不应过长，转速应迅速达到稳定。

第三节液压调速器对于大功率柴油机，移动油量调节机构需要较大的力，为此在感应元件和油量调节机构之间插入一个液压放大元件（液压伺服器），利用放大了的动力去拉动油量调节机构；为了改善调节性能，在感应元件和驱动机构之间还设有“反馈装置”。

一、液压调速器的工作原理1．无反馈简单的液压调速器（图8-3）在稳定运行时，飞重3的离心力和调速弹簧4的张力平衡，滑阀7处于图示位置，正好切断伺服器油缸的工作通路，齿轮油泵8产生的压力油经溢流阀9回流。

当外负荷减小时，柴油机转速增高，飞重3的离心力增加，推动速度杆2右移，于是摇杆5以A点为中心逆时针摆动，使节点B带动滑阀7右移，控制孔打开，压力油进入油缸6的右腔；同时油缸6的左腔与低压油路相通，在压差作用下，伺服活塞带动油泵齿条10左移，减少供油，使柴油机转速回降至原来转速。

速度杆2和滑阀7又回到原来平衡（中央）位置，切断伺服油缸的工作油通路。

此时，动力活塞停止在新的位置，调节过程结束。

当外负荷增加时，柴油机转速降低，调节过程按相反方向进行。

这种无反馈装置的简单调速器，在调速过程中，由于惯性使滑阀和动力活塞的运动总是滞后于发动机转速的变化，因而其油量的增减不可能根据负荷的变化而做到“适可而止”，调节总是位移过度，而又总是企图维持原速，最终使转速连续波动而不能稳定工作，甚至有可能发生急剧波动而根本不能工作。

图8-3 无反馈简单的液压调速器工作原理图图8-4 刚性反馈液压调速器简图2．刚性反馈液压调速器（图8-4）要想使液压调速器能稳定调节，在调速器中还要加一个“反馈机构”（又称补偿装置），其作用是：在伺服活塞移动的同时，对滑阀产生一个反作用，使其向平衡位置方向移动，防止油量调节过度，使增减油“适可而止”，提高调速系统的稳定性。

与前述无反馈的简单液压调速器不同的是杠杆AC上端A不安装在固定的铰链L，而是改为用销轴与伺服活塞3的活塞杆相连。

这样动力活塞的位移就通过杠杆反馈至滑阀6上，反馈环节采用机械连接，故称为“刚性反馈”。

但是这种调速器调速终了时，滑阀回到原位，伺服活塞（连同油量调节杆）移到了一个新的平衡位置，故A点已不在原位而随着外负荷大小而变动。

与滑阀6相连的B点在任何稳定工况下均回到原来位置，因而C点就稳定在新的位置，此时调速弹簧的新张力就不同于原来的张力，故柴油机不能回复到原有的转速。

从图8-4的情况分析可知：当外负荷减小时（弹簧又稍被压缩），新的稳定转速将比原来转速升高；反之当外负荷增加时，新的稳定转速将比原速稍有降低。

其结论是：刚性反馈液压调速器不能实现“无差调速”，其稳定调速率δ2不能为零。

3．弹性反馈液压调速器（图8-5，P203）这种反馈形式是在刚性反馈的基础上增加了一个弹性环节，它由缓冲器5、补偿活塞6、补偿弹簧7、节流针阀8组成。

缓冲器油缸内充满了工作油，左右两空间通过管道及针阀8接通。

当缸体5受力后左右移动时，缸内液体从一空间经针阀流到另一空间，由于针阀的节流使活塞6的移动比缸体5的移动滞后，起到缓冲作用。