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機(jī)械式速度調(diào)節(jié)器原理、要求和特性曲線
發(fā)布時(shí)間:2024-03-07 16:56:15  ▏閱讀:

 

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(diǎn)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(dòng)和提高效率的目的,同時(shí)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(diǎn)

 

       對(duì)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)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(dòng)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?yàn)椴裼蜋C(jī)工作時(shí),負(fù)荷往往產(chǎn)生很大變化。如負(fù)荷突然增加,此時(shí)若不及時(shí)增加供油量,則會(huì)造成柴油機(jī)轉(zhuǎn)速急速下降,甚至有熄火的危險(xiǎn)。反之,當(dāng)負(fù)荷突然減少時(shí),如供油量不及時(shí)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(shí)會(huì)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(dòng)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(shí),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(shí),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(dòng)時(shí),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(dòng)滑套向上移動(dòng)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(dòng)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(shí)離心力感知轉(zhuǎn)速變化,以實(shí)現(xiàn)供油量自動(dòng)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(shí),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(dòng)。公式如下:

F=P

② 當(dāng)外界負(fù)荷減小時(shí),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(dòng)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(dòng),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(shí),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(dòng)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(dòng),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(shí)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(shí)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(diǎn)

      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)。

 

柴油機(jī)調(diào)速器離心力作用原理.png

圖1 柴油機(jī)調(diào)速器離心力作用原理

柴油機(jī)調(diào)速過程轉(zhuǎn)速變化曲線.png

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(dòng)著飛球旋轉(zhuǎn)。飛球在離心力作用下向外移動(dòng),當(dāng)轉(zhuǎn)速低于最高轉(zhuǎn)速時(shí),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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過最高轉(zhuǎn)速時(shí),飛球離心力克服了彈簧彈力向外移動(dòng),通過錐面將滑套向右推移,又通過杠桿帶動(dòng)噴油泵齒條向左移動(dòng),減少發(fā)動(dòng)機(jī)供油量,使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降。發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)不超過最高轉(zhuǎn)速,又能保證在最低轉(zhuǎn)速時(shí)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(dòng)盤和杠桿等組成。

      柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),可根據(jù)工作負(fù)荷要求,利用操縱桿直接拉動(dòng)齒桿,調(diào)整至所需供油量位置;支撐盤在油泵軸帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)驅(qū)動(dòng)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(dòng)滑動(dòng)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(dòng)。

      當(dāng)負(fù)載突然增加時(shí),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(dòng)盤在低速彈簧力作用下,將飛球擠向旋轉(zhuǎn)中心,使滑動(dòng)盤向左移動(dòng),通過杠桿將齒條向左推動(dòng),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(shí),飛球離心力增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過規(guī)定最高轉(zhuǎn)速時(shí),飛球離心力便克服兩個(gè)彈簧彈力作用,推動(dòng)滑動(dòng)盤向右移動(dòng),通過杠桿,將齒條向右移動(dòng),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。

 

單制式調(diào)速器工作原理.png

圖3  柴油機(jī)單制式調(diào)速器工作原理

柴油機(jī)雙制式調(diào)速器工作原理.png

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(dòng)盤、調(diào)速彈簧、杠桿和齒條等組成。

      柴油機(jī)工作時(shí),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(dòng)杠桿來操縱齒條的)。飛球在支撐盤帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng),在一定轉(zhuǎn)速下,飛球離心力通過滑動(dòng)盤對(duì)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(shí),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(dòng),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(shí),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(dòng)杠桿將齒條向右推動(dòng),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(shí)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(shí),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(shí),滑動(dòng)盤向左移動(dòng),推動(dòng)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(shí)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(shí)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(dòng)時(shí),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(duì)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(shí),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。

 

全制式調(diào)速器工作原理-柴油發(fā)電機(jī)組.png

圖5  全制式調(diào)速器工作原理

柴油機(jī)調(diào)速器調(diào)速性曲線圖.png

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(shí),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:

 

柴油發(fā)電機(jī)穩(wěn)定調(diào)速率公式.png
...........................(公式1)

      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(duì)單臺(tái)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(tái)柴油機(jī)并聯(lián)工作時(shí),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(duì)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(dòng)率 Φ 或轉(zhuǎn)速變化率 φ

       轉(zhuǎn)速波動(dòng)率:

 

柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)率公式.png
...........................(公式2)

      轉(zhuǎn)速變化率:

 

柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率公式.png
...........................(公式3)

 

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(shí)Φ≤(0.25~0.5)%;φ≤(0.5~1)%。

(3)不靈敏度 ε

 

 

柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不靈敏度公式.png
...........................(公式4) 

式中:n?——柴油機(jī)轉(zhuǎn)速減少時(shí),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(shí),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(huì)引起柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定,嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(shí)ε≤(1.5~2)%;而在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)ε≤(10~13)%。

2、動(dòng)態(tài)指標(biāo)

(1)瞬時(shí)調(diào)速率 δ?

      突卸全負(fù)荷瞬時(shí)調(diào)速率:

 

柴油發(fā)電機(jī)瞬時(shí)調(diào)速率公式.png
...........................(公式5) 

式中:nmax——突卸100%負(fù)荷時(shí)的最高瞬時(shí)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(shí)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(dòng)范圍(或標(biāo)定轉(zhuǎn)速的波動(dòng)范圍)到轉(zhuǎn)速恢復(fù)到標(biāo)定轉(zhuǎn)速的波動(dòng)范圍(或最高空載轉(zhuǎn)速的波動(dòng)范圍)為止所需時(shí)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(dòng)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(diǎn)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(duì)轉(zhuǎn)速控制的要求。調(diào)速器在工業(yè)自動(dòng)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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