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柴油机的机械离心调速器的工作原理 |
摘要：机械式速度调节器主要用途是用来改变柴油机的运行转速，以便满足电力和电压的需要。它有助于提高柴油发电机的性能，从而大大增加生产效率，并保护柴油发电机免受损坏。调速器的主要性能特点是高效率、稳定性好、精度高、调速范围宽，它可以通过控制柴油发电机的转速，达到节能减排、降低噪音、降低振动和提高效率的目的，同时它可以带来更多的优势，比如提高柴油发电机的可靠性、延长柴油发电机的使用寿命等好处。
一、调速器原理和优缺点
对柴油机的转速进行自动调节，使它限制在一定转速范围内工作的油量自动调节装置称为调速器。柴油机上装置调速器，是因为柴油机工作时，负荷往往产生很大变化。如负荷突然增加，此时若不及时增加供油量，则会造成柴油机转速急速下降，甚至有熄火的危险。反之，当负荷突然减少时，如供油量不及时减少，则使转速上升，喷油泵每次循环供油量也略有增加，而供油量的增加使转速进一步提高，这样互相影响的结果，使柴油机的转速越来越高，严重时会出现超速，甚至造成“飞机”事故。柴油机工作中，在负荷频繁变化的情况下，依靠操作者来调节供油量，保持稳定转速是不可能的。调速器的功能就是可以根据负荷变化情况自动调节供油量，保证柴油机在规定的转速范围内工作。
1、调速原理
机械调速器是利用重物旋转时，产生离心力作用原理而工作的。图1所示为离心力作用原理示意图。转轴上悬挂着重锤，滑套装在转轴上，并通过拉杆与重锤相连。当转轴停止时，如图1（a）所示，重锤在重力作用下，向下垂落，滑套位于最下端位置。当转轴转动时，如图1（b）所示，重锤也随着旋转，在离心力作用下，重锤向外张开，带动滑套向上移动一段距离h。转轴转速越高，如图1（c）所示，离心力就越大，重锤张开角度也越大，滑套便向上移动一段较大的距离H。如将喷油泵油量调节齿条与滑套相连，便可通过重锤旋转时离心力感知转速变化，以实现供油量自动调节。
2、调速过程
① 当柴油机功率与外界负荷平衡时，柴油机在某一转速下稳定工作，飞重产生的离心力与弹簧的预紧力平衡，油量调节杆不动。公式如下：
F=P
② 当外界负荷减小时，柴油机发出的功率大于外界负荷，转速升高，飞重产生的离心力大于弹簧的预紧力，滑动套筒上移，调速弹簧被压缩，油量调节杆向减油方向移动，转速降低。但调节后的转速比原转速要稍高。公式如下：
F+△F=P+△P
③ 当外界负荷增大时，柴油机发出的功率小于外界负荷，转速降低，飞重产生的离心力小于弹簧的预紧力，滑动套筒下移，调速弹簧被放松，油量调节杆向加油方向移动，转速升高。但调节后的转速比原转速要稍低。公式如下：
F-△F=P-△P
④ 机械调速器的设定转速取决于调速弹簧的预紧力，预紧力越大，设定转速越高，而弹簧的预紧力是通过调节螺钉加以调节。逆时针旋出螺钉，弹簧的预紧力降低，设定转速下降；反之，顺时针旋进螺钉，弹簧的预紧力增加，设定转速升高。调速过程转速变化曲线如图2所示。
3、优缺点
机械调速器的工作能力较小，其灵敏度和精度均较差，但其结构简单，维护方便。多用于中、小型柴油机。
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图1 柴油机调速器离心力作用原理 |
图2 柴油机调速过程转速变化曲线 |
二、机械式调速器分类
机械式调速器按控制转速范围不同，可分为单制式、双制式和全制式三种。
1、单制式调速器
单制式调速器只能控制柴油机的最高转速。图3所示为单制式调速器工作原理。调速器轴带动着飞球旋转。飞球在离心力作用下向外移动，当转速低于最高转速时，弹簧的弹力通过杠杆及滑套上锥面，挤压钢球，使钢球限制在旋转中心附近，调速器不起作用。当发动机转速超过最高转速时，飞球离心力克服了弹簧弹力向外移动，通过锥面将滑套向右推移，又通过杠杆带动喷油泵齿条向左移动，减少发动机供油量，使发动机转速下降。发动机转速一下降，离心力又减小，弹簧将滑套推到原来位置，使发动机转速限制在规定范围内。
2、双制式调速器
双制式调速器的功能是既能控制发动机不超过最高转速，又能保证在最低转速时稳定运转，在最高与最低转速之间，则不起作用。图4所示为双制式调速器工作原理。它由飞球、低速弹簧（装在里面，软而长）、高速弹簧（装在外面，硬而短）、滑动盘和杠杆等组成。
柴油机正常运转时，可根据工作负荷要求，利用操纵杆直接拉动齿杆，调整至所需供油量位置；支撑盘在油泵轴带动下转动，同时驱动飞球旋转；在飞球离心力作用下，飞球向外张开，飞球内臂拨动滑动盘右移，低速弹簧被压缩，直到与高速弹簧相接触；高速弹簧弹力较大，阻止其继续移动。
当负载突然增加时，柴油机转速下降，飞球离心力减小。直到柴油机下降至最低转速，飞球离心力克服不了低速弹簧力作用，滑动盘在低速弹簧力作用下，将飞球挤向旋转中心，使滑动盘向左移动，通过杠杆将齿条向左推动，增加了柴油机供油量，防止柴油机转速过低而熄火。
柴油机转速升高时，飞球离心力增大。当转速超过规定最高转速时，飞球离心力便克服两个弹簧弹力作用，推动滑动盘向右移动，通过杠杆，将齿条向右移动，使柴油机供油量减少，转速下降，从而防止转速过高引起“飞机”事故。
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图3 柴油机单制式调速器工作原理 |
图4 柴油机双制式调速器工作原理 |
3、全制式调速器
全制式调速器可以控制柴油机在最低转速与最高转速之间的任一转速下稳定地运转。图5所示为全制式调速器工作原理图。它由操纵杆、支撑盘、飞球、滑动盘、调速弹簧、杠杆和齿条等组成。
柴油机工作时，利用操纵杆将喷油泵齿条调整到某一位置上，使柴油机获得所需要的转速（操纵杆是通过调速弹簧拉动杠杆来操纵齿条的）。飞球在支撑盘带动下转动，在一定转速下，飞球离心力通过滑动盘对杠杆作用，恰好与调速弹簧力相平衡。即当油门操纵杆固定在某一位置时，柴油机转速为一定值，如果负荷不变，调节齿条不动，柱塞供油量不变，飞球离心力与调速弹簧拉力保持平衡。
当柴油机负荷增加时，转速下降，飞球离心力减小，在调速弹簧作用下，飞球向内靠拢，拉动杠杆将齿条向右推动，供油量增大，柴油机转速上升，直到飞球离心力与调速弹簧弹力再次平衡为止。这时柴油机的转速略低于负荷增加前的转速。
当柴油机负荷减小时，转速升高，飞球离心力增大，向外张开。当飞球离心力大于调速弹簧弹力时，滑动盘向左移动，推动杠杆将齿条向左拉出，供油量减少，转速下降，直到飞球离心力与弹簧弹力得到新的平衡为止。这时柴油机的转速略高于负荷减小前的转速。
全制式调速器所控制的转速是随操纵杆的位置而定的，操纵杆向右移，调速弹簧弹力变大，此时调速器作用转速变高，即柴油机稳定工作转速增高。反之，操纵杆向左移，使调速弹簧弹力减小，柴油机稳定转速变低。当操纵杆位置不动时，调速弹簧拉力一定，飞球推力一定，它们之间保持平衡，柴油机便保持在相对应的转速下工作。当改变操纵杆的位置，建立新的平衡时，柴油机的转速范围才改变。因此全制式调速器起作用的转速范围是人为确定的。
从单制式、双制式和全制式调速器工作原理可知，全制式调速器弹簧的张力，可通过操纵杆来调节，则双制式调速器的高速和低速、单制式调速器的高速弹簧的张力是不能改变的。由于全制式调速器的弹簧张力可在一定范围内任意调节，因此柴油机也就可以在规定范围内的任意转速下运转。调速器调速特性曲线如图6所示。
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图5 全制式调速器工作原理 |
图6 柴油机调速器调速性曲线图 |
三、调速器的性能指标
1、静态指标
（1）稳定调速率 δ₂
指当操纵手柄在标定供油位置时，最高空载转速nomax与标定转速nb之差同标定转速nb比值的百分数，即：
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...........................（公式1）
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稳定调速率δ₂用来衡量调速器的准确性，其值愈小，表示调速器的准确性愈好。δ₂在国外称速度降（Speed droop）。对单台柴油机运转允许δ₂=0，表示该柴油机将不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，为使各机负荷分配合理，各机的δ₂必须相等且不得为零。对δ₂的要求应根据柴油机的用途而定。我国有关规范规定，船用主机的δ₂≯10%；交流发电机的δ₂≯5%。
（2）转速波动率 Φ 或转速变化率 φ
转速波动率：
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...........................（公式2）
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转速变化率：
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...........................（公式3）
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式中：ncmax——测定期间的最高转速，r/min；
ncmin——测定期间的最低转速，r/min；
nm——测定期间的a平均转速，r/min，nm=（ncmax+ncmin）/2。
一般，在标定工况时Φ≤（0.25~0.5）%；φ≤（0.5~1）%。
（3）不灵敏度 ε
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...........................（公式4）
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式中：n₁——柴油机转速减少时，调速器开始起作用的转速，r/min；
n₂——柴油机转速增加时，调速器开始起作用的转速，r/min；
nm——柴油机平均转速，r/min，nm=（n₁+n₂）/2。
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发生飞车，一般规定在标定转速时ε≤（1.5~2）%；而在最低稳定转速时ε≤（10~13）%。
2、动态指标
（1）瞬时调速率 δ₁
突卸全负荷瞬时调速率：
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...........................（公式5）
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式中：nmax——突卸100%负荷时的最高瞬时转速；
nb——突卸100%负荷前的稳定转速（标定转速）。
我国有关规范要求发电柴油机的+10%；（突加50%后再加50%全负荷）≯10%。
（2）稳定时间 t₅
指从突加（或突减）全负荷后转速刚偏离最高空载转速的波动范围（或标定转速的波动范围）到转速恢复到标定转速的波动范围（或最高空载转速的波动范围）为止所需时间（s）。我国有关规范规定，交流发电机t₅+5s。
总结：
柴油机的不同转速是通过改变循环喷油量来获得的。改变柴油机的油量调节机构，使其转速调节到规定的转速范围内称柴油机调速。为此必须装设专门的调速装置，以便根据柴油机负载的变化自动调节供油量，维持其规定的转速范围。综上所述，机械调速器是一种常用的电子设备，其主要特点是高效率、稳定性好、精度高、调速范围宽，可以满足现代柴油发电机对转速控制的要求。调速器在工业自动化控制系统、制造行业等许多行业中都得到了广泛的应用，为柴油发电机的安全运行和高效率生产提供了强有力的支持。
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