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机械式离心柴油机调速器的主要功用和型式 |
一、调速器的功用
调速器的功用是在柴油机所要求的转速范围内，能随着柴油机外界负荷的变化而自动调节供油量，以保持柴油机转速基本稳定。对于柴油机而言，改变供油量只需转动喷油泵的柱塞即可。随着供油量加大，柴油机的功率和转矩都相应增大，反之则减少。
柴油机驱动其他工作机械（如发电机、水泵等）时，如其输出转矩与工作机械克服工作阻力所需的转矩（阻力矩）相等，则工作处于稳定状态（转速基本稳定）。如阻力矩超过输出转矩，则柴油机转速将下降，如不能达到新的稳定工况，则柴油机将停止工作。当输出转矩大于阻力矩时，则转速将升高，如不能达到新的平衡，则转速将不断上升，会发生“飞车”事故。由于工作机械的阻力矩会随着工作情况的变化而频繁变化，操作人员是不可能及时灵敏地调节供油量，使柴油机输出转矩与外界阻力相适应的，这样，柴油机的转速就会出现剧烈的波动，从而影响工作机械的正常工作。因此，工程机械如发电用柴油机必须设置调速器。此外，由于柴油机喷油泵本身的性能特点，在怠速工作时不容易保持稳定，而在高速时又容易超速运转甚至“飞车”，所以在柴油机上必须安装调速器，以保持其息速稳定和防止高速时出现“飞车”现象。
二、调速器的种类
1、根据调速器调节机构的不同分类
可分为机械式、液压式、气动式和电子式四种。
① 机械式调速器
机械式调速器的感应元件为飞块或飞球，直接推动执行机构。结构简单，工作可靠，广泛用于中、小功率柴油机上。
② 液压式调速器 液
压式调速器一般用飞块作感应元件，推动控制活塞操纵液压伺服器。这种调速器的感应元件较小，通用性强，可用少数几种尺寸系列满足几十到上万马力（1马力＝75kg·m/s＝0.735kW）柴油机的配套要求。稳定性好，调节精度高（稳定调速率可到零），推动力大，便于实现柴油机的自动控制。但结构复杂，工艺要求高，因此，适用于大功率柴油机。
③ 气动式调速器
气动式调速器是利用膜片感应进气管真空度的变化，进而推动执行机构。这种调速器结构简单，低速时灵敏度较高，但因进气管装有节流阀增加了进气阻力，功率有所下降。因此，只适用于小功率柴油机，目前采用不多。
④ 电子式调速器
电子式调速器是把柴油发动机转速的变化转换成电量变化，经采样放大后控制其执行机构。这种调速器可在柴油机转速产生明显变化之前调整供油量，获得很高的调节精度，实现无差并联运行。目前，主要用于柴油发电机组。
2、按照调速器起作用的转速范围分类
可分为单程式、两极式和全程式三种。
① 单程式调速器
单程式调速器只在某一个转速（一般为标定转速）时起作用。它适合于要求转速恒定的柴油机，如驱动发电机、空气压缩机、离心泵等的柴油机。
② 两极式调速器
两极式调速器只在柴油机怠速和标定转速两种情况下起作用，主要用于汽车，以保持怠速工作稳定和防止高速时“飞车”。其他工况则由操作者操纵油门来调节供油量。
③ 全程式调速器
全程式调速器是在柴油机工作转速范围内均起作用。装有这种调速器的工作机械，操作人员根据工作需要选择任一转速后，调速器即能自动地使柴油机稳定在该转速下工作。这不仅大大改善了操作人员在负荷变化频繁情况下的劳动条件，而且也提高了工作质量和生产效率。因此，大多数工程机械都采用这种调速器。
三、机械式调速器的基本工作原理
1、基本组成
调速器要能根据外界负荷的变化，灵敏地调节供油量，以保持转速的稳定。它必须具备两个基本部分：感应元件与执行机构。
（1）感应元件用于感应外界负荷的变化。当柴油机的外界负荷变化时，由于供油量与负荷不相适应，首先引起转速的变化。负荷增加时会使转速下降，负荷减小则转速上升。因此感应元件必须能灵敏地感受到转速的波动，并及时将感受到的信号传递给执行机构。
（2）执行机构用于根据感应元件传递的信号相应地调节供油量。当柴油机负荷增大而转速降低时，执行机构应使供油量增加，以使转速回升到初始转速。当负荷减小而转速升高时，则执行机构应减小供油量，以使转速下降到初始转速。
2、工作原理
（1）单程式调速器
如图1所示为一种单程式调速器的工作原理图。传动盘1由柴油机曲轴带动旋转。在传动盘与推力盘5之间布置了一排飞球。飞球在传动盘的带动下随着一起旋转。飞球由于受到离心力的作用而向外飞开。传动盘的轴向位置是一定的，而推力盘则滑套在支承轴上，可以沿轴向滑动。调速弹簧以一定的预紧力压在推力盘上。推力盘上固定有传动板，传动板则和供油拉杆相连。当推力盘移动时，即通过传动板和供油拉杆使柱塞转动，以改变供油量。传动板向右移时，供油量减少。
上述调速器的感应元件为飞球，执行机构为推力盘及传动板等。当外界负荷变化引起转速变化时，飞球的离心力随即改变。因离心力与转速的平方成正比，故飞球能较灵敏地感应转速的变化。飞球的离心力作用到推力盘上，并产生轴向分力F，迫使推力盘向右移动。由于推力盘右侧作用有调速弹簧的弹力Fp，因此推力盘的位置取决于两力是否平衡。
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柴油机单程式调速器工作原理 |
调速器的工作过程如下：
当柴油机工作时，传动盘和飞球即被曲轴驱动旋转。如飞球所产生的轴向力Fa小于调速弹簧弹力Fp时，推力盘仍处于最左端的位置。这时调速器尚未起调节作用。当曲轴转速升高到使力Fa与Fp相等时，此时曲轴转速为调速器开始起作用的转速。显然，调速弹簧的预紧力F。越大，起作用的转速越高；反之则低。
若柴油机在调速器起作用转速（Fa＝Fp）下工作时，外界负荷减小，曲轴转速将上升，飞球作用到推力盘上的轴向分力将增大（Fa＞Fp），推动推力盘右移并压缩调速弹簧。而传动板则使供油拉杆向供油量减小的方向移动，使转速降低，Fa减小，以适应外界负荷的变化。调速弹簧在被压缩的同时弹力Fp也不断增加，因此推力盘将在F′a＝F′p时达到新的稳定，而供油量也与减小的负荷相对应。如外界负荷继续减小，转速则不断上升，飞球将使推力盘和传动板将供油拉杆再向右移，当外界负荷为零时，调速器将供油拉杆移至最小供油量位置，柴油机处于最高空转转速下工作。
综上所述，机械单程式调速器的工作原理可归纳为以下三点。
① 感应元件通过离心力来感应柴油机转速的变化。当负荷减小、转速增高时，其离心力增大，借助离心力的轴向分力推动供油拉杆减小供油量。当负荷增大、转速降低时，其离心力减小，调速弹簧将推动供油拉杆增加供油量。
② 调速器起作用的转速由调速弹簧的弹力所决定。
③ 调速器并非使发动机的转速始终保持不变，而是使发动机的转速随负荷变化的波动被控制在允许的范围内。
（2）两极式调速器
如图2所示为一种两极式调速器的工作原理图。这种调速器可在两种转速（低速和标定转速）下起作用。其主要特点是调速弹簧由两根组成，外调速弹簧较长，但其刚性较弱；内调速弹簧较短，但刚性强。外弹簧的预紧力小而内弹簧的预紧力大。在未工作时两弹簧之间保持一定距离。此外，供油拉杆既可由调速器操纵，又可由操作者直接控制。
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图2 柴油机两极式调速器工作原理图 |
两极式调速器的工作情况如下：
当柴油机未工作时，外调速弹簧将供油拉杆推向供油量最大的位置。当柴油机启动后，转速上升，因外弹簧预紧力小且刚性弱，飞球即可推动供油拉杆向减小供油量的方向移动。当转速升至某一定转速nd时，推力盘3与内弹簧座相接触。这时，由于内弹簧预紧力大而刚性强，因此即使转速继续升高，飞球的离心力仍不足以推动内弹簧座移动。但此时如由于外界负荷变化使转速低于nd时，外调速弹簧即可推动供油拉杆左移增加供油量，以保持柴油机可在n。转速下稳定工作。nd即为最低空转转速。当柴油机转速升至标定转速时，飞球离心力显著升高，其轴向分力与内、外弹簧弹力相平衡。如果这时转速稍许上升，推力盘即推压内、外弹簧，使供油量减少，其工作情况与前述单程式调速器相同。
在转速nd与标定转速之间，调速器不起作用，由操作者根据需要调节供油量以实现柴油机转速的基本稳定。
（3）全程式调速器
图3为一种全程式调速器的工作原理图，其特点是调速弹簧的弹力可以由操作者在一定范围内加以调节。因此，调速器起作用的转速也相应地在一定范围内变化。
由操作者操纵的操纵臂的下端与调速弹簧滑座相接触。当操纵臂顺时针摆动时，调速弹簧被压紧，弹力增大，使调速器起作用的转速增高。当操纵臂与最高转速限位螺钉相碰时，起作用的转速达到最大。通常该转速为标定转速。如将螺钉向外退出，则起作用的转速升高，拧入则降低。如将操纵臂逆时针摆动，则调速弹簧放松，起作用转速降低。当操纵臂下端与怠速限位螺钉相碰时，调速器则在最低空转转速下起作用，以保持怠速工作稳定。
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图3 柴油机全程式调速器工作原理图 |
由以上分析可见，装有全程式调速器的柴油发动机，操作者通过扳动操纵臂，改变调速弹簧的弹力，来达到改变柴油发动机工作转速的目的，而柴油机的供油量则由调速器根据外界负荷的变化自动地进行调节。这就大大减轻了操作者在负荷变化频繁时的紧张劳动，同时也提高了工作效率。
全程式调速器也可采用两根或多根调速弹簧。通常外弹簧较弱，且有预紧力；内弹簧则较强，呈自由状态（这是与两极式调速器的不同之处）。柴油发动机在低转速工作时，外弹簧起作用。随着转速的升高，内弹簧也开始工作，以适应不同转速范围内调速器性能对弹簧刚性的不同要求。
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