第五章 轉速控制系統(tǒng)中的保護與限制環(huán)節(jié)

1、第五章第五章 轉速控制系統(tǒng)中的保護與限制環(huán)節(jié)轉速控制系統(tǒng)中的保護與限制環(huán)節(jié) 轉速控制系統(tǒng)中的保護與限制環(huán)節(jié)是系統(tǒng)的輔助環(huán)節(jié)。設轉速控制系統(tǒng)中的保護與限制環(huán)節(jié)是系統(tǒng)的輔助環(huán)節(jié)。設置它們的主要原因是為了延長主機的使用壽命，提高主機的平置它們的主要原因是為了延長主機的使用壽命，提高主機的平均無故障工作時間（均無故障工作時間（MTBF）。）。 保護與限制環(huán)節(jié)設立的依據(jù)是主機的保護與限制環(huán)節(jié)設立的依據(jù)是主機的安全操作規(guī)范安全操作規(guī)范。 起動轉速限制起動轉速限制 臨界轉速限制臨界轉速限制 最大轉速限制最大轉速限制 手動轉速限制手動轉速限制 最小穩(wěn)定轉速限制最小穩(wěn)定轉速限制 負荷程序限制負荷程序限制 故障停

2、車故障停車 故障減速故障減速 加速度限制加速度限制 轉距限制轉距限制 掃氣壓力限制掃氣壓力限制 手動燃油限制手動燃油限制轉速限制轉速限制燃油限制燃油限制主機的保護與主機的保護與限制環(huán)節(jié)組成限制環(huán)節(jié)組成5.1 起動轉速限制起動轉速限制 螺旋槳的特性：在相同的主機轉速下，船速越高，螺旋槳螺旋槳的特性：在相同的主機轉速下，船速越高，螺旋槳轉距越小，船速越低，螺旋槳轉距越大。轉距越小，船速越低，螺旋槳轉距越大。 船速高，意味著船舶阻力小，如：順風、順浪、空載，所船速高，意味著船舶阻力小，如：順風、順浪、空載，所以螺旋槳的轉距小。以螺旋槳的轉距小。 船速低，意味著船舶阻力大，如：逆風、逆流、超載或遭船速

3、低，意味著船舶阻力大，如：逆風、逆流、超載或遭遇臺風，所以螺旋槳的轉距大。遇臺風，所以螺旋槳的轉距大。 在船舶正常航行時，螺旋槳的轉速等于主機額定轉速，主在船舶正常航行時，螺旋槳的轉速等于主機額定轉速，主機產生額定轉距，發(fā)出額定功率。機產生額定轉距，發(fā)出額定功率。 所以，螺旋槳轉距所以，螺旋槳轉距=主機軸輸出轉距。主機軸輸出轉距。 限制主機起動轉速的原因：限制主機起動轉速的原因： 如果船舶停止不動，而主機轉速為額定值，那么轉距就如果船舶停止不動，而主機轉速為額定值，那么轉距就要大大超過額定值，從而使主機功率大大超過額定功率，造成要大大超過額定值，從而使主機功率大大超過額定功率，造成主機過載。（

4、例如船舶起航階段、船舶系泊試驗期間）主機過載。（例如船舶起航階段、船舶系泊試驗期間） 為了避免主機承受的熱負荷過大，以及產生的熱應力過為了避免主機承受的熱負荷過大，以及產生的熱應力過大。（主機從冷態(tài)情況下起動，機體溫度還沒有上來，如氣缸大。（主機從冷態(tài)情況下起動，機體溫度還沒有上來，如氣缸內溫度突然加大，會造成主機的熱負荷及熱應力過大，從而損內溫度突然加大，會造成主機的熱負荷及熱應力過大，從而損壞氣缸及活塞）壞氣缸及活塞） 限制起動轉速的方法：設置一個專供起動用的起動電位器，限制起動轉速的方法：設置一個專供起動用的起動電位器，發(fā)送起動轉速設定值。發(fā)送起動轉速設定值。 在主機的重復起動過程中，每

5、次起動轉速的設定值的整定在主機的重復起動過程中，每次起動轉速的設定值的整定方法也不同。方法也不同。 目前，存在兩種整定方法：目前，存在兩種整定方法： 每次起動時，由起動轉速電位器發(fā)送的給定值相同，而每次起動時，由起動轉速電位器發(fā)送的給定值相同，而起動結束的轉速值不同。起動結束的轉速值不同。 例如：第一次起動結束轉速整定在例如：第一次起動結束轉速整定在50%的額定轉速。的額定轉速。 第二次起動結束轉速整定在第二次起動結束轉速整定在55%的額定轉速。的額定轉速。邏輯電路邏輯電路+24V起動電位器起動電位器轉速指令線轉速指令線 第三次起動結束轉速整定在第三次起動結束轉速整定在60%的額定轉速。的額定

6、轉速。 這種整定方法的特點：這種整定方法的特點： 1、節(jié)省起動空氣。、節(jié)省起動空氣。(大多數(shù)情況下主機能一次起動成功大多數(shù)情況下主機能一次起動成功) 2、有利于檢查主機和起動系統(tǒng)是否有故障。、有利于檢查主機和起動系統(tǒng)是否有故障。 3、二、三次起動帶有強迫性。、二、三次起動帶有強迫性。 每次起動結束的轉速相同，而起動電位器的整定值不同。每次起動結束的轉速相同，而起動電位器的整定值不同。 第一次起動：輕起動。第一次起動：輕起動。 第二次起動：正常起動。第二次起動：正常起動。 第三次起動：重起動。第三次起動：重起動。 圖圖6-2的符號及文字的說明：的符號及文字的說明： “起動空氣延長起動空氣延長”：

7、當壓縮空氣停止工作以后，讓主機仍：當壓縮空氣停止工作以后，讓主機仍維維持在起動油門下，穩(wěn)定后再向調速電位器所對應的轉速過渡。持在起動油門下，穩(wěn)定后再向調速電位器所對應的轉速過渡。該作用與前面所介紹的，先切除電磁閥，后對雙穩(wěn)態(tài)電位器復該作用與前面所介紹的，先切除電磁閥，后對雙穩(wěn)態(tài)電位器復位的做法完全相同。位的做法完全相同。 RE：繼電器。：繼電器。 A1、A2：同相放大器。（其作用是使邏輯電路與線性電路：同相放大器。（其作用是使邏輯電路與線性電路之間隔離）之間隔離） 放大系數(shù)為放大系數(shù)為1的運放：起到隔離與提高帶負載能力的作用。的運放：起到隔離與提高帶負載能力的作用。圖圖5-1 5.2 臨界轉速

8、限制臨界轉速限制 柴油機運行柴油機運行活塞上下往復運動活塞上下往復運動主機振動主機振動船體振動。船體振動。 當主機振動周期當主機振動周期=船體的固有振動周期時，就產生共振。船體的固有振動周期時，就產生共振。 共振的后果會使得主機與船體遭到極大的破壞。共振的后果會使得主機與船體遭到極大的破壞。 把引起主機與船體共振的轉速叫做把引起主機與船體共振的轉速叫做臨界轉速臨界轉速。 臨界轉速還有一定的范圍，這個范圍統(tǒng)稱為臨界轉速還有一定的范圍，這個范圍統(tǒng)稱為臨界轉速區(qū)臨界轉速區(qū)。 一般船舶的臨界轉速區(qū)，往往分布在一般船舶的臨界轉速區(qū)，往往分布在70%的額定轉速附近，的額定轉速附近，并且還會隨著環(huán)境的變化而

9、變化。并且還會隨著環(huán)境的變化而變化。 手動操縱手動操縱時的處理措施是：在調油手柄上，有一塊臨界轉時的處理措施是：在調油手柄上，有一塊臨界轉速區(qū)的標記，輪機員在操車時繞過這一區(qū)域。速區(qū)的標記，輪機員在操車時繞過這一區(qū)域。 自動操縱自動操縱時的處理措施則要依賴遙控系統(tǒng)實行臨界轉速區(qū)時的處理措施則要依賴遙控系統(tǒng)實行臨界轉速區(qū)的自動避讓。的自動避讓。 臨界轉速區(qū)的避讓方法共有四種：臨界轉速區(qū)的避讓方法共有四種： 限位在下限的方法限位在下限的方法 限位在上限的方法限位在上限的方法nHt100%70%65%臨界轉速區(qū)臨界轉速區(qū)避讓后的指令避讓后的指令轉速指令轉速指令nHt100%70%65%臨界轉速區(qū)臨界

10、轉速區(qū)避讓后的指令避讓后的指令轉速指令轉速指令 將臨界轉速區(qū)分為高、低區(qū)將臨界轉速區(qū)分為高、低區(qū) 轉速上升和下降采用不同的避讓方法轉速上升和下降采用不同的避讓方法nHt100%70%60%臨界轉速區(qū)臨界轉速區(qū)避讓后的指令避讓后的指令轉速指令轉速指令低區(qū)低區(qū)高區(qū)高區(qū)nHt100%70%65%臨界轉速區(qū)臨界轉速區(qū)避讓后的指令避讓后的指令轉速指令轉速指令 檢測并發(fā)送臨界轉速信號的方法：檢測并發(fā)送臨界轉速信號的方法： 方法一：方法一： 方法二：方法二： 主機轉速在臨界轉速區(qū)運轉的原因可能有兩條：主機轉速在臨界轉速區(qū)運轉的原因可能有兩條： 1）車令手柄進入臨界轉速區(qū)。）車令手柄進入臨界轉速區(qū)。 2）由于

11、負荷程序限制的作用。）由于負荷程序限制的作用。邏輯電路邏輯電路+24V臨界轉速臨界轉速下限電位器下限電位器轉速指令線轉速指令線nHt100%70%臨界轉速區(qū)臨界轉速區(qū)nHt100%70%65%臨界臨界轉速區(qū)轉速區(qū)負荷限制曲線負荷限制曲線75%負荷負荷限制區(qū)限制區(qū)車令曲線車令曲線臨界轉速臨界轉速限制曲線限制曲線圖圖5-25.3 最大、最小及手動轉速限制最大、最小及手動轉速限制 一、最大轉速限制一、最大轉速限制 設置最大轉速限制的目的就是要防止主機超速。設置最大轉速限制的目的就是要防止主機超速。 最大正車轉速限制值為最大正車轉速限制值為100%nH。 最大倒車轉速限制值為最大倒車轉速限制值為607

12、0%nH。(螺旋槳效率低螺旋槳效率低) 緊急情況下，最大正車轉速限制值可為緊急情況下，最大正車轉速限制值可為110%nH。指令發(fā)送線指令發(fā)送線正車正車nmax倒車倒車nmax手動限制手動限制nmin 二、手動轉速限制二、手動轉速限制 主機性能主機性能(燃油質量、燃燒質量、排煙溫度、冷卻水溫度燃油質量、燃燒質量、排煙溫度、冷卻水溫度) 航行條件航行條件(海況、裝載海況、裝載) 根據(jù)以上條件，由輪機長確定。根據(jù)以上條件，由輪機長確定。 一般可調節(jié)范圍：一般可調節(jié)范圍：60100% nH 。 安裝位置位于機控室操縱臺面板上。安裝位置位于機控室操縱臺面板上。 緊急情況下，可撤消該限制。緊急情況下，可撤

13、消該限制。 三、最小穩(wěn)定轉速限制三、最小穩(wěn)定轉速限制 主機轉速高主機轉速高噴油泵內的柱塞上升速度快噴油泵內的柱塞上升速度快噴油壓力高噴油壓力高燃油霧化好燃油霧化好容易燃燒。容易燃燒。 主機轉速低主機轉速低噴油泵內的柱塞上升速度慢噴油泵內的柱塞上升速度慢噴油壓力低噴油壓力低燃油霧化不好燃油霧化不好不易燃燒。再加上其它綜合因素，如：壓縮沖不易燃燒。再加上其它綜合因素，如：壓縮沖程中所形成的壓力和溫度不夠等因素，可能導致主機停車。程中所形成的壓力和溫度不夠等因素，可能導致主機停車。 一般情況下，主機最小穩(wěn)定轉速的限制值為一般情況下，主機最小穩(wěn)定轉速的限制值為2025% nH 。5.4 故障減速和故障

14、停車故障減速和故障停車 故障減速和故障停車是主機遙控系統(tǒng)的兩個保護環(huán)節(jié)。設故障減速和故障停車是主機遙控系統(tǒng)的兩個保護環(huán)節(jié)。設置的目的就是確保主機安全運轉，免遭損壞。置的目的就是確保主機安全運轉，免遭損壞。 滑油壓力低滑油壓力低 凸輪軸滑油壓力低凸輪軸滑油壓力低 推力軸承高溫推力軸承高溫 超速超速 曲柄箱油霧濃度高曲柄箱油霧濃度高故障停車故障停車指令發(fā)送線指令發(fā)送線故障信號故障信號復位復位強迫運轉強迫運轉(Override)停車電磁閥停車電磁閥調速器停車調速器停車電磁閥電磁閥GSVt 滑油溫度高滑油溫度高 氣缸和活塞冷卻水溫度高氣缸和活塞冷卻水溫度高 排煙溫度高排煙溫度高 廢氣透平溫度高廢氣透平

15、溫度高 廢氣鍋爐故障廢氣鍋爐故障 曲柄箱油霧濃度大曲柄箱油霧濃度大 故障減速電位器的設定值調節(jié)范圍為：故障減速電位器的設定值調節(jié)范圍為：6080% nH 故障減速故障減速指令發(fā)送線指令發(fā)送線故障信號故障信號復位復位緊急操縱緊急操縱t“0”故障減速故障減速電位器電位器5.5 負荷程序限制負荷程序限制 燃燒室的組成：氣缸套、活塞、氣缸蓋。燃燒室的組成：氣缸套、活塞、氣缸蓋。 組成燃燒室的受熱部件會因主機的工作溫度而升高。組成燃燒室的受熱部件會因主機的工作溫度而升高。 為了避免溫度過高：在氣缸套外部、活塞和氣缸蓋內部設為了避免溫度過高：在氣缸套外部、活塞和氣缸蓋內部設有冷卻水腔，用水冷卻受熱件。有冷

16、卻水腔，用水冷卻受熱件。 熱負荷：單位時間內通過單位冷卻表面?zhèn)鞒龅臒崃俊嶝摵桑簡挝粫r間內通過單位冷卻表面?zhèn)鞒龅臒崃俊?熱負荷與傳熱件壁面兩側的溫差成正比。熱負荷與傳熱件壁面兩側的溫差成正比。 溫差大溫差大熱負荷大熱負荷大熱應力大。熱應力大。 當熱應力過大時，會造成金屬材料表面疲勞，產生裂紋、當熱應力過大時，會造成金屬材料表面疲勞，產生裂紋、表面變形或出現(xiàn)桔皮現(xiàn)象。表面變形或出現(xiàn)桔皮現(xiàn)象。 所以須對柴油機的熱負荷進行限制。所以須對柴油機的熱負荷進行限制。 一、負荷程序限制器的功能一、負荷程序限制器的功能 什么情況下需要進行熱負荷的限制？什么情況下需要進行熱負荷的限制？ 并非任何時候都要限制！限

17、制的原則是保證受熱件的熱應并非任何時候都要限制！限制的原則是保證受熱件的熱應力在安全范圍之內。力在安全范圍之內。 限制的方法：限制的方法： 限制熱負荷的手動措施：限制熱負荷的手動措施： 備車時，提前備車時，提前24個小時讓滑油系統(tǒng)投入工作，因滑油的工個小時讓滑油系統(tǒng)投入工作，因滑油的工作溫度約為作溫度約為6070度，起到暖機作用。度，起到暖機作用。 人為控制主機的加速時間。在主機進入高速區(qū)后，通過觀人為控制主機的加速時間。在主機進入高速區(qū)后，通過觀察冷卻水溫度和滑油溫度的變化，還要結合排煙溫度的變化情察冷卻水溫度和滑油溫度的變化，還要結合排煙溫度的變化情況，來確定何時對主機的轉速增加多少轉。況

18、，來確定何時對主機的轉速增加多少轉。100n %8040負荷負荷限制區(qū)限制區(qū)負荷非負荷非限制區(qū)限制區(qū) 負荷程序限制器的特點：負荷程序限制器的特點： 沒有用專門的傳感器來檢測主機的熱負荷。而是利用主機沒有用專門的傳感器來檢測主機的熱負荷。而是利用主機的轉速來模擬熱負荷的變化情況。的轉速來模擬熱負荷的變化情況。 負荷程序限制器的限速范圍：負荷程序限制器的限速范圍： 一般情況下：一般情況下：80100% nH。 特殊情況下：特殊情況下：70100% nH。 負荷程序限制不僅在加速過程中起作用，而且在減速和停車負荷程序限制不僅在加速過程中起作用，而且在減速和停車過程中同樣起作用。（不同的初始值）過程中

19、同樣起作用。（不同的初始值） 負荷程序限制器的原理框圖：負荷程序限制器的原理框圖：指令發(fā)送線指令發(fā)送線轉速轉速排煙溫度高排煙溫度高緊急操縱緊急操縱n圖圖5-3 負荷程序限制器的功能：負荷程序限制器的功能： 1）主機在）主機在70100% nH加速時，轉速升高受限制，低于加速時，轉速升高受限制，低于70% nH不受限制。不受限制。 2）負荷程序限制器的限制值取決于主機受熱部件壁面兩側）負荷程序限制器的限制值取決于主機受熱部件壁面兩側溫差在允許范圍內時的溫度。也就是說，取決于主機熱負荷在溫差在允許范圍內時的溫度。也就是說，取決于主機熱負荷在允許范圍內時的溫度。（初始值問題存在的原因）允許范圍內時的

20、溫度。（初始值問題存在的原因） 3）主機從冷態(tài)加速到全速，約需時間）主機從冷態(tài)加速到全速，約需時間30min60min。 二、負荷程序限制器的電路實例二、負荷程序限制器的電路實例 比較器的輸入輸出關系：比較器的輸入輸出關系：nU熱限熱限70%100%微速微速 慢速慢速半速半速全速全速圖圖5-3圖圖5-45.6 加速度限制器加速度限制器 加速度限制器加速度限制器=分級發(fā)送器分級發(fā)送器=等速化處理單元等速化處理單元 對于轉速控制系統(tǒng)來講：對于轉速控制系統(tǒng)來講： 轉速指令轉速指令U(t) 穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差ess 階躍信號階躍信號 0 熱負荷不允許熱負荷不允許 斜坡信號斜坡信號 常數(shù)常數(shù) 加速度信號加

21、速度信號 不穩(wěn)定不穩(wěn)定 實際上，車令信號實際上，車令信號=階躍階躍+斜坡斜坡+加速度加速度+ 設置加速度限制器的原因：設置加速度限制器的原因： 為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，同時還要考慮主機所能承受的熱負荷的為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，同時還要考慮主機所能承受的熱負荷的影響，并且獲得滿意的調速性能，所以需要設置加速度限制器。影響，并且獲得滿意的調速性能，所以需要設置加速度限制器。 加速度限制器的功能：加速度限制器的功能： 濾去車令信號中的加速度和階躍成分，輸出速度信號。但濾去車令信號中的加速度和階躍成分，輸出速度信號。但是要求能根據(jù)主機的工況，用不同的速率發(fā)送。是要求能根據(jù)主機的工況，用不同的速率發(fā)送。 一、計數(shù)器式加

22、速度限制器一、計數(shù)器式加速度限制器 發(fā)送速度的改變發(fā)送速度的改變脈沖發(fā)送器頻率的改變。脈沖發(fā)送器頻率的改變。 優(yōu)點：全部采用電子元件，可靠性高，發(fā)送速率穩(wěn)定。優(yōu)點：全部采用電子元件，可靠性高，發(fā)送速率穩(wěn)定。 缺點：使用電子元件數(shù)量較多，電路復雜，不利于維修。缺點：使用電子元件數(shù)量較多，電路復雜，不利于維修。 二、電容器式加速度限制器二、電容器式加速度限制器 發(fā)送速度的改變發(fā)送速度的改變電容充放電回路參數(shù)的改變。電容充放電回路參數(shù)的改變。tu最快速：最快速：起動、緊急起動、緊急慢速：慢速：半速以上增速半速以上增速快速：快速：半速以下增速半速以下增速快速：快速：減速、停車減速、停車圖圖5-5 優(yōu)點

23、：線路簡單，元件數(shù)目少。優(yōu)點：線路簡單，元件數(shù)目少。 缺點：線性度差。缺點：線性度差。tu正常正常緊急緊急減速、停車減速、停車圖圖5-65.7 燃油限制器燃油限制器 燃油限制器一般只用在電子調速系統(tǒng)中。燃油限制器一般只用在電子調速系統(tǒng)中。 一、轉距限制一、轉距限制 為什么要設置轉距限制？為什么要設置轉距限制？ 假設主機在額定轉速上運行，航行速度為全速，主機輸出額假設主機在額定轉速上運行，航行速度為全速，主機輸出額定轉距。定轉距。 如果主機負載增加如果主機負載增加n主機主機降低降低e=ur-uf上升上升PI調節(jié)器輸出調節(jié)器輸出增大增大油門增大油門增大噴油量增大噴油量增大主機產生的轉距增加主機產生

24、的轉距增加 n主機主機重新重新穩(wěn)定在額定轉速上。穩(wěn)定在額定轉速上。ES八種轉速限制八種轉速限制與保護環(huán)節(jié)與保護環(huán)節(jié)燃油給定值燃油給定值圖圖5-7 如果主機負載繼續(xù)增加，由于轉速負反饋的作用，主機轉如果主機負載繼續(xù)增加，由于轉速負反饋的作用，主機轉速仍保持不變，即恒值，但是速仍保持不變，即恒值，但是PI調節(jié)器的輸出即主機的噴油量調節(jié)器的輸出即主機的噴油量卻隨主機負載的增加而增加。卻隨主機負載的增加而增加。 結果，主機產生的轉距隨負載的增加而增加，從而導致主結果，主機產生的轉距隨負載的增加而增加，從而導致主機輸出轉距過大。機輸出轉距過大。 轉距過大的后果有三點：轉距過大的后果有三點： 1）主機軸系和軸承的斷裂。）主機軸系和軸承的斷裂。 2）噴油量過大，使燃燒不充分而冒黑煙。）噴油量過大，使燃燒不充分而冒黑煙。 3）轉距過大，再加上轉速較高