起动-换向和操纵系统

第九章起动、换向和操纵系统船舶经常在各种复杂的条件下航行，例如：在进出港口和靠离码头时，要求船舶屡次改变航速与航向； 船舶在海洋中正常航行时，要求船舶定速前进；在大风浪中航行时，由于船舶摇摆起伏，主机会超负荷或超 速，这时应限制主机的负荷与转速；在紧急情况下，船舶为了避碰而要求紧急刹车，强迫主机迅速停车、倒 车。为了满足船舶机动操作的要求，船舶主机应当具有起动、停车、定速、变速、超速、限速、超负荷、限 制负荷、正车和倒车能力。为此，作为船舶主机的柴油机，必须设置起动、换向和调速装置以与控制上述各 种装置的操纵机构。随着船舶自动化技术不断开展和电子技术在船舶上的广泛应用，船舶主机操纵日趋自动化、遥控化、智 能化。近年来新造船舶主机都是遥控操作的。这就要求轮机管理人员掌握新技术，不断提高管理水平，在各 种复杂条件下都能正确操纵主机，迅速排除故障，确保船舶安全可靠地航行，目前，各港口国政府严格和广 泛地采取措施，对抵港外轮实施PSC Port State Control，港口国监控，这就对轮机员提出更严格的要求，应确保主、副机等设备状态良好。不少船舶因被发现主、副机存在重大缺陷而受到警告，限期解决或被滞留,船舶因此承当船期损失和高昂的修理费用，还会使船舶、船公司、船旗国船级社被列入“黑而导致名誉损 失。所以掌握各种主机的起动、换向与操纵机构的性能并能排除故障，对轮机安全管理是至关重要的。第一节起动装置一、概述静止的柴油机必须借助外力的作用，使柴油机获得第一个工作行程的条件，即柴油机在外力作用下进展 进气、压缩、喷油，直至燃油燃烧膨胀推动活塞并通过曲柄连杆机构使柴油机自行运转。这一过程称为柴油 起动。为了保证柴油机的起动，驱动柴油机的外力矩必须在克制阻力矩的条件下，使柴油机达到一 定的转速。柴油机转速过低时，压缩过程进程缓慢，气体对气缸壁散热较多和气体通过活塞环的漏泄亦较多， 致使柴油机压缩终点温度较低，达不到燃油自燃发火的要求，柴油机也不可能转动起来。通常称柴油起动所 要求的最低转速为起动转速。起动转速的大小与柴油机的类型、柴油机的技术状态、燃油品质、环境条件等有关。起动转速是鉴别柴 油机起动性能的重要标志。起动转速的X围是：高速柴油机80150r/min ;中速柴油机6070r/min ;低速些油机2530r/min。根据所采用外来能源的形式，柴油机的起动方式可分为：1借助于加在曲轴上的外力矩使曲轴转动起来，如人力手摇起动、电动起动与气动马达起动等；2借助于加在活塞上的外力推动活塞运动使曲轴转动起来，如压缩空气起动。小型柴油机如救生艇发动机、驱动应急消防泵和应急空压机的柴油机，通常用电力和手摇起动，也有用 压缩空气起动。船舶主、副机几乎全用压缩空气起动。柴油机的起动性能除了与柴油构造特点和工作条件有关外，也与起动装置有关。柴油机起动装置应能保 证柴油机迅速可靠地起动，使消耗的能量尽可能少，易于实现机舱自动化和遥控。对于船舶主机，还要求当 曲轴处于任何位置和机舱温度低至 58C时，不需暧机就能迅速可靠地起动。二、压缩空气起动装置的组成和工作原理压缩空气起动就是将具有一定压力（2.5MPaMPa）的压缩空气，按柴油机的发火顺序在工作行程时引入气缸，代替燃气推动活塞，使柴油机达到起动转速，完成自行发火。它的主要优点是起动能量大，起动迅速 可靠，在倒顺车运转时还可以利用压缩空气来刹车和帮助操纵；但该装置构造较复杂，重量较重，故不适用 于小型高速柴油机。1、起动装置简介图9-1所示，是一种压缩空气起动装置简图。压缩空气起动装置的主要组成局部包括：空气压缩机、空 气瓶6,主起动阀3，空气分配器2，起动控制阀7和气缸起动阀1等。图9-1压缩空气起动装置原理图1气缸起动阀；2空气分配器；3主起动 阀；4 操纵手柄；5出气阀；6空气瓶；7起动控制阀；8截止阀起动前，空气压缩机向空气瓶6充气达到规定压力，2.53.0Mpa，空气压缩机的起停由压力继电器自动控制。当空气瓶内压力降至设定的数值时，空气压缩机自动投入工作向 空气瓶6充气；当空气瓶内压力升至设定数值后，空气压缩机 自行停车。起动前准备，打开空气瓶出气阀5,截止阀8,使空气瓶中 空气自截止阀8沿管路通至主起动阀 3和起动控制阀7处等候。起动，当接到起动指令时， 将起动手柄推到起动位置。 这时，起动控制阀 7开启，控制空气进入主起动阀3的活塞上面，推动活塞下移使主起动阀开启。于是，起动空气分成两路： 一路经空气总管通至各缸的气缸起动阀1下方空间等候；另一路为控制用的压缩空气，被引至空气分配器,柴油机的发火顺序到达相应的气缸起动阀的上部空间，依次将各缸气缸起动阀打开，使等待在此阀前的起动空气进入气缸，推动活塞运动与驱动曲轴旋转。当柴油机 达到起动转速后，随即将燃油手柄推至起动供油位置。待柴油机起动后，立即通过操纵手柄关闭起动控制阀 7,切断起动空气。主起动阀3随即关闭，气缸起动阀上部空间的控制空气也经空气分配器泄放，气缸起动阀关闭。至此，起动过程完毕。然后可逐渐调节供油量，使柴油机在设定的转速下运转。当主机定速航行时， 将截止阀8和出气阀5先后关闭。2、保证起动的条件为了保证柴油机有效、可靠地起动，必须具备三个条件：1压缩空气应具有一定的压力和一定的储量在起动空气瓶容量已定的情况下，压缩空气所具有的能量是由其压力决定的。压缩空气必须具有足够的 压力才能使柴油机在较短的时间内达到起动转速。柴油机起动的空气压力并不一定需要3.0Mpa，在中、低速柴油机中，此压力一般为 Mpa新型柴油机起动空气的压力约为Mpa左右。按船规要求，供主机起动用的空气瓶至少有两个，起动空气压力应保持在Mpa,空气瓶的容量必须能保证在不补充空气的情况下，冷车、正倒车交替连续起动不少于12次不可换向主机为 6次，保证船舶机动操纵的要求。2要有一定的供气正时并有一定的延续供气时间因为压缩空气代替燃气膨胀作功，推动活塞驱使曲轴转动，因此必须在活塞处于膨胀冲程且只有在膨胀 冲程的某一时刻进入气缸。这个供气时刻即为起动正时空气分配器正时与柴油机的型号、气缸数目、标 定转速和起动空气压力等因素有关。适宜的起动正时既应以最有利于起动又节省空气耗量为主要依据。理论 上，船用大型低速二冲程柴油机， 空器分配器大约在上止点前 5。曲轴转角完毕供气，在上止点后100120曲 轴转角完毕供气，实际上，起动空气进入气缸的时刻要延后些，这是因为气缸起动阀不是瞬时开大的，在开 启的初期由于开度极小对空气起到节流作用，压缩空气并未真正进入气缸，只有气缸起动阀的开度较大时压 缩空气才进入气缸起动柴油机。气缸起动阀开启的延续时间因受气口开启时刻的限制，一般不超过120。曲轴转角，在中高速四冲程柴油机中，空气分配器常在上止点前510曲轴转角供气，这主要是由于转速高的柴油机，气缸起动阀从充气到开启所占的曲轴转角要比低速机大些。与二冲程柴油机一样，起动阀延续开 启的时间因受排气阀开启时刻的限制一般不超过140曲轴转角。3要保证最少气缸数对于船舶主机而言，必须保证曲轴在任何位置时都能起动，即柴油机的曲轴在任何位置时至少有一个气 缸处于起动位置。二冲程柴油机的气缸数不应少于四个，四冲程柴油机不应少于六个，因为二冲程柴油机起 动阀的延开角度不超过 120,故只有当曲柄夹角小于 120时，才能保证各气缸中必有一个处于起动位置。 显然，相邻曲柄夹角小于120 的气缸数至少为四个，同理，四冲程柴油机应为六个。假如气缸数少于上述数值，如此起动前必须盘车，使某缸正好处于膨胀行程开始后的某一时刻。3、气缸起动阀和空气分配器的结构原理在压缩空气起动装置中起关键作用的是气缸起动阀和空气分配器，图9 2所示就是它们的结构原理。图9 2中a是单气路气缸起动阀。起动阀阀盘1的直径等于或接近于其导杆 3即平衡活塞的直径，故在进气腔2中, 起动空气作用于上述两局部投影面的力根本相等，而方向相反。 起动阀的上端有启阀活塞 4，下设的弹簧向上顶住启阀活塞，所 以只有在空气分配器将压缩空气送入启阀活塞上部空间而将活 塞4压下时，起动阀才被打开。图92中b为空气分配器，当启阀空气用虚线表示从阀体5上的进气孔进入空气分配器 后，使其下端的滚轮顶在呈凹状的凸轮7上。在图未情况下，滑图9- 2气缸起动阀和空气分配器结构原理1-起动阀阀盘；2进气腔；3导杆；4 启阀活塞;5阀体；6滑阀；7凸轮。阀处于最低位置，阀体中间的出气孔被打开， 启阀空气通过空气 分配器到达启动阀启阀活塞 4的上部，压开起动阀。当凸轮轴上 的凸轮7转过一个角度后，滑阀被抬起，使进气通道与出气通道 隔断，同时使出气通道与下面的泄气通道连通。这时，启阀活塞4上部的空气通过空气分配器泄入大气，起动阀在弹簧的X力作用下关闭，起动空气停止进入气缸。空气分配器有组合式和单体式两种布置方案。图9 1所示为组合式。这种布置方案的特点是各空气分配器的滑阀由一个凸轮来控制，凸轮的安装位置保证了起动阀，在起动位置开启，各起动阀的开启次序与发 火次序一样。单体式空气分配器如此按各缸分开布置，各分配器的滑阀分别由各个凸轮来控制，起动阀的开 启时刻和次序都由凸轮的安装位置来决定。三、压缩空气起动装置的主要设备1、气缸起动阀 气缸起动阀是起动装置中最主要的部件之一。整个操纵系统能否保证柴油机的运动 部件和轴系可靠的起动、制动和反转，在很大程度上取决于气缸起动阀的性能。一般对气缸起动阀有起动和 制动两个方面的要求。起动方面的要求，为使柴油机起动迅速并减少起动空气消耗量，要求起动阀能迅速开启。当起动阀关闭 时，特别是阀要落座时，为了减轻阀盘与阀座间的撞击，如此希望关闭的速度要慢；在气缸内发火后燃气压 力大于起动空气压力的条件下，即使起动阀的启阀活塞4图92上通入控制空气，起动阀也不应开启。这就能防止气缸内的高温燃气倒流入起动总管，以免产生起动管路引起爆炸而导致事故。即起动阀应确保在 气缸内的气体压力低于起动空气压力时才能开启。在船舶全速前进的情况下，遇险紧急避碰，要求柴油机能迅制动而停车与立即反转开出倒车。柴油机的 制动过程由能耗制动和强制制动两个阶段组成。为了使高速回转的柴油机迅速停车并与时开出倒车，首先通 过操纵手柄停油，再通过换向机构以换向转速或应急换向转速进展换向操作，换向后柴油机曲轴、燃油凸轮 轴、进排气凸轮轴、空器分配器凸轮轴仍按原方向转动，当将操纵手柄重新置于起动位置时，空气分配器如 此按换向后的供气正时把气缸起动阀打开，压缩空气充入气缸。此时，压缩空气按照换向后的供气正时依照 发火顺序进入各个气缸。当某个气缸的气缸起动阀处于开启状态时，该缸的活塞正处在压缩行程，这是因为曲轴仍按换向前的转向回转的缘故。进入气缸的压缩空气对处在压缩行程上行的活起着制动作用，消耗了柴 油机的能量使之转速逐渐降低。被压缩了的压缩空气从开启的气缸起动阀被放掉，减少了行程末了留在燃烧 室的空气数量和压力，并减少了压缩空气在膨胀冲程作功的能力，使柴油机转速进一步降低。至于从开启的 气缸起动阀放掉的压缩空气进入起动总管，如果压力过高超过安全阀设定的压力，如此起动总管安全阀开启 泄压，当空气压力低于设定的数值时安全阀会自动关闭。禾U用压缩空气的压力能消耗活塞上行的动能从而消 耗柴油机能量的方法称为能耗制动；柴油机在能耗阶段后转速已经降低却按原转向转动，在压缩行程将压缩 空气通入气缸，迫使每个处在压缩行程的活塞上行速度迅速降低直至柴油机停车，这一过程称为强制制动。为了保证制动的效果，当气缸内压力稍高于起动空气压 力时，要求气缸起动阀仍能保持开启状态。从起动、制动两方面对气缸起动阀的要求是矛盾的。起动时要求当气缸内的气体压力大于起动空气压力时起动阀应当关闭；制动时如此要求当气缸内的气体压力稍高于起动空气压力时起动并应 保持开启，当气缸内气体压力超过起动空气压力过多时，起动阀才自动关闭，以免起动总管安全阀开启泄气损失大量的 压缩空气，反而不利于对柴油机的制动。这两种要求是通过 对起动阀构造的设计而实现的，并非所有机型的起动阀都能 满足上述要求。气缸起动阀按构造原理不同分为单向阀式和气压控制 两种。单向阀式气缸起动阀是简单的单向阀。当起动空气由空气分配器进入单向阀时， 该阀开启柴油机进展起动；当起动空气经空气分配器泄入大气后，该阀在弹簧的作用下关 闭，起动过程停止并防止燃气倒灌入空气瓶，这种单向阀式气缸起动阀适用于中、 小型柴油机。气压控制的气缸起动阀， 从空气分配器来开阀的控制空气与从空气总管来的进入气 缸的起动空气分开输送。空气分配器尺寸小，空气损失少， 起动迅速，适用大型柴油机。根据起动阀启闭气路的不同，气压控制式气缸起动阀分为单气路和双气路控制式两种。单气路控制式气缸起动阀的构造如图9 3所示。它的廿图9 3 单气路控制式气缸起动阀LMC1-启阀活塞；2弹簧；3平衡活塞；4阀盘;P进气口； U 启阀空间工作原理与图92所示一样。属于平衡式气缸起动阀。起动阀依靠控制空气的作用开启，关闭如此靠气阀 弹簧。单气路起动阀的主要特点是：启阀活塞面积大、开关迅速、起动空气消耗少和结构简单，被许多类型 柴油机所采用。图 93所示为L MC型些油机的气缸起动阀，该阀不能兼顾起动和制动两方面的要求，这 种起动阀关闭时落座速度快，致使阀盘与阀座撞击严重、 磨损快，容易损坏，影响起动阀的密封性和可靠性。严重时将导致柴油机起动失灵。由于该阀的启阀活塞面积大，故在缸内压力超过起动空气压力时仍有可能开 启而发生燃气倒灌，引起起动总管安全阀开启，甚至导致空气管爆炸事故。L MC型柴油机在每个起动阀的进气管上均装设有一个安全防护帽，防止起动管因燃气倒灌而发生火灾事故。双气路控制式气缸起动阀的结构如图 94所示，该阀也属于平衡式起动阀。它的启阀活塞是由面积不 等，呈阶梯状连成一体的控制活塞 K1、斥、K3组成，来自空气分配器的两路控制空气控制该阀的启闭。其 动作原理如下：起动时，控制空气由空气分配器经开启管H进入活塞Ki的上部空间T,下部空间N经关闭管J与空气分配器的出口相通。阶 梯活塞2下行开阀。当活塞 K1下行打开控制口 S时，控制空气立 即从T空间进入控制活塞 K2的上部P空间。由于空气的作用面积 突然增大，使起动阀迅速开启。当控制活塞K3关闭管J的气口时， K3下部空间N变小并被封闭形成气垫，使开启速度减慢，直至全 开。由此可保证启阀速度快，但又防止控制活塞与缸底的撞击。当空气分配器经管 H释放Ki、K2上部的控制空气并向关闭管J提供控制空气时，控制空气首先进入活塞K2的下部空间 M使起动阀迅速上行关小。阶梯活塞2上移过程中，控制活塞 K3随即切断管J与空间M的通路，控制空气作用在活塞 K3的下外表使关 闭速度减慢。当活塞 K1关闭控制口 S时，空间P变成密闭空间并 随活塞的上行形成气垫，使关阀的后期落座速度大大减慢， 防止了关闭时的强烈撞击。待阀落座后通过连接槽B使空间P和空间M间的压力自动平衡。这种起动阀由于启阀活塞采用上小下大的阶梯形状，控制空 气进入上部空间T后首先作用在面积较小的控制活塞Ki上，所以当气缸内压力高于起动空气压力时阀不能开启，防止了燃气倒灌 的危险，满足了起动方面对起动阀的要求：速开、速关；但落座 速度缓慢，气缸内发火时阀不应开启。当起动阀已处于全开状态 时，控制空气作用在阶梯活塞 2的全部工作面积上，向下的作用 力增大。因此，假如在紧急制动时气缸的气体压力已超过起动空 气压力，起动阀仍能保持开启状态，从而满足制动方面对起动阀 的要求。2、空气分配器图94双气路控制式气缸起动阀1 弹簧；2阶梯活塞；3阀杆；4阀座；5 起动阀；Ki、K2、K3 控制活塞；T上部空间； M 中部空间；N下部空间；P空间；S控制 口； B 连接槽；H 开启管；J关闭管。空气分配器的作用是按照柴油机的发火顺序，依要求的起动正时将控制空气分配到 相应的气缸起动阀将它们逐个打开，使压缩空气进入气缸起动柴油机。当柴油机起动后进入运转状态时，如 此要求分配器滑阀能与驱动凸轮自动脱离接触，减少不必要的磨损。空气分配器按结构形式不同可分为回转式和柱塞式两种。回转式如图9 1所示，利用凸轮轴驱动一个带孔的分配盘与分配器壳体上的孔与气缸数目一样相配合，控制各缸起动阀的启闭，一般多用于中、高 速柴油机。柱塞式空气分配器通过起动凸轮和滑阀来控制气缸起动阀的启闭，大、中型柴油机多使用这种空 气分配器。柱塞式空气分配器按其排列结构不同，分为单体式和组合式两种。单体式如图9 2 b所示，每个气缸一个空气分配器，由各自的凸轮驱动。气缸起动阀的启阀正时与次序均由各起动凸轮在凸轮轴的安装位置 来决定。组合式空气分配器由一个起动凸轮控制，凸轮的安装位置和线型保证各缸起动阀的启闭。组合式空 气分配器按其柱塞的排列的形式可分为圆周排列式和并列排列式。为与气缸起动阀相配，柱塞式空气分配器分为单气路和双气路两种形式。单气路式如图92所示，它与单气路气缸起动阀相配；双气路式如图95所示，与双气路气缸起动阀配合使用。双气路控制式气缸起动阀有两路控制空气，因为它的分配器必须有两个供气点分别与起动阀的开启管H3是按和关闭管J相连。图95所示为双气路控制柱塞式空气分配器的剖视图。起动空气分配器的各滑阀各气缸的发火次序序绕凸轮轴中心线径向布置，各滑阀是由一个起动凸轮6控制。空气分配器没有得到控制空气时，控制滑阀受弹簧3a作用与起动凸轮 6不接触图示位置，此时，开启管 H经放气腔VS通大气,各缸起动阀均处于关闭状态。图9 5双气路控制式空气分配器2】S41轴；2 滑阀套；3控制滑阀；3a弹簧；4 外壳；5滚轮；6起动凸轮；CA控制空气管；SA供气管；DS-分配器空腔；VS-放气空腔；P压力空腔起动时，当主起动阀打开，来自起动空气瓶的空气经进气管SA充总分为配空腔DS和关闭管J直至气缸起动阀。当按下起动按钮或把起动手柄推至“起动位置时，一股先导空气通过管子CA进入RS和P腔，将控制滑阀3连同滚轮5压向起动凸轮6。如果该缸处于可起动位置，滚轮5就与凸轮6的基园相接触。这时，滑阀内移，使开启管 H经分配空腔DS与主起动阀相通，而关闭管 J经放气腔VS通大气。这样，气缸起动阀 就被来自空气分配器的控制空气打开，起动空气进入气缸，推动活塞并通过曲柄连杆机构驱动柴油机曲轴转 动。随着凸轮轴1的转动，凸轮6将滑阀了推向外端，滑阀 3将开启管H经放气腔VS通大气，来自主起动 阀的控制空气经分配腔 DS和关闭管J相通，使气缸起动阀重新关闭。而凸轮的基圆又转到另一个滑阀下面， 依次开启另一气缸的起动阀。当起动按钮或起动手柄复位后，如此起动完毕，空间P和RS的先导空气经管CA泄放，各滑阀3又被弹簧3a拉回到原来位置，滚轮 5离开凸轮6，空气分配器停止工作。3、主起动阀大、中型柴油机一般都设有主起动阀。它是一种能迅速启闭的截止阀，位于空气瓶与起动空气总之间， 用来启闭空气瓶至空气分配器和气缸起动阀间的主起动空气通路。在空气瓶打开的情况下，它既满足起动所 需的压缩空气量，又能使通气迅速可靠，并减少压缩空气的节流损失。在起动完毕后它还能随时切断压缩空 气并使残存在起动系统中的高压空气泄入大气。通常主起动阀都采用气动控制，有的机型另外装手动机构， 以备气动控制失灵时使用。主起动阀按动作原理可分为均衡式和非均衡式两种。均衡式主起动阀的开启是依靠加载于控制缸内启阀 活塞上的控制空气破坏原均衡关闭状态来实现的。非均衡式的开启是依靠释放控制缸内的空气来实现的。大 型低速柴油机多使用后者。图96是一种非均衡式自动主起动阀的结构图。这是一种带慢转阀的主起动阀，用于使曲轴缓慢转动的慢转阀和主起动阀壳体连接在一起，起动前通过它可使柴油机以510r/min的速度转动。主起动阀既能用控制空气进展控制，也能用手轮进展手动控制。置于主起动阀外壳上部的止回阀9用来防起动空气倒流，在阀壳左下侧设有控制阀1,由起动控制阀控制。在阀壳左侧是慢转阀。图9 6带慢转阀的主起动阀1主起动阀控制活塞；2阀；3弹簧；4轴套；5芯轴；6阀体；7阀座；8止回阀阀座；9 止回阀；10慢转阀的止回阀；11弹簧；12阀座；13调节螺钉；14弹簧；15阀；16慢转阀控制活塞；17活塞；18慢转阀阀座19双止回阀；20联轴节/凸轮；21二位三通阀； E平衡孔；G间隙；EB-平衡孔；M压力表；D排水阀；PP压力空腔；C检查阀排水阀；CA1 CA2 CA3控制空气进口；SC至空气分配器；V1、V2放气孔柴油机起动前，将主起动阀手轮置于“自动位置，开启空气瓶出口阀，起动空气进入环形空腔P并通过阀体6上的孔进入空腔 P1,继而通过芯轴5与轴套4之间的间隙G进入空腔F2。由此作用在阀体 6底面的 力和弹簧3的弹力之和大于空气作用在阀体6上面的开阀力，使主起动阀关闭。空腔P的空气通过慢转阀活塞17的孔“ E进入空腔P4，活塞17在弹簧14的弹力作用下紧压在阀座18上，压缩空气无法进入空腔P5,因而止回阀10和9关闭。当需要慢转操作时，来自慢转先导阀的控制空气通过进口“CAi和CA2进入慢转阀，控制阀16上移顶开阀15,使空腔P4的起动空气经放气孔“ V1泄出。与此同时从 CA2进入的控制空气 推动活塞上行直至与调整螺钉13接触为止。起动空气由空腔P进入空腔P5并打开止加阀10进入空腔P3通向气缸起动阀。由进口“ CA2进入的控制空气还通过双止回阀19的出口“ SC通向空气分配器，使起动空气柱塞处在工作位置。 至此柴油机慢速转动起来，慢转的转速由调节螺钉 13的长度来决定。切断进口 “CAi和“ CA2的控制空气，慢转完毕。起动时按下起动按钮，使控制空气由进口“CA3进入控制活塞1的下方推动活塞1上行并顶开阀2。此时空腔P1和P2内的压缩空气经出口“ V2放入大气，阀体 6在空腔P的开阀 力作用下开启，空腔P的空气抬起止回阀 9并通向气缸起动阀和空气分配器进展起动。起动完毕后切断通至“CA3的控制空气，控制活塞1落下，阀2关闭，待空间P1、P2内逐渐充满起动空气后主起动阀自行关闭，止回阀9随即落座。检查阀“ CV和放泄阀“ DV用于放掉管路中的剩余空气和冷凝水，阀“CV并可用来检查主起动阀的动作和密封性。每次定速或完车后应开启阀“CV和“ DV以放掉管路中残气。图9 7是MAN B& W的MC系列柴油中采用的一种球阀式主起动阀。它是由主起动阀大球阀和与其 并联的慢转阀小球阀组成，两者都是由气动控制阀控制启闭的。此外还组合了一个止回阀用以防止起动 管路中压力过高时的倒灌。在止回阀前设有去空气分配器的通路BoB进30min,慢转时，按下操纵台上的慢转开关，电磁阀动作使主起动阀锁闭，慢转阀开启，起动空气经过通路入空气分配器，经通路 C进入各缸起动阀，依照发火顺序各缸起动阀逐个被打开使主机慢转。正常起动时， 按动起动按钮，控制空气经气动阀将两球阀都打开，柴油机进入正常起动程序。如果柴油机停车超过 再次起动时，应操作控制台上的慢转开关使主机慢转，至少要使主机慢转一圈后才能复位。使电磁阀释放主 起动阀的锁闭，在控制空气作用下由起动空气打开主起动阀，继续起动柴油机。图9 7 MAN B&W MC系列柴油机球阀式主起动阀第二节换向装置一、换向原理和方法根据航行要求，如果船舶要从前进变为后退或相反，一般是靠改变螺旋桨的旋转方向称直接换向来完成的。或者保持螺旋桨转向不而改变螺旋桨的螺距角使推力方向改变变距桨换 向来实现的。目前，多数船舶使用前者实现航向的变换，即船舶的进、退依赖于柴油机旋转方向的改变。 因此要求主柴油机具有换向性能。所谓换向就是改变曲轴的旋转方向。要使柴油机换向，首先应停车，然后柴油机反向起动起来，再使柴油机按反转方向运转起来。为满足上述要求，必须改变起动正时、喷油正时和配气正时，以满足反向起动和反向运转对正时 的需求。因为上述正时均由有关凸轮控制，所以解决柴油机的换向集中在如何相应地改变空气分配器、喷油 泵和进、排气阀等凸轮与曲轴的相对位置上的问题。为改变柴油机的转向而改变各种凸轮相对于曲轴位置的 机构称为换向装置。柴油机换向时需改变其凸轮与轴相对位置的设备随机型不同而异。在四冲程柴油机中有空气分配器凸 轮、进排气阀凸轮和喷油泵凸轮等；二冲程弯流扫气柴油中有空气分配器凸轮和喷油泵凸轮；在二冲程直流阀式扫气柴油机中，除喷油泵凸轮和空气分配器凸轮外还有排气凸轮。目前，换向装置的种类繁多，对装置的根本要求却大体一样。主要有:1应能准确，迅速地改变各种需要换向设备的正时关系。保证正、倒车的正时一样。2换向装置与起动、供油装置间应设有必要的联锁机构以保证柴油机的安全。3需要设置防止柴油机在运转过程中各凸轮“正时机件相对于曲轴上、下止点位置发生变化的锁紧 装置。4换向过程所需时间应符合船规的规定。(3悄油凸轮图98双凸轮换向原理图二、双凸轮换向原理与换向装置1、换向原理双凸轮换向的特点是对需要换向的设备均设置正、倒车两套凸轮。正车时正车凸轮处于工作位置，倒车时轴向移动凸轮轴使倒车凸轮处于工作位置，使柴油机各缸的有关正时和发火次序符合倒车 运转的需要。二冲程直流扫气柴油机的双凸轮换向原理如图98所示。图中实线为正车凸轮，虚线为倒车凸轮，正倒车凸轮对称于曲 柄上、下止点位置时的纵轴线ob。当柴油机正转时，凸轮轴顺时针转动。凸轮升起点a即为供油始点，图示曲柄位置正处于上止点， 如此供油提前角为11 ,如果从这一位置正转，气缸内处于燃烧和膨胀过程的初始阶段。当曲轴按正车方向继续转动上止点后 104，即下死点前 76时，正车排气凸轮也转过104曲轴转角，经传动机件排气阀被凸轮顶起，排气过程开始，接着进展换气过程。如果柴油机换向后从同一位置倒转，如此倒车凸轮也将保证 气缸内依同样次序进展上述各过程。图99双凸轮换向装置图中未示出空气分配器的凸轮，其正倒车凸轮的布置原如此 与喷油泵等凸轮一样。正车运转时，正车凸轮使活塞正处于膨胀 行程的某缸的起动阀开启。换向后，倒车凸轮使活塞处于正车压 缩行程的某缸的起动阀开启，压缩空气进入此气缸迫使活塞下行， 曲轴因而倒转。在多缸发动机中，当各缸由按正车正时转变为按 倒车正时倒转时，发火次序也由正车发火次序变为倒车发火次序。 例如，二冲程六缸柴油机的正车发火次序为1 6 243 5,如此倒车发火次序为 1 5 3 4 2 6。2、换向装置双凸轮换向装置，根据其轴向移动凸轮轴所用能量与方法有不同的结构形式。一般有机械式、液压式和气压式。图9 9所示气力一一液压式换向装置。这也是目前船用主机MAN型柴油机所采用的换向装置。图中所示为倒车位置。进展由倒车换向为正车的操作时，利用换向杆使压缩空气进入正车油瓶，并将油顶入活塞右方的油缸内，使 活塞带动凸轮轴向左移动。与此同时，油缸左端的油被活塞压入倒车油瓶，倒车油瓶中的压缩空气如此泄入 大气中。当活塞移至左面极端位置时，各正车凸轮正好处于各从动件下面，换向过程至此完毕。三、单凸轮换向原理与装置单凸轮换向的特点是每个需要进展换向操作的设备如喷油泵、排气阀、空气分配器等都各自由一个轮廓对称的凸轮来控制，正倒车兼用。换向时凸轮轴并不轴向移动，只需使凸轮轴相对曲轴转过一个角度。 柴油机换向时为改变正时使凸轮轴相对曲轴转过一个角度。柴油机换向时为改变正时使凸轮轴相对曲轴转过一个角度的动作称为凸轮的换向差向，所转的角度为换向差动角。差动方向如果与换向后的新转向一样，称 为超前差动；差动方向如果与换向后的新转向相反，如此称为滞后差动。单凸轮换向装置所使用的凸轮线型有两种：一般线型和鸡心型线型。前者适用于各种柴油机的凸轮，后者仅适用于直流阀式换气的喷油泵凸轮。1、一般线型的单凸轮换向原理图9-10单凸轮换向原理单凸轮换向原理如图 910所示。图中所示为一个二冲程柴油机 的喷油泵凸轮，凸轮轮廓在作用角2$的中心线两边互相对称。凸轮转至图示位置时，对应气缸的曲柄正处于上止点，这时正车凸轮的对称线 落后于曲柄一个角度 as = $ -凸轮轴的这种布置保证了喷油泵有一个适当的喷油提前角在终点调节式喷油泵中即为B角。由正车换为倒车时，为了保证有同样的喷油提前角，必须使倒车凸轮的对称线也落 后于曲柄一个角度 as,如图中虚线所示位置。因此，在曲轴不动的前 提下，必须使凸轮从原来的位置沿正车方向转一个角度2 as =2$ -2 3或者，在凸轮轴不动的前提下，也可使曲轴沿倒车方向转这一个差动角 2 as。喷油泵凸轮换向对于换向后的新转向来说是滞后差动。二冲程直流阀式柴油机的排气阀凸轮换向却是超前差动，并且与喷油泵凸轮差动角示不同。因此，两者无法同轴差同,只能分别装在两根凸轮轴上实现双轴单凸轮差动换向，致使柴油机结构复杂。2、单轴鸡心凸轮换向原理为了解决喷油泵凸轮和排气阀凸轮差动方向一样，差动角一样的矛盾，采用一种鸡心凸轮代替一般的喷 油泵凸轮，这就可以使喷油泵凸轮和排气阀凸轮装在一个凸轮轴上实现差动换向。单轴鸡心凸轮差动换向必须满足如下三个条件：ini恥社凸轮挿气阀凸辂图9 11鸡心凸轮的差动原理1）两组凸轮的差动方向一样2）两组凸轮的差动角相等3）差动后同名各凸轮的正倒车正时根本一样鸡心凸轮如图911 a所示，排气阀凸轮 如b图所示。图中实线为正车位置，点划线为 倒车位置。鸡心凸轮外廓呈鸡心状，00 /为对称线。凸轮基圆 01 02处的半径最小，从 01、02 点向两侧伸展外廓按一样规律变化，至ax a2点处半径最大并与顶圆衔接。正车顺时针运 行时，a101为喷油泵的吸油段，02a2为喷油泵的泵油段，供油提前角为3。倒车逆时针运行时，其吸油段与泵油段与上述相反。在图（a ）所示情况下，鸡心凸轮对称线 00,相对于该缸曲柄上止点的供油提前角为15。当由正车改为倒车时，只要把鸡心凸轮朝倒车方向转过差动角30 ,到达点划线的位置即可。差动方向对新转向倒车、逆时针而言为超前差动。这样，喷油泵凸轮的差动方向与排气阀凸轮的差动方向相一致满足了上述第一个同轴条件。按照排气 阀凸轮的正时关系其换向差动角应为18X 2=36，但由于上述第二个同轴条件的限制差动角只能取30。由此，倒车时排气阀的正时稍有变化：排气提前角由正车的下止点前91变为85;排气滞后角由正车的下止点后55增大至61,即正时滞后6。由此，解决了差动方向和差动角度的矛盾，同时根本上满足了 上述第三个条件。实现了喷油泵凸轮和排气阀凸轮装于同轴的单轴换向差动。3、单凸轮换向装置1差动方法1）曲轴不动，通过换向装置使凸轮相对于曲轴转过一个差动角。一般为滞后差动。2）凸轮轴不动，先进展空气分配器换向操作，在进展进展反向起动使曲轴反向回转之初，使曲轴相对 于凸轮轴转过一个差动角后才带动凸轮轴一起转动。这种方法为滞后差动。3）先进展空气分配器换向操作。在反向起动之初，通过差动机构使凸轮轴与曲轴二者之间有一定的转 速差，待完成差动角后，再进入同步转动。一般为超前差动。2换向装置种类按使用工质和能量不同，换向装置可以分为以下几种。1）液压差动换向装置该装置采用液压差动换向伺服器并使用滑油系统中的中压滑油作为工质实现差动换向动作。在凸轮轴上固定有一转板，转板装在液压伺服器中，伺服器外壳通过链轮由曲轴驱动。转板把伺服器分隔或两个空 间正车、倒车空间。此两空间分别用滑油管与换向阀的有关油管相通。当正车时，转板顶住在伺服器内 两个对称布置的扇形止动块上，正车空间充满中压滑油，倒车空间释放油压。使转板压紧在伺服器扇形凸块 上。此时曲轴通过链条、链轮和转板带动凸轮轴转动，柴油机按正车转向运行。换向时，曲轴不动，操作换 向阀改变正倒车空间滑油的进、排方向，使转板在滑油压力作用下相对曲轴转过一个差动角。如倒车空间进 油、正车空间泄油至油底壳，转板在滑油压力作用下相对曲轴转过一个差动角，并带动凸轮轴从正车位置转 至倒车位置，完成换向动作。这种装置使用在Sulzer RD、RND RND M型柴油机上，为滞后差动。Sulzer RTA型柴油采用一种新型的液压差动装置。该柴油机每段凸轮轴都装配有一个换向伺服器，其凸图9 12 MAN B&W 新型换向装置轮固定在换向伺服器的外缘，每个伺服器上装有两个燃油凸 轮。凸轮轴与伺服器不是刚性连接，而通过转轴上的二个转翼带动换向伺服器按规定方向转动。换向时凸轮轴和曲轴都不动，而是在控制滑油进、排伺服器油缸的变化使伺服器相 对曲轴差动以完成换向动作。2）气动机械差动换向装置近年来，MANB&W公司采用一种简易、新颖的气动机械 换向装置。换向时曲轴与凸轮轴均无差动动作，通过改变每缸喷油泵传动机构中的滚轮在凸轮轴上的角度位置完成换 向动作。如图9-12所示。图示位置为正车位置，换向时利用压缩空气拉动滚轮连 杆的顶头，使滚轮连杆的倾斜方向发生改变，即改变滚轮与凸轮的相对位置完成换向动作。第三节柴油机的操纵系统为了满足船舶在各种复杂航行工况的需要，船舶主机必须设置起动、换向、调速装置以与便于轮机人员 控制主机的操纵系统。操纵系统就是能将上述各装置联结成一个统一整体并可集中控制柴油机的机构。在船 舶柴油机中操纵系统是最复杂的一局部，零部件多，设备错综复杂。尤其遥控与自动化技术在操纵机构上的 应用，电子计算机技术和微处理机已用于主机遥控、巡回检测、工况监测和故障报警等方面，更增加了操纵 系统的复杂程度。对各种类型船用柴油机的操纵系统，有如下根本要求：1必须能迅速而准确地执行起动、换向、变速、停车和超速保护等动作并应满足船舶规X上的相应要求。2要有必要的联锁装置，以防止操作失误或事故。3）必须设有必要的监视仪表和安全保护、报警位置。4）操纵机构中的零部件必须灵活、可靠、不易损坏。5）操作、调整方便，维护简单。6）便于实现遥控和自动控制。二、操纵系统的类型按操纵方式操纵系统可分为：1）机旁手动操纵 操纵台设在机旁，使用相应的控制机构操纵柴油机满足各种工况下的需要。2） 机舱集中控制室控制在机舱的适当部位设置专用的控制室，以实现对柴油机的控制与监视。3）驾驶室控制 在船舶驾驶台的控制台由驾驶员直接控制柴油机。机旁手动操纵是操纵系统的根底。机舱集中控制与驾驶室控制统称遥控，即指远距离操纵主机。遥控系 统是用逻辑回路和自动化装置代替原有的各种手动操作程序。近代电子计算机技术在船上有效地应用，使柴 油机的操纵系统提高到一个新的技术水平。机舱集控室设有操纵部位转换开关，根据航行条件的需要将柴油 机的操纵转换至集控室、驾驶台和机旁。驾驶台、集控室和机旁设有应急停车按钮或手柄，以便在紧急情况 下根据需要立即停车。尽管主机遥控技术水平已经很高，将来会不断地开展，仍然必须保存机旁手动操纵系 统，保证对主机可靠、有效地控制。按遥控系统使用的能源和工质操纵系统可分为：1） 电动式遥控系统以电力作为能源，通过电动遥控装置和电动驱动机构进展控制。这种系统控制性 能好，控制准确，适于远控，设备简单，易于实现较高程度的自动化，但对管理水平要求高。2） 气动式遥控系统以压缩空气作为能源，通过气动遥控装置和气动驱动机构进展控制。压缩空气可用起动主机的压缩空气，经过减压、净化处理。信号传递距离较远，一般在100m以内可满足系统的控制要求。信号传递、受温度、振动与电气的干扰少。动作可靠、维护方便。但对气源的净化处理 要求高，否如此易使气动无件失灵。3） 液力式遥控系统该系统的优点是结构结实，工作可靠，传递力较大。但易受惯性和液压油粘性的影响而降低传动的灵敏性和准确性。因此这种系统只限于机舱X围内控制，一般不适于远距传递。4） 混合式遥控系统如电一气混合式和电一液混合式遥控系统等。从驾驶台到机舱采用电传动，机舱 系统采用气动或液动。混合式遥控系统具有上述各种系统的优点，目前在舰艇上应用较广泛。5） 微型计算机控制系统在常规的遥控系统中，程序控制等功能是通过各种典型环节的控制回路未完 成的。采用微型计算机遥控是通过软件设计，给出一个计算机执行程序以取代常规遥控系统的控制 回路，用软件取代硬件程序。微型计算机在执行时将根据从接口输入的指令和表征柴油机实际运行 状态的各种信息进展综合判断和运算，得出需要的控制信息并经输出接口去控制操纵系统的执和元 件，实现对柴油机的操纵。这种控制系统体积小，功能强，可实现最优状态最经济性控制，是当代 向综合性自动化方向开展的主要目标和方向。通常，在远距离遥控系统中多采用电传功，近距离多采用液力或气力传动。目前，我国远洋船队多采用 全气动式、电一气混合式两种型式。主机遥控系统的功能除了根据车钟指令通过各种逻辑回路和自动装置等完成主机起动、换向、调速和停 车等的程序操作外，还必须具有重复起动、慢转起动、负荷程序、应急停车、自动避开临界转速、故障自动 减速或停车、紧急倒车等辅助功能；但柴油机的备车系统状态检查等均由轮机员人员在机舱内操作，当备车程序完成后再转换至驾驶室遥控。驾驶室值班驾驶员必须对遥控系统进展效用试验后，方可对船舶进展操纵。三、几种典型的操纵系统船用柴油机的操纵系统形式繁多，随机型而异各具特点。下面介绍几种典型柴油机操纵机构的组成和特点。1、MAN E& W MC- C型柴油机的操纵系统1系统概述MANB& WMC-C型柴油机的操纵系统是一种电一气联合操纵系统，如图913所示。它具有以下几种控制方式：1集控室或驾驶台遥控；2机旁应急控制。为了保证控制部位的转换，在机旁应急操纵台上设有遥控/机旁转换阀和应急操纵手轮，用于遥控和机舱应急操纵台的控制部位转换。在图913左侧下部为控制空气供给管路。系统控制空气的气源为0.7Mpa的压缩空气。一路送入排气阀作为空气弹簧气源，包括排气阀空气弹簧供气管路与止回阀137;另一路经控制空气总阀后把控制空气送至下述控制部位：第一路经遥控 /机旁转换阀送至起动、停车与正、倒车控制阀。第二路送到主起动阀控制 阀。第三路送至盘车机联锁阀。第四路通至VIT系统控制阀和高压燃油泄漏保护阀。左侧上部为燃油控制和安全系统，主要包括燃油泵、VIT控制机构、高压燃油泄漏保护阀和应急停车阀。在停车系统或安全系统工作时，压缩空气被送到喷油泵顶部的空气剌破阀，使喷油泵内的燃油“泄压，燃 油流回到燃油系统。中间局部为空气分配器和燃油凸轮换向控制局部，包括空气分配器换向机构，燃油凸轮换向机构。右侧上部为起动空气系统，包括主起动阀、慢转阀与控制阀、 电磁阀、空气分配器与控制阀气缸起动阀。该系统设有电子调速器，它由电子调速器本体、电源、执行器、转速传感器和扫气压力传感器组成，执 行器、转速传感器和扫气压力传感器装在机旁。2遥控在遥控期间，控制空气经 /遥控/机旁转换阀下部导通送入遥控系统。由起动、停车、正车和倒车四 个电磁阀控制。1停车：在停车状态时。控制空气通过停车电磁阀EV682,使气动控制阀6左位导通，等候在此的空气被送到喷油泵顶部的空气剌破阀，切断燃油。2正车起动：当驾驶台发出正车起动命令时，正车电磁阀EV683左位导通。控制空气通过阀 8使空气分配器和燃油泵的换向机构换到正车位置。在给出起动信号后，使起动阀EV684左位导通，使气动阀 3左位导通。如果此时盘车机脱开，盘车机联锁阀2释放，如此起动空气到达起动控制阀1和空气分配器控制阀4，使它们导通。于是主起动阀如果配设包括慢转阀打开，将起动空气一路送至气缸起动阀下部等候， 另一路经阀4送至空气分配器。空器分配器投入工作，在凸轮的控制下，按发火顺序依次打开各缸起动阀。3换向与倒车起动：当驾驶台发出换向与倒车起动命令时，倒车电磁阀EV685左位导通。控制空气通过阀7使空气分配器和燃油泵的换向机构换到倒车位置。其它过程与“正车起动一样。4紧急停车：在紧急情况通过紧急停车电磁阀，可将压缩空气迅速通入各高压油泵的空气剌破阀而 使各缸迅速停油。当主机的转速降低到“换向程度取决于主机的规格和船型，大致在2040%标定转速后，可给出反向起动指令。反向起动指令给出后，起动空气进入气缸使主机强制制动至停车。然后在起动空 气作用下按指令转向运转到足够高的转速，再给出供油运转的指令。为防止可能发生的严重的船体振动，在LV / 692w a益SUPPLYa -F: Wi*-k- ?G*-lHrso7XX A -g2 MlDTPftc-QG-I n-厂 Fp、-上r. .ffip丄3 MAN B知 UC-C履族落s滿彗洞劳舸谢ffiEHSK SIRMOLE;:i!vlyI.;La 一4*a*e百WOEAti-PJOMQ-a.h%5巴富.-2 二鳥=气 E -上AA-舟1二E牺 lMTflnMCrslE p 3Ar ?ETlrpdbt Y.IALOL 二NtrlclrE :r51|lE F$l- 1二一 2进展强制换向起动的最初几分钟应使主机的转速维持在较低程度。如果在试图进展应急制动时船速太高，给出起动空气的时间不要持续太长，要再给出停车信号，待转速 进一步降低后再给出起动信号。3机舱应急控制在通常气动操纵系统中、调速器与电子设备发生故障的情况下，可以在机旁应急控制台操纵主机。它主要由起动、停车按钮，正倒车控制阀和应急手轮组成。工作过程根本同前。2、SULZER R flex共轨式柴油机操纵系统RT flex共轨系统柴油机是由 W? rtsil ?瑞士公司于2000年研制开发的智能柴油机，将电子设备与其软件应用于船舶柴油机并成为船舶柴油机的根本组成局部。RT flex柴油机在SULZER RTA机型的根底上做出了重大改良，取消了凸轮轴传动齿轮、凸轮轴、燃油喷射泵、气阀控制机构与换向伺服器等。RT-flex机型不用换向机构，按照预先设定的程序控制由硬件模块和软件系统所构成的操纵系统，实现各种操作满足船 舶航行条件和航行工况的需要。操作者根据不同要求选择机器运转的模式，如正倒车起动、变速、调速、停 车等模式。定速航行时的各种负荷下的模式如经济模式、低负荷运转模式与柴油机排放等模式，保证了在运 行中一直处于最优化的状态。RT-flex柴油机操纵系统电子控制设备主要包括 WECS950控制系统、容积燃油喷射控制装置、驱动排 气阀的伺服器和气缸起动阀控制器。WECS950控制系统由三局部组成：凸轮轴替代局部、控制局部和安全系统，凸轮轴替代局部主要是用来代替凸轮轴，实现柴油机正倒车燃油喷射、排气阀和气缸起动阀的控制；控 制局部根据柴油机的负荷和转速控制燃油和伺服器压力；安全系统主要是对柴油机与其共轨系统的功能、传 感器与各参数值进展监测、报警与诊断。图9-14 RT- flex柴油机上的电子控制设备事实上，“智能发动机不仅是指发动机能够自动地监测自己的运行状况，并在各种工况下自动调节参 数以达到优化工作性能的目的。更主要的是指智能型发动机管理系统。它不仅有发动机的自动优化功能，而 且包括了诸如：维修计划、备件管理等维护管理工作，从而形成了一个完备的智能管理系统。智能发动机管 理系统需要具有诸如发动机参数监测、数据分析以与维护管理和备件购置等功能。很多功能需要专业和复杂 的知识，其中很多是由柴油机的设计人员直接掌握的。这种管理系统是通过在发动机和遥控系统之间参加一 个明晰的、全电子化的操作界面来实现的。这个全电子化的界面，瓦锡兰瑞士公司推出的 DENIDesel Engineco Ntrol and opt I mizing Specification丨禾口 MAPE MOnitoring and mAintenance Performanee Enhancementwith e Xpert knowledge。DENIS的使用带来了许多优点： 这些系统得到发动机设计者的认可； 遥控系统的适用性更强； 整合的优化功能； 故障检修更简单； 各单元的分工更明确； 使得对所有的船舶自动化设备只有一个供给商成为可能； 发动机控制具有更大的灵活性。而MAPEX勺那些基于计算机操作的工具能够改善柴油机的运行经济性。包括如下内容：-通过减少停车检修时间，改良柴油机的工作性能；-监测柴油机的关键数据，并对这些数据进展智能化分析；-对维护保养工作提前计划；-对备件和维护保养工作实行管理支持；1111Bridge (WH)ECRcS7I Iffi 9-14 RT-fl 柴油机上的电子控制设备WECS 9500Eng i ne Ctr I .SystemDEN IS-9RCS & AI armMAPEXDiagnosisCBR SW onMAPEX PC-利用专家知识实现在船评估；-通过软盘和卫星通迅全面支持数据储存和传输；-降低本钱和提高效率。第一艘以6RT flex58T B,功率为12700KW 105r/min为主机的船舶，已于 2001年7月建造完成交船投入营运，随着电子技术的开展和普与，智能型柴油发动机技术会迅速开展，因此轮机管理人员的知识