启动换向解析课件

1、第七章 起动、换向和操纵系统 为了能满足船舶在各种航行条件下的不同要求，船舶主柴油机必须具有起动、换向和调速装置。以及使上述各种装置联合动作的操纵机构。另外，这些装置的工作性能还必须满足有关规范的相应要求。 第一节 起动装置 一、概述1、定义- 柴油机本身没有自行起动能力。欲使静止的柴油机转动起来必须借助于外力，以便使柴油机获得第一个工作循环的条件，即在外力作用下进行进气、压缩、喷油，直至燃油燃烧膨胀作功而自行运转。这一过程称柴油机起动。在起动过程中还必须使柴油机达到一定转速，才能保证在压缩终点缸内达到燃油自燃发火的温度。柴油机起动所要求的最低转速称起动转速。2、影响起动转速的因素和起动转速的

2、范围 起动转速的高低与柴油机的类型、环境条件、柴油机技术状态、燃油品质等有关。它也是鉴别柴油机起动性能的重要标志。起动转速的一般范围是：高速柴油机80150rmin；中速柴油机6070rmin； 低速柴油机2530rmin。低速机起动性能要优于高速机（因为低速机气缸壁厚散热少）3、起动方式根据所采用的外来能源形式，柴油机的起动方式可分为： （1）曲轴上加外力矩-如人力手摇起动、电动机起动及气力或液压马达起动等，适用于小型柴油机 ，包括救生艇机； （2）活塞上加外力-如压缩空气起动，适用于船用主机和发电柴油机。 4、影响柴油机起动性能的因素1）柴油机的构造特点2）柴油机的工作条件3）起动装置的性

3、能特点5、对柴油机起动装置的要求1）保证柴油机能迅速可靠地起动；2）保证柴油机达到足够的起动转速且起动消耗的能量尽可能少；3）易于实现机舱自动化和遥控；4）对于船舶主机，应能在曲轴处于任何位置和机舱温度低于58时不需暖机就能迅速和可靠地起动。二、压缩空气起动装置的组成和工作原理1、工作特点 压缩空气起动就是将具有一定压力（2.53.0MPa）的压缩空气，按柴油机的发火顺序在膨胀行程时引入气缸，推动活塞使柴油机达到起动转速，完成自行发火。压缩空气起动的起动能量大，起动迅速可靠，在紧急情况下可用压缩空气进行刹车，但该装置构造复杂，重量较重，故不适用于小型柴油机。2、组成压缩空气起动装置主要包括：空

4、气压缩机、起动空气瓶、主起动阀、空气分配器、气缸起动阀以及起动控制阀等。其组成系统图如图7-1所示。 3、工作原理起动前，空压机（图中未示出）向空气瓶7充气至规定压力2.53.0MPa。备车时开启出气阀6及截止阀5，空气瓶中的压缩空气沿管路通至主起动阀3及起动控制阀4处等候。当起动时，拉动手柄至起动位置，起动控制阀4开启，控制空气进入主起动阀3的活塞上方，推动活塞下行，主起动阀3开启。于是起动空气分成两路：一路为起动用压缩空气，经总管引至各缸气缸起动阀1的下方空间；另一路为控制用控制空气被引至空气分配器2，然后按柴油机的发火顺序依次到达相应的气缸起动阀的上部空间使之开启，原等候在下方空间的起动

5、空气进入气缸，推动活塞下行使曲轴转动并使之达到起动转速，而且在供油之后达到自行发火转动。起动后应立即通过操纵手柄关闭控制阀4切断控制空气，主起动阀随即关闭，气缸起动阀上部空间的控制空气经空气分配器泄放，气缸起动阀关闭，起动过程结束。然后可逐渐调节供油量使柴油机在指定转速下运转。当无须再次起动柴油机时可将截止阀5和出气阀6先后关闭。4、为了保证柴油机压缩空气起动迅速可靠，必须具备以下三个条件： （1）压缩空气必须具有一定的压力和储量。按我国有关规定供主机起动用空气瓶（至少有两个）的压力应保持在2.53MPa，其储量应保证在不补充空气的情况下，对可换向主机能从冷机正倒车交替起动不少于12次；对不可

6、换向主机能从冷机连续起动6次。 （2）压缩空气供气要适时并有一定的供气延续时间。适当的供气正时应以既有利于起动又可节省空气耗量为原则。通常，大型低速二冲程柴油机的供气始点约在上止点前5曲轴转角，供气终点约在上止点后100曲轴转角，供气持续角一般不超过120曲轴转角。中高速四冲程柴油机供气始点约在上止点前510曲轴转角，供气持续角同受排气阀限制一般不超过140曲轴转角。（低速机比高速机供气晚）（3）必须保证有最少气缸数。为保证曲轴在任何位置都能起动，要求在任何位置至少有一个气缸处于起动位置。为此，起动所要求的最少缸数对二冲程机必须大于360/120，一般不应少于四个；而对四冲程机必须大于7001

7、40【720/140】一般不少于六个。若缸数少于上述限值。则起动前应盘车至起动位置。三、压缩空气起动装置的主要设备1气缸起动阀1）对气缸起动阀的要求气缸起动阀是起动装置中最主要的部件之一。通常，每缸一个均装在气缸盖上，其下方与起动空气总管连接，上方与空气分配器连接。其动作由空气分配器按发火顺序使起动空气进入气缸，完成起动动作。气缸起动阀不仅应有足够的通道面积，开关迅速但落座速度缓慢以减轻阀盘与阀座间的撞击。而且要能兼顾起动和制动两方面不同的要求。在起动方面，要求气缸起动阀当缸内发火后，即使有控制空气作用在其上方空间，它也应保持关闭状态，防止燃气倒流入起动空气管；在制动方面，要求在制动过程中，即

8、使缸内压力稍高于起动空气压力时，气缸起动阀仍然保持开启以完成能耗制动和强制制动。 2）能耗制动和强制制动柴油机的制动过程由能耗制动和强制制动两个阶段组成。要使高速回转的柴油机迅速停车，首先通过换向机构进行换向操作，换向后空气分配器按换向后的定时把气缸起动阀打开（即起动系统准备在换向后开始起动），而曲轴仍按原方向转动。气缸起动阀开启时活塞正处于压缩行程，这时主机起着一个压缩机的作用。被压缩的空气从开启的气缸起动阀排出从而减少了行程末了留在燃烧室空间的空气数量和压力，减少了空气在膨胀行程的作功能力，使柴油机转速迅速下降，这就是所谓能耗制动；在柴油机转速降低后，在压缩 行程将空气送入气缸，利用压缩空

9、气的高压阻止活塞运动，即所谓强制制动。3）起动阀的分类A、单向阀式-为一个简单的单向阀，其起动空气就是控制空气，由空气分配器直接控制。适用于中、小型柴油机；B、气压控制式-开阀的控制空气由空气分配器来，进入气缸的起动空气直接由空气总管来。因而空气分配器尺寸小，空气损失少，起动迅速，适用于大型柴油机。根据控制气路的不同，气压控制式又可分为单气路控制与双气路控制式两种a单气路控制式气缸起动阀的结构与工作原理简图如图7-2a）所示，图中b）示出柱塞式空气分配器工作简图。 起动阀由阀盘1、导杆3和面积较大的启阀活塞4组成。启动空气进入进气腔2，由于阀盘1与导杆2（即平衡活塞）的直径基本相等，对气缸起动

10、阀的开启不起作用，所以阀盘1在启阀活塞下部的弹簧作用下保持关闭状态。当控制空气（图中虚线示）由空气分配器送入启阀活塞4上方空间时，启阀活塞下行带动阀盘1下行开阀，原等候在空间2的起动空气进入气缸推动活塞进行起动，当启阀活塞上方控制空气经空气分配器泄放至大气时，启阀活塞在弹簧作用下上行关闭。该缸起动动作结束。单气路控制式气缸起动阀优点-启阀活塞（单级）面积大，使其开关迅速可靠，起动空气消耗少，结构简单，因而为多种柴油机采用，如MAN-B&W MC型柴油机。缺点-它在性能上不能兼顾起动与制动两方面的要求，在缸内压力超过起动空气压力时仍有可能开启（因启阀活塞大）而产生燃气倒冲事故。此外，在阀盘落座时

11、速度快，撞击厉害，致使阀盘与阀座磨损快。气缸起动阀中的控制空气在起动阀打开后仍然保留在起动阀的控制空气腔内，而在起动阀关闭时则排入大气。（对双气路也是这样）b双气路控制式气缸起动阀结构如右图所示。 1-弹簧 2-阶梯活塞 3-阀杆 4-阀座 5-起动阀 K1K2K3-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 其起动阀由阀盘5、阀杆3以及阶梯型启阀活塞2组成。起动空气由AL进入起动阀下部空间，起动阀保持关闭（平衡式）。管H与管J均与专用的空气分配器连接，当T空间经开启管H充入控制空气而N空间经关闭管J泄放空气时，阶梯活塞2

12、下行开阀。阶梯活塞由直径不等的K1、K2、K3三级活塞组成，当控制活塞K1下行开启控制器S时，控制空气由T空间进入大直径的控制活塞K2的上部P空间，使起动阀加速打开。当控制活塞K3下行关闭管J的气口时在下部空间N形成气垫，使开阀速度减慢避免控制活塞撞击缸底。当空气分配器经管H释放K1、K2上部的控制空气并向关闭管J充入控制空气时，控制空气首先进入活塞K2的下部空间M，使起动阀上行关阀，随后控制空气作用在直径较小的控制活塞K3下方使关阀速度减慢，当活塞K1上行到关闭控制器S时，空间P变成密闭空间并形成气垫，使关闭后期（落座）速度大大减慢，避免了关闭时的强烈撞击。待阀落座后通过槽B使空间P与空间M

13、的压力自动平衡。 此种结构形式能较好的满足从起动方面提出的要求：速开、速关，但落座速度缓慢，而且由于控制活塞K1直径较小使初始开阀力较小，当缸内压力较高时阀保持关闭。另外，当它处于全开状态时，开阀控制空气作用在阶梯活塞的全部工作面积上，向下的开阀作用力增大，因此在紧急制动时即使缸内气体压力稍高于起动空气压力，该阀仍然可保持开启状态。从而也满足了从制动方面提出的要求。但此种结构形式构造复杂，造价较高。Sulzer柴油机使用此种形式气缸起动阀。双气路控制式气缸起动阀的特点1）采用多级活塞2）在性能上能兼顾起动和制动两方面要求3）能避免燃气倒冲，引起空气管爆炸4）速开、速关，但落座速度缓慢，阀盘、阀

14、座撞击轻，磨损少5）结构复杂，造价高2空气分配器1）作用和特点空气分配器由凸轮轴驱动。它的作用是按照柴油机的发火顺序，在要求的起动正时时刻内将控制空气分配到相应的气缸起动阀使之开启，让压缩空气进入气缸，起动柴油机。当柴油机起动完毕进入正常运转状态，要求分配器滑阀能与驱动凸轮自动脱离接触，以减少不必要的磨损。2）分类 按结构形式不同，空气分配器可分为回转式（分配盘式）和柱塞式两种。回转式如图7-1所示，它是利用凸轮轴驱动的一个带孔的分配盘与分配器壳体上的孔（与气缸数相同，按发火顺序排列）相配合，控制各缸气缸起动阀的启闭。一般多用于中、高速柴油机。柱塞式通过起动凸轮与柱塞（滑阀）来控制起动阀的启闭

15、，一般多用于大、中型柴油机。3）柱塞式空气分配器柱塞式空气分配器按其结构不同又可分为单体式与组合式两种。单体式如右图所示，分配器按各缸分开布置，分别由相应的起动凸轮控制，起动阀启闭时刻与次序均由各起动凸轮的型线和在凸轮轴上的安装位置决定。组合式空气分配器圆列式集中由一个起动凸轮控制，直列式由一套起动凸轮控制，凸轮的安装位置和型线决定了各起动阀的启闭时刻，分配器与起动阀的连接管系布置决定了各起动阀的开启次序。为与气缸起动阀相配，柱塞式空气分配器又有单气路控制式与双气路控制式两种。单气路空气分配器如右图所示，控制空气由阀体5上部进气孔进入空气分配器并把分配器滑阀6压向下凹状凸轮7。在图示位置，滑轮

16、处于最低位置，控制空气得以通过阀体上的中间出气口进入气缸起动阀启阀活塞的上部，压开起动阀。当起动凸轮转过一个角度后，滑阀6被抬起，使进气孔与出气口隔断而使出气口与下部的泄气孔相通，启阀活塞上部的控制空气经空气分配器泄入大气，气缸起动阀在弹簧作用下上行关闭。当进入空气分配器上部的控制空气泄放后，滑阀6由自身弹簧（图中未示出）吊起而脱离凸轮7的控制，避免在柴油机运转中滑阀磨损。 双气路控制式空气分配器如右图所示。分配器各滑阀3按气缸发火顺序绕凸轮轴1中心线径向布置，各滑阀由同一个起动凸轮6控制。通常，该种分配器与图7-3所示双气路气缸起动阀配合使用。在图示位置，空气分配器没有得到控制空气，控制滑阀

17、3在弹簧3a的作用下脱离凸轮6（存在1mm间隙），此时开阀管H经放气腔VS通大气，各缸气缸起动阀处于关闭状态。 图7-4 双气路控制式空气分配器1-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；RS-空腔；P-压力空腔当进行起动操作时，起动控制阀输出的控制空气中的一路经分配器CA进入空腔RS及压力空腔P，把各控制滑阀3和滚轮5压向起动凸轮6，从而使各滑阀处于凸轮控制状态。当控制空气中的另一路开启主起动阀后，由主起动阀输出的起动空气中的一路经分配器供气管SA进入分配腔DS，如该缸处于可起动位置，则该缸

18、控制滑阀将压向凸轮6基圆（右移），此时空腔DS与开阀管H相通，控制空气由H管送至该缸气缸起动阀启阀上方空间，其下方空间经关阀管J由放气腔VS通大气，从而使气缸起动阀下行开阀，进行起动。随着凸轮轴1的转动，凸轮6的凸起部分将滑阀推向外端，使开阀管H经放气腔VS通大气，由此起动阀启阀活塞上方通大气而关闭管J与空腔DS相通，控制空气经管J送至气缸起动阀启阀活塞的下部，气缸起动阀上行关阀。而起动凸轮6的基圆又转至另一滑阀下端，依次开启另一缸气缸起动阀。起动完毕，起动控制阀复位，空间P和RS的控制空气经CA泄放，各滑阀3在弹簧3a作用下，拉回原位，脱离凸轮控制。空气分配器停止工作。3主起动阀1）定义和特

19、点主起动阀是一种能迅速启闭的截止阀，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；在起动操纵时来自空气瓶的压缩空气经主起动阀迅速进入起动空气总管，并经总管分至各缸气缸起动阀和空气分配器，使起动迅速可靠并可减少压缩空气的节流损失；当起动完毕后，它能迅速切断进入起动总管的压缩空气，并使总管中的残余空气经主起动阀放入大气。因此，在大、中型柴油机压缩空气起动装置中多设有主起动阀。2）分类A、均衡式其开启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；B、非均衡式依靠泄放控制缸内的空气来开启。适用于大型低速机。 3）非均衡式带慢转阀自动主起动阀右图是Sulzer柴油机使用的一

20、种带慢转阀的新型非均衡式主起动阀结构图。图中右侧6为主起动阀体，阀壳上部的止回阀9可用来防止燃气倒流，阀壳左下侧设有控制阀1由起动控制阀控制。阀左侧是慢转阀17其启闭用控制活塞16控制。在起动前通过慢转阀可使柴油机在主起动阀体6不动作的情况以510r/min的速度慢转进行检查。柴油机起动前将主起动阀手轮置于“自动”位置，如图中芯轴5位置所示。开启空气瓶出口阀，起动空气进入阀体6空间P并经孔EB进入空腔P1，继而通过芯轴5与轴套4之间的间隙C进入空间P2。由于作用在阀体6底面上的力与弹簧3的弹力之和大于起动空气作用在阀6上顶面的开阀力，使阀体6向上保持关闭。同理，由空腔P经孔E进入慢转活塞17上

21、方空腔P4的起动空气向下作用力与弹簧14弹力的合力之和也大于作用在慢转活塞17上的向上开阀力，使17向下落在阀座18上保持关闭。 当需要慢转操作时，按下“慢转”按钮，控制空气进入进口CA1推动控制活塞16上行顶开阀15使空腔P4的起动空气经放气孔V1放至大气，同时该控制空气正进入进口CA2推动慢转活塞17下部的启阀活塞上行使17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并打开单向阀10进入空腔P3通向气缸起动阀。进入进口CA2的控制空气还通过双止回阀19的出口SC通向空气分配器进口CA（图7-4），把空气分配器滑阀压向起动凸轮。因此，可使柴油机慢转起来。调整调节螺钉13的长度

22、可改变慢转活塞的开度，从而可调整慢转转速。慢转结束时，切断进口CA1和CA2的控制空气，控制活塞16和阀15复位，继而慢转活塞17下行关闭气路。 起动时按下“起动”按钮，控制空气经进口CA3使控制活塞1上行顶开阀2，空腔P1和P2中的起动空气经放气孔V2泄入大气，而经孔EB进入空腔P1的空气来不及补充，故使阀体6下行开启起动空气通路，起动空气顶开止回阀9进入起动空气总管，起动过程开始。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P1和P2内充满起动空气后主起动阀6自行关闭，随后止回阀9在弹簧作用下落座。 检查阀CV和放泄阀DV用于放掉管路中的残余空气和凝水，阀CV还可用来检

23、查主起阀的动作和气缸起动阀的密封性。每次完车或定速后应转动手轮至“手动关闭”位置，同时应开启阀CV和DV放掉管路中的残余起动空气，压力表M用来监视起动空气总管是否有压力。当该主起动阀“自动”失灵时，可改用手动操作，通过手轮调整至“手动开启”位置，即通过芯轴5头部凸缘将阀体6向下拉开。4）球阀式主起动阀应用于MAN BW L MC/MCE型柴油机它由一个大球阀4（主阀）和与其并联的小球阀3（慢转阀）组成。两个球阀均由气动控制阀1控制的推动装置启闭。在主起动阀出口管系中设止回阀5，防燃气倒灌。慢转时，按下操纵台上的慢转开关，通过电磁阀2使主阀4锁闭，慢转小球阀3打开进行慢转动作。正常起动时，由气动

24、推动装置将两个球阀都打开，进行起动。如柴油机停车超过30min再次起动时应先操作操纵台上的慢转开关，使主机慢转，慢转开关至少要使主机慢转一周后才会复位，使电磁阀2释放主阀4的锁闭，才允许正常起动。四、压缩空气起动系统的管理、常见故障与排除1、压缩空气起动系统的维护保养见P2512压缩空气启动装置常见故障及排除 1)柴油机不能起动 当起动手柄或手轮推至起动位置时，如果柴油机没有转动，其主要原因在起动系统。可能的原因有以下几方面： （1）盘车机未脱开。起动控制空气处于关闭状态。 （2）空气瓶出口阀或主截止阀未开足。 （3）起动空气压力不足。 （4）起动空气管系脏污，空气流量不足。 （5）起动系统中

25、的有关阀件，如主起动阀、起动控制阀、空气分配器、气缸起动阀等卡死、磨损、漏气。 2)起动时曲轴转动但达不到发火转速 可能的原因和解决办法如下： （1）起动空气压力太低，应予补充。 （2）柴油机暖缸不足，滑油粘度太大，应予暖缸。 （3）起动操纵动作过快，应重新起动。 （4）个别气缸起动阀或空气分配器咬死或动作不灵活。应检查、拆卸清洗。 3)某一段起动空气管发热 通常是该气缸起动阀漏泄所致。应检修漏气的起动阀。第二节 换向装置 一、换向原理和方法柴油机只有按照规定的进、排气和喷油正时及发火顺序工作，才能够以恒定的方向连续运转。要使柴油机换向，首先应停车，然后将柴油机反向起动起来，最后使柴油机按反转

26、方向运转起来。要满足反向起动和反向运转的要求，必须改变起动正时、喷油正时和配气正时，使之与正转时有相同的规律。由于上述正时均由有关凸轮控制，所以柴油机的换向问题就是如何改变空气分配器凸轮、喷油泵凸轮和进、排气凸轮与曲轴相对位置的问题。 二、双凸轮换向原理双凸轮换向特点是对需要换向的设备均设置供正、倒车使用的两套凸轮。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。这样便可使柴油机各缸的有关正时和发火次序符合正、倒车运转的需要。 双凸轮换向装置根据其轴向移动凸轮轴所用能量与方法而有不同的结构形式。一般有机械式、液压式和气压式。右图所示为气力液压式换向装置。这也是MAN型柴

27、油机所采用的换向装置。图示为倒车位置。进行由倒车到正车的换向操作时，利用换向杆使换向阀开启，压缩空气进入正车油瓶，倒车油瓶中的气体经换向阀泄入大气，在压缩空气的作用下，滑油被压入油缸活塞的左侧，推动活塞带动凸轮轴向右移动，与此同时油缸活塞右侧的油被活塞压入倒车油瓶。当活塞移至右侧极限位置时，各正车凸轮正好处于相应的从动件下面，换向过程结束。三、单凸轮换向原理 单凸轮换向特点是每个需要进行换向的设备（如喷油泵、空气分配器、排气阀等）均由各自轮廓对称的凸轮控制，正、倒车使用同一凸轮。换向时无需轴向移动凸轮轴，只需将凸轮轴相对曲轴转过一个角度即可。 第三节 柴油机的操纵系统 柴油机的操纵系统就是将起

28、动、换向、调速等各装置联结成一个整体并可以集中控制柴油机的机构。轮机人员在操纵台前，通过控制系统就可以集中控制机器，满足船舶操纵的各种要求。 随着自动化技术和电子技术的发展，各种遥控技术已广泛地应用于柴油机的操纵机构。特别是近年来电子计算机技术和微处理机已用于主机遥控、巡回检测和工况监视等方面，不仅大大减轻了轮机人员的劳动强度，改善了工作条件，还可以避免人为的操作差错，提高船舶运行的安全性、操纵性和经济性。目前，主机遥控技术水平越来越高，船舶正朝着全面自动化和智能化的方向发展。一、操纵系统的类型按操纵部位和操纵方式，操纵系统可以分为：（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

29、油机使之满足各种工况下的需要；（2）机舱集控室控制，在机舱的适当位置设置专用的控制室实现对柴油机的控制和监视。（3）驾驶室控制，在驾驶室的控制台中由驾驶员直接控制柴油机。在这三个部位中机旁手动控制是整个操纵系统的基础。机舱集控室控制和驾驶室控制统称遥控，即指远距离操纵主机。在三个部位的操纵台上均设操纵手柄、操纵部位转换开关、应急操作按钮及显示仪表等，以便对主机进行操纵和运行状态参数的监测。尽管目前主机遥控技术已经达到了相当高的水平，但系统中仍然必须保留机旁手动操纵系统，以保证对主机的可靠控制。 按遥控系统所使用的能源和工质，主机遥控系统可分为以下几种。 1电动式主机遥控系统2气动式主机遥控系统3液力式主机遥控系统 4混合式主机遥控系统 5微型计算机控制系统1电动式主机遥控系统 电动