第一节起动、换向和操纵系统

1、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，在进出港口和靠离码头时船舶需要多次改变航速及航向；在海洋中正常航行时要求船舶定速前进；在大风浪中航行时应限制主机的负荷及转速以防主机超负荷或超速；在紧急情况下船舶为了避碰而要求紧急刹车。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、调速、限速、限制负荷、正车运转和倒车运转的能力。为此，作为船舶主机的柴油机必须设计起动、换向和调速装置以及控制上述各种装置的操纵系统。随着船舶自动化技术和电子技术不断发展，船舶自动化程度越来越高，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，尤其是近几年WARTSILA

2、瑞士公司新推出的RTFlex型主柴油机和MAN B&W新推出的L（S）ME型主柴油机及这两个公司授权生产的柴油机操纵系统较以前结构简单，但功能日趋复杂，正朝着“智能机”方向发展。目前，港口国政府对抵港外轮实施PSC检查，主管轮机员应确保主、副机等设备状态良好，否则船舶会因被发现主、副机存在重大缺陷而受到警告、限期解决或被滞留，船舶不仅承担船期损失和高额的修理费用，还会使船舶、船公司、船旗国船级社被列入“黑名单”而导致名誉损失。因此轮机管理人员应及时掌握新技术，不断提高管理水平，确保主、副机状态良好，确保船舶安全。所以轮机管理人员只有掌握各种柴油机的起动、换向和操纵系统的性能才能迅速排除

3、故障，这对船舶安全至关重要。第一节 起动装置一、柴油机起动和起动方式静止的柴油机必须借助外力（矩）的作用使柴油机达到起动转速，从而使喷到气缸内的燃油压缩发火、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，这一过程称为柴油机起动。通常称柴油机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。起动转速的范围是：高速柴油机80150转/分钟；中速柴油机6070转/分钟；低速柴油机2530转/分钟。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，气体通过活塞环的漏泄亦较多，致使柴油机压缩终

4、点温度较低，达不到燃油压缩发火的要求，柴油机也就不可能起动起来。按照柴油机起动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、电力起动、气马达起动等。船舶中、小型柴油机如救生艇发动机、应急发电柴油机、部分发电柴油机，通常采用电力或气马达起动。（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。船舶主柴油机和大多数发电柴油机均采用压缩空气起动方式。柴油机的起动性能除了与柴油机的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

5、舶主机，还要求当曲轴处于任何位置和机舱温度不低于58ºC时，不需暖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来自空气压缩机的空气来自空气压缩机的空气1451671823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出口阀;6空气瓶;7起动控制阀;8截止阀压缩空气起动就是将具有一定压力的压缩空气（2.53.0MPa）按柴油机的发火顺序在膨胀行程引入气缸，代替燃气推动活塞，使柴油机达到起动转速，完成燃油自行发火。它的主要优点是起动能量大，起动迅速可靠，在正倒车运转时还可以利用压缩空气来实现制动和帮助操纵。但该装置构造较复杂，不适用于

6、小型高速柴油机。1.起动装置简介如图91所示为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部分包括：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。起动前，空气压缩机向空气瓶充气达到规定压力。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充气；在空气瓶内压力升至设定数值后，空气压缩机自行停车。起动柴油机前，打开空气瓶出口气阀和截止阀，使空气瓶中空气自截止阀沿管路通至主起动阀和起动控制阀处等候。当接到起动指令时，将操纵手柄推至“起动”位置。这时，起动控制阀开启，控制空气进入主起动阀的活塞上面，推动活塞下移

7、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，由空气分配器按照柴油机的发火顺序控制控制空气到达相应的气缸起动阀的上部空间依次将各缸的气缸起动阀打开，使等候在此阀前的起动空气进入气缸，推动活塞运动及驱动曲轴转动。当柴油机达到起动转速时，随即将燃油手柄推至起动供油位置。待柴油机起动后，立即通过柴油机操纵手柄关闭起动控制阀，切断起动空气。主起动阀随即关闭，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，起动过程结束。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，将空气瓶截止阀

8、和出口气阀先后关闭。2.起动条件为了保证柴油机有效、可靠地起动，压缩空气起动的柴油机必须具备三个条件：(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一定的情况下，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。柴油机起动空气的压力并不一定需要3.0MPa，在中、低速柴油机中，此压力一般为1.53.0MPa，小型柴油机起动空气的压力为1.0MPa左右。按我国钢质海船入级与建造规范的要求，供主机起动用的空气瓶至少有两个，空气瓶的总容量在不补充空气的情况下，对每台可换向的主机能从冷机连续起动不少于12次，试验时应正倒车交替进行；对每

9、台不能换向的主机能从冷机连续起动不少于6次。如主机多于两台时，空气瓶的容量可适当减少。(2)要有一定的供气正时并有一定的供气持续时间因为压缩空气代替燃气膨胀做功，推动活塞驱使曲轴转动，所以必须在活塞处于膨胀行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）。起动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。合适的起动正时应以最有利于起动和节省空气耗量为主要依据。理论上，对于船用大型低速二冲程柴油机，空气分配器大约在上止点前5°CA开始给相应的气缸起动阀供控制空气，在上止点后100120°CA结束供气；中高速四冲程柴油机空气分配器大约在上止点

10、前510°CA开始给相应的气缸起动阀供控制空气，进气延续时间因受排气阀限制一般不超过140°曲轴转角。因为气缸起动阀不是瞬时打开的，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，因此实质上起动空气进入气缸的时刻要延后些，气缸起动阀的控制空气并非在上止点时提供。二冲程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°CA。(3)要保证最少气缸数对船舶主机而言，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。为此，柴油机必须有一

11、定的气缸数。起动所要求的最少气缸数，对二冲程柴油机为360°/100°，一般不应少于4个；对四冲程柴油机为720°/140°，一般不应少于6个。若缸数少于上述数值，则起动前必须盘车，使某缸正好处于膨胀行程开始后的某一时刻。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和轴系可靠地起动、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。起动方面的要求是：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

12、减轻阀盘与阀座间的撞击，要求阀落座的速度要慢；在气缸内发火后燃气压力大于起动空气压力的条件下，起动阀应关闭，以防气缸内的高温燃气倒流入起动总管，造成空气管爆炸事故。制动方面的要求是：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。在船舶全速前进的情况下遇紧急避碰，要求柴油机能迅速制动而停车并立即反转开出倒车。柴油机的制动过程由能耗制动和强制制动两个阶段组成。为了使高速运转的柴油机迅速停车并及时开出倒车，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行空气分配器换向操作。换向后柴油机曲轴、凸轮轴仍按原方向转动，当将操纵手柄重新置于反向起动位置时，空气分配器则按换

13、向后的供气正时把气缸起动阀打开，压缩空气进入气缸。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。因为曲轴仍按换向前的转向转动，当某个气缸的气缸起动阀处于开启状态时，该缸正处于压缩行程。进入气缸的压缩空气对上行的活塞起制动作用，消耗柴油机的能量使之转速逐渐降低，同时气缸内的压缩空气经开启的气缸起动阀被释放，减少了压缩空气在膨胀行程做功的能力，使柴油机转速进一步降低，这一过程称为能耗制动。从开启的气缸起动阀释放的压缩空气进入起动总管，如果压力高于安全阀设定压力则安全阀开启泄压，当压力低于设定压力则安全阀自动关闭。柴油机在能耗制动后转速已经降低但曲轴仍按原转向转动，此后在压缩行程将压缩

14、空气经开启的气缸起动阀通入气缸，依靠压缩空气压力迫使上行的活塞速度迅速降低直至柴油机停车，这一过程称为强制制动。起动时要求当气缸内的压力大于起动空气压力时气缸起动阀应关闭；制动时则要求当气缸内的压力稍高于起动空气压力时气缸起动阀应保持开启。显然从起动、制动两方面对气缸起动阀的要求是矛盾的。这两种要求是通过气缸起动阀不同的构造实现的，并非所有的气缸起动阀都能满足上述要求。图9-2 单气路控制式气缸起动阀1启阀活塞；2弹簧；3平衡活塞；4阀盘；P进气口;U启阀空间气缸起动阀按构造原理不同分为单向阀式和气压控制式两种。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

15、油机进行起动；在起动空气经空气分配器泄放大气后，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起动空气总管引起爆炸危险。这种单向阀式气缸起动阀适用于中、小型柴油机。气压控制式气缸起动阀的开阀控制空气来自空气分配器，具有尺寸小、空气损失少、起动迅速的特点，适用于大型柴油机。根据气缸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控制式和双气路控制式两种。图9-3 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阀盘；K、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关闭管单气路控制式气缸起动阀的构造如图92所示。它属于平衡

16、式气缸起动阀，即依靠控制空气开启，关阀则靠气阀弹簧。它的主要特点是：启阀活塞为单级平面式，面积大，开关迅速，起动空气消耗少，结构简单，被许多类型柴油机所采用。图92所示为MAN B&W LMC型柴油机的气缸起动阀，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。该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，以防止火灾事故的发生。双气路控制

17、式气缸起动阀的结构如图93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、K2、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K1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。随着阶梯活塞的下行K3运行到关闭管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，又避免了控制活塞与阀体撞击

18、。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。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的下表面使关闭速度减慢。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，使关阀的后期阀盘落座速度大大减慢，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K1上。在起动的油气并进阶段，虽有控制空气作用在控制活塞K1上，气缸起动阀仍不能

19、开启，即当气缸内压力高于起动空气压力时阀不能开启，避免了燃气倒灌的危险，满足了起动方面对起动阀的要求：速开、速关，落座速度缓慢，气缸内发火时阀不应开启。在紧急制动时，气缸起动阀开启初期气缸内处于换向后的换气行程末期和压缩行程初期，气缸内压力较小，当起动阀已处于全开状态时活塞上行气缸内处于压缩行程，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，虽然气缸内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。近几年WARTSILA瑞士公司推出的RTA改进型和RTflex型主柴油机的气缸起动阀在双气路控制式气缸起动阀的基础上做了改进。起动阀的开关由两

20、位三通电磁阀控制的控制气源控制，该阀实质上已经成为单气路控制式气缸起动阀。2.空气分配器4通大气123657（a） （b）图94气缸起动阀和单体滑阀式空气分配器结构原理起动阀阀盘；进气腔；阀杆；启阀活塞；阀体；滑阀；凸轮空气分配器的作用是按照柴油机的发火顺序和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，则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。WARTSILA瑞士公司的RTflex型主柴油机取消了空气分配器，空气分配器的功能由装于各缸气缸起动阀上的起动控制电磁阀取代。空气分配器按结构形式不同可分为回转式

21、和柱塞式两种。回转式如图91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（与气缸数目相同）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94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上的安装位置来决定。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决定各缸起动阀的启闭。组合式空气分配器按其柱塞的排列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，

22、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94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。图95 双气路控制式空气分配器1凸轮轴；2滑阀套；3 a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压力空腔双气路控制式气缸起动阀需要两路控制空气，因为它的分配器必须有两个供气点分别与气缸起动阀的开启管H和关闭管J相连。图所示为双气路控制柱塞式空气分配器的剖视图，空气分配器的各滑阀3是按各气缸的发火次序绕凸轮轴中心线径向布置的，各滑阀是由一个起动凸轮6控制。空气分配器没有控制空气时，控制滑阀受弹簧3a作用

23、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，各缸气缸起动阀均处于关闭状态。起动时，主起动阀打开，来自起动空气瓶的空气经进气管SA充满分配器空腔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的基圆相接触。这时，滑阀内移，主起动空气经分配空腔DS与开启管H相通，而关闭管J与放气腔VS相通放大气。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

24、6将滑阀3推向外端，滑阀3将开启管H与放气腔VS相通放大气，来自主起动阀的控制空气经分配器腔DS与关闭管J相通，使气缸起动阀关闭。而凸轮的基圆又转到另一个滑阀下面，依次启闭另一个气缸的起动阀。当起动按钮或起动手柄复位时，则起动结束，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管之间，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管路。在空气瓶打开的情况下，它既能满足起动所需的压缩空气量，又能使供气迅速可靠，并减少压缩空气的节流损

25、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，有的机型另外装设手动机构，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。非均衡式主起动阀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图96 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

26、回阀；11弹簧；12阀座；13调整螺钉；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；21二位三通阀；E平衡孔；G间隙；EB平衡孔；M压力表；DV放泄阀；P-P5压力空腔；CV检查阀；CACA控制空气进口；SC至空气分配器；V、V2放气孔起动阀壳体连接在一起，起动前通过它可使柴油机以510转/分钟的速度转动。主起动阀既能用控制空气进行控制，也能用手轮进行手动控制。置于主起动阀外壳上部的止回阀9用来防止起动空气倒流，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。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

27、入环形空腔P并通过阀体6上的孔EB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P2。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CA1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泄放。与此同时从CA2进入的控制空气推动活塞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并打开止回阀10进入空

28、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，慢转的转速由调整螺钉13的位置来决定。切断进口CA1和CA2的控制空气，慢转结束。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的空气打开止回阀9，使空气通向气缸起动阀和空气分配器进行起动。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用于放掉管路中的残余空气和凝结水，同时阀CV也可用来检查主起动阀的动作灵活性和密封性，阀DV也可用来检查气缸起动阀的密封性。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 MANB&W MC系列柴油机球阀式主起动阀近几年WARTSILA瑞士公司推出的RTA改进型