第二节换向装置

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），常用方法有两种：一种是改变螺旋桨的旋转方向，另一种是保持螺旋桨转向不变而改变螺旋桨的螺距角。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，然后使柴油机反向起动起来，再使柴油机按反转方向运转。为满足上述要求，必须改变起动正时、喷油正时、配气正时等，以满足反向起动和反向运转对正时的需求。因为上述正时均由相应凸轮控制，所以解决柴油机的换向集中在如何相应的改变空气分配器、喷油泵、进排气阀等凸轮与曲轴的相对位置。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曲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、进排气凸轮、燃油凸轮等；二冲程弯流扫气柴油机中有空气分配器凸轮、燃油凸轮；在二冲程直流阀式扫气柴油机中有空气分配器凸轮、燃油凸轮、排气阀凸轮。

目前，换向装置的种类众多，但对装置的要求大致相同。主要有：

(1)准确、迅速地改变各种需要换向设备的正时关系并保证正、倒车的正时相同。

(2)换向装置与起动、供油装置间应设有必要的连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相对曲轴上、下止点位置发生变化的锁紧装置。

(4)按《钢质海船入级与建造规范》的规定，换向过程所需时间应不大于15秒。

二、双凸轮换向原理和换向装置

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9－8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，则供油提前角为11度，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度，即下止点前76度时，正车排气凸轮也转过104度曲轴转角，经传动机件排气阀被凸轮顶起，排气过程开始，接着进行换气过程。如果柴油机换向后从同一位置倒转，则倒车凸轮也将保证气缸内以同正车 倒车 上止点

b

11o 11o 正车 倒车 上止点

b

下止点

（a） 下止点

（b） 图9－8 双凸轮换向原理图

（ａ）燃油凸轮；（ｂ）排气凸轮 104o 104o

76o 76o 样次序进行上述各过程。图中未示出空气分配器的凸轮，其正倒车凸轮的布置原则与燃油凸轮相同。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。在多缸柴油机中，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，两者相反。如二冲程6缸柴油机的正车发火次序为1－6－2－4－3－5，则倒车发火次序为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、气压式。图9－9所示为气力—液压式换向装置，它正处于倒车位置。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4，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3，倒车油瓶中的压缩空气则泄入大气中。当活塞移至左面极端位置时，空气分配器正车凸轮1、燃油正车凸轮2正好处于各从动件下面，换向过程至此结束。

三、单凸轮换向原理和装置

单凸轮换向的特点是每个需要进行换向操作的设备（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的动作称为凸轮轴的换向差动，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相同，称为超前差动；差动方向如果与换向后的新转向相反，则称为滞后差动。

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燃油凸轮。

1.一般线型的单凸轮换向原理

单凸轮换向原理如图9－10所示。图（ａ）是一个二冲程柴油机的燃油凸轮，凸轮轮廓在作用角2φ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oo´落后于曲柄一个角度αs＝φ－β，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β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αs，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2αs＝2φ－2β。或者在凸轮轴不动的前提下，使曲轴沿倒车方向转动一个差动角2αs。燃油凸轮换向对于换向后的新转向来说是滞后差动。

图9－10（b）为二冲程直流阀式柴油机的排气阀凸轮，换向是超前差动，换向差动角2αs＝2β－2φ，该凸轮换向方向、换向差动角与燃油凸轮都不同。因此，两者无法同轴差动，只能分别装在两根凸轮轴上实现双1234图9-9 气力—液压式双凸轮换向装置

图9－10 单凸轮换向原理 轴单凸轮差动换向，因而使柴油机结构复杂。

2.单轴鸡心凸轮换向原理

为了解决燃油凸轮和排气阀凸轮差动方向不相同、差动角不相同的矛盾，采用一种鸡心凸轮代替一般线型的燃油凸轮，这样就可以使燃油凸轮和排气阀凸轮装在同一根凸轮轴上实现差动换向。单轴差动换向必须满足下列3个条件：

(1)两组凸轮的差动方向相同；

(2)两组凸轮的差动角相同；

(3)差动后同名各凸轮的正倒车正时基本相同。

鸡心燃油凸轮如图9－11图（ａ）所示，排气阀凸轮如图（ｂ）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，oo´为鸡心凸轮对称线。凸轮基圆o1o2处的半径最小，从o1、o2点向两侧伸展外轮廓按相同规律变化，至a1、a2点处半径最大并与顶圆衔接。正车（顺时针）运行时，a1—o1为喷油泵的吸油段，o2—a2为喷油泵的泵油段，供油提前角为β。倒车（逆时针）运行时，其吸油段与泵油段与上述相反。

在图（a）所示中，鸡心凸轮对称线oo´相对于该缸曲柄上止点提前15度。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度，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，燃油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18х2＝36度，但由于上述第二个同轴条件的限制，差动角只能取30度。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度变为85度；排气滞后角由正车的下止点后55度增大至61度，即正时滞后6度。由此，解决了差动方向和差动角度的矛盾，同时基本上满足了上述第三个条件，实现了燃油凸轮和排气阀凸轮装于同轴的单轴换向差动，但柴油机受排气定时影响倒车工况稍差。

3.单凸轮换向装置

(1)差动方法

1）曲轴、凸轮轴不动，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，先进行空气分配器换向操作，在进行反方向起动时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）先进行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 oo'0102a1a2ββ正车倒车15°15°18°12°91°55°上止点上止点正车倒车（a）鸡心凸轮（b）排气阀凸轮图9－11 鸡心凸轮的差动原理 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（0.6MPa）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。转板把伺服器分隔成两个空间（正车空间、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型柴油机采用一种新型的液压换向装置。该柴油机每段凸轮轴都装配有一个换向伺服器，其凸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。每段凸轮轴上也有排气阀凸轮，但其位于换向伺服器外的凸轮轴段上，柴油机正、倒车运转时排气阀凸轮不需换向。凸轮轴与伺服器不是刚性连接，而是通过转轴上的两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，而是通过控制滑油进、出伺服器相应油缸的变化使伺服器带动燃油凸轮相对曲轴差动以完成换向动作。空气分配器凸轮为双凸轮，换向时依靠控制空气轴向移动该段凸轮轴使相应凸轮处于工作位置。

2）气动机械差动换向装置

近年来，MAN B&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。排气阀凸轮不需换向。空气分配器凸轮也是双凸轮结构，换向时依靠控制空气轴向移动该段凸轮轴使相应凸轮处于工作位置。 图9－12 MAN B&W新型换向装置