李婧婧

安科瑞電氣股份有限公司 

摘要：根據(jù)復(fù)速級(jí)沖擊渦輪式氣啟動(dòng)馬達(dá)工作原理提出一種新型的保護(hù)控制裝置設(shè)計(jì)方案，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和氣壓控制氣路兩方面。其中機(jī)械結(jié)構(gòu)方面解決了發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪齒圈和馬達(dá)的小齒輪撞擊及重復(fù)碰撞問題，另一方面解決了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速300r/min以內(nèi)就立即切斷氣啟動(dòng)馬達(dá)控制氣路問題，使氣啟動(dòng)馬達(dá)的小齒輪和發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪齒圈分離，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)也禁止工作，達(dá)到真正保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)目的。介紹該保護(hù)控制裝置結(jié)構(gòu)原理圖，詳細(xì)描述其工作流程，并對(duì)該保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，通過控制單向節(jié)流閥的流速，實(shí)現(xiàn)了對(duì)二位三通氣動(dòng)換向閥的控制。簡述了它在實(shí)際應(yīng)用中的特點(diǎn)。該新型氣啟動(dòng)馬達(dá)的保護(hù)控制裝置為同行業(yè)類似產(chǎn)品開發(fā)提供了參考。

關(guān)鍵詞：氣啟動(dòng)馬達(dá)；保護(hù)控制裝置；渦輪式

0前言

啟動(dòng)馬達(dá)是燃油發(fā)動(dòng)機(jī)配置的關(guān)鍵部件之一，它通常分為電啟動(dòng)馬達(dá)、氣啟動(dòng)馬達(dá)、液壓啟動(dòng)馬達(dá)和彈簧啟動(dòng)馬達(dá)。隨著綠色出行、綠色家園等環(huán)保理念逐漸深入人心，以及滿足柴油車輛、工程車輛等頻繁啟動(dòng)、防燃、防爆、高負(fù)載場合等需求，氣啟動(dòng)馬達(dá)在車用發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，并配置車載空壓泵和儲(chǔ)氣罐為氣啟動(dòng)馬達(dá)提供氣源動(dòng)力。氣啟動(dòng)馬達(dá)按照工作原理分為靜力式（容積式）和動(dòng)力式（蝸輪式）：靜力式氣啟動(dòng)馬達(dá)輸出的速度有限，啟動(dòng)性能不良；而動(dòng)力式氣啟動(dòng)馬達(dá)可以達(dá)到很高的輸出轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)性能良好，可以滿足更大功率柴油機(jī)的啟動(dòng)要求。正是由于動(dòng)力式氣啟動(dòng)馬達(dá)具有排量大、系統(tǒng)可靠、簡單實(shí)用及相對(duì)獨(dú)立等優(yōu)點(diǎn)，被國內(nèi)柴油機(jī)、馬達(dá)、發(fā)動(dòng)機(jī)等廠家和設(shè)計(jì)研究單位逐漸認(rèn)識(shí)和應(yīng)用，其相應(yīng)的保護(hù)裝置也應(yīng)運(yùn)而生。在實(shí)際工作過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)發(fā)火（150r/min）后，系統(tǒng)不能在轉(zhuǎn)速達(dá)到300r/min以內(nèi)使氣啟動(dòng)馬達(dá)的小齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪齒圈迅速脫離，就會(huì)對(duì)氣啟動(dòng)馬達(dá)和發(fā)動(dòng)機(jī)造成損害。由于空氣壓縮泵運(yùn)轉(zhuǎn)后建立壓力較慢，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)，達(dá)到怠速（800r/min）甚至更高的轉(zhuǎn)速后，空氣壓縮泵才能產(chǎn)生足夠的氣壓來切斷氣啟動(dòng)馬達(dá)控制氣路，這時(shí)氣啟動(dòng)馬達(dá)的小齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪齒圈已經(jīng)發(fā)生了磨損。有些人習(xí)慣邊啟動(dòng)邊加油門，這樣一旦發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，轉(zhuǎn)速會(huì)馬上升到1000r/min，同樣導(dǎo)致馬達(dá)和發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。由于一臺(tái)進(jìn)口氣啟動(dòng)馬達(dá)價(jià)格昂貴，而發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈的生產(chǎn)周期也比較長，因此一旦馬達(dá)受損或飛輪齒圈無法滿足運(yùn)轉(zhuǎn)要求時(shí)，將會(huì)給企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失并影響日常生產(chǎn)工作。

目前市場上氣啟動(dòng)馬達(dá)保護(hù)裝置主要有氣路保護(hù)和機(jī)械保護(hù)，而大多數(shù)采用的是氣路保護(hù)，在機(jī)械保護(hù)方面研究甚少，有些問題仍然沒有解決，如馬達(dá)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪撞擊及重復(fù)碰撞問題。氣路保護(hù)方式安全可靠，可以極大地避免馬達(dá)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生碰撞。介紹了目前市場上比較流行的保護(hù)方式就是通過氣路的控制，切斷啟動(dòng)開關(guān)和氣啟動(dòng)馬達(dá)之間的連接氣路，對(duì)柴油機(jī)和馬達(dá)進(jìn)行安全有效的保護(hù)；但在工作過程中，仍需要人為操作，導(dǎo)致工作效率比較低。通過液控?fù)Q向閥、氣控?fù)Q向閥、延時(shí)閥等轉(zhuǎn)向，切

斷儲(chǔ)氣罐到氣啟動(dòng)馬達(dá)的高壓氣體，使馬達(dá)齒輪與柴油機(jī)飛輪脫開，有效地保護(hù)了氣啟動(dòng)馬

達(dá)，但保護(hù)響應(yīng)時(shí)間比較長，馬達(dá)仍受到了一定磨損。

針對(duì)上述問題，本文作者基于一種復(fù)速級(jí)沖擊渦輪式氣啟動(dòng)馬達(dá)，根據(jù)其工作原理，提出一種新型的保護(hù)控制裝置設(shè)計(jì)方案，即在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面和氣路方面都進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)。其中在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面解決了發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈和馬達(dá)小齒輪撞擊及重復(fù)碰撞問題；氣路方面解決了發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈和馬達(dá)小齒輪即時(shí)脫離問題，使馬達(dá)和發(fā)動(dòng)機(jī)得到真正保護(hù)。

1氣啟動(dòng)馬達(dá)總體結(jié)構(gòu)

該馬達(dá)主要由動(dòng)力總成、減速總成、傳動(dòng)總成等連接構(gòu)成，其中動(dòng)力總成包括一、二級(jí)定子和一、二級(jí)轉(zhuǎn)子組合的軸向氣道渦輪，齒輪軸等；減速總成包括軸承座、行星架、行星齒輪、軸承等；傳動(dòng)總成包括輸出軸、下棘輪、上棘輪、彈簧、花鍵軸和內(nèi)卡環(huán)等。部分結(jié)構(gòu)示意如圖１所示，該馬達(dá)輸出部分采用慣性嚙合的方式，首先氣啟動(dòng)馬達(dá)主氣路接通后，將壓縮氣體的部分壓縮能轉(zhuǎn)換成氣體的動(dòng)能；然后，沿噴嘴出口方向噴出的高速氣流沖擊動(dòng)葉輪；接著，通過氣流推動(dòng)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)做功，并通過輸出軸向外輸出機(jī)械功；輸出小齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈嚙合。

2保護(hù)控制裝置原理

發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)并不是單一的過程，其中可能發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪齒圈和氣啟動(dòng)馬達(dá)的小齒輪嚙合、脫離及重復(fù)碰撞現(xiàn)象，如圖２、圖３所示。

為保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)和啟動(dòng)馬達(dá)，在發(fā)動(dòng)機(jī)非啟動(dòng)狀態(tài)下，啟動(dòng)馬達(dá)的小齒輪需要脫離發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪齒圈，并與之保持一定距離（稱為FRG尺寸，通常為5.5ｍｍ）。為使發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪齒圈和氣啟動(dòng)馬達(dá)的小齒輪即時(shí)脫離及避免重復(fù)碰撞現(xiàn)象，如圖１所示，設(shè)計(jì)了一種新型保護(hù)控制裝置，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和氣壓控制氣路兩方面，結(jié)構(gòu)方面具體為：壓縮空氣經(jīng)進(jìn)氣口７推動(dòng)氣缸內(nèi)的活塞13作軸向運(yùn)動(dòng)，由于氣缸內(nèi)壁設(shè)有３段不同直徑，中間大于兩端，故通過氣源節(jié)流方式讓小齒輪在FRG行程內(nèi)的推進(jìn)既有力又緩慢，“頂齒"時(shí)不會(huì)產(chǎn)生撞擊，同時(shí)氣缸內(nèi)的變直徑結(jié)構(gòu)在壓縮空氣的作用下使小齒輪在超過FRG行程后快速推進(jìn)，完成嚙合；當(dāng)氣缸內(nèi)壓縮空氣卸壓時(shí)，嚙合的小齒輪在復(fù)位彈簧12作用下迅速退回，因此該結(jié)構(gòu)解決了發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪齒圈和馬達(dá)的小齒輪撞擊及重復(fù)碰撞問題。

氣壓控制氣路原理如圖４所示，當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入氣控?fù)Q向閥12控制氣路，并通過壓力作用切斷啟動(dòng)開關(guān)13與啟動(dòng)閥10、氣啟動(dòng)馬達(dá)11之間的氣路連接，此時(shí)啟動(dòng)開關(guān)13失去作用，即使按下啟動(dòng)開關(guān)13也不能使氣啟動(dòng)馬達(dá)11工作，只有操作人員按下停機(jī)開關(guān)14后，再次按啟動(dòng)開關(guān)13，氣啟動(dòng)馬達(dá)11才工作。首先從圖中可以看出，此控制氣路分支和連接點(diǎn)比較多，其次在工作過程中需要人為進(jìn)行操作，這就導(dǎo)致馬達(dá)使用時(shí)容易受限，工作效率嚴(yán)重降低，在應(yīng)用中起不到實(shí)際效果。

在此原理基礎(chǔ)上，本文作者對(duì)控制氣路進(jìn)行了改進(jìn)，原理如圖５所示

該控制氣路分支和連接點(diǎn)明顯減少，保護(hù)響應(yīng)時(shí)間降低，同時(shí)整個(gè)過程中不需要人為進(jìn)行操作，極大提高了工作效率。整個(gè)控制氣路分兩路：一路依次通過機(jī)械閥８、二位三通氣動(dòng)換向閥９連接氣啟動(dòng)馬達(dá)11的齒輪預(yù)嚙合進(jìn)氣口；另一路通過主啟動(dòng)閥10與氣啟動(dòng)馬達(dá)11的進(jìn)氣口連接，氣啟動(dòng)馬達(dá)11的齒輪預(yù)嚙合出氣口通過管路與主啟動(dòng)閥10的控制口連接，柴油機(jī)12的飛輪通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與液壓泵13的動(dòng)力輸入端連接，液壓泵13的進(jìn)液口與油箱連接，液壓泵13的出液口通過管路及單向節(jié)流閥14與二位三通氣動(dòng)換向閥９的控制口連接。此外，空氣壓縮泵５的動(dòng)力輸入端通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與柴油機(jī)12的飛輪連接，空氣壓縮泵５的出氣口通過管路與單向閥3的進(jìn)氣口連接，而單向閥３的出氣口通過管路與儲(chǔ)氣罐１的進(jìn)氣口連接，為確保儲(chǔ)氣罐１安全，在儲(chǔ)氣罐１上設(shè)置安全閥２。由于需要實(shí)時(shí)監(jiān)測管路的壓力值大小，故在空氣壓縮泵5與單向閥3之間的管路上連接壓力表4和安全閥6。

3保護(hù)控制裝置工作流程

所設(shè)計(jì)的氣啟動(dòng)馬達(dá)當(dāng)柴油機(jī)12轉(zhuǎn)速達(dá)到300r/min以內(nèi)就立即切斷啟動(dòng)馬達(dá)控制氣路，使氣啟動(dòng)馬達(dá)11的小齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)12的飛輪齒圈迅速脫離，從而保護(hù)馬達(dá)和柴油機(jī)12的飛輪。整個(gè)保護(hù)裝置在工作時(shí)，氣體由儲(chǔ)氣罐１經(jīng)過過濾器７過濾后，一路依次通過機(jī)械閥８、二位三通氣動(dòng)換向閥９進(jìn)入氣啟動(dòng)馬達(dá)11的齒輪預(yù)嚙合進(jìn)氣口；另一路通過主啟動(dòng)閥10進(jìn)入氣啟動(dòng)馬達(dá)11的進(jìn)氣口，氣啟動(dòng)馬達(dá)11的齒輪預(yù)嚙合出氣口排出的氣體用于控制主啟動(dòng)閥10。當(dāng)氣啟動(dòng)馬達(dá)11內(nèi)部氣壓達(dá)到一定時(shí)，通過齒輪驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)12的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，飛輪帶動(dòng)液壓泵13工作，產(chǎn)生機(jī)油壓力，并傳遞給單向節(jié)流閥，由這個(gè)閥的流速大小作為信號(hào)在柴油機(jī)12啟動(dòng)后快速控制二位三通氣動(dòng)換向閥９切斷控制氣路，同時(shí)主啟動(dòng)閥10關(guān)閉。通過單向節(jié)流閥14調(diào)節(jié)二位三通氣動(dòng)換向閥９的響應(yīng)時(shí)間，使該響應(yīng)時(shí)間與氣啟動(dòng)馬達(dá)11的小齒輪脫離發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪時(shí)間相匹配。此外空氣壓縮泵５達(dá)到一定壓力后，將多余的空氣經(jīng)單向閥３重新傳到儲(chǔ)氣罐１，供下次工作時(shí)使用。在整個(gè)工作過程中，控制氣路*自動(dòng)控制，無需人工操作，極大提高了工作效率，同時(shí)響應(yīng)時(shí)間也極大縮短，達(dá)到了保護(hù)馬達(dá)與柴油機(jī)的目的。

4仿真及分析

根據(jù)改進(jìn)后氣壓控制氣路保護(hù)原理圖，基于AMESim進(jìn)行仿真分析，該模型如圖６所示。

根據(jù)工況及實(shí)際調(diào)試，配置主要參數(shù)如表１所示，設(shè)置仿真結(jié)束時(shí)間為８s，通信間隔時(shí)間為0.05ｓ。從圖５中可以看出，通過單向節(jié)流閥就可以控制整個(gè)系統(tǒng)核心部位。而在實(shí)際生產(chǎn)中，就是通過不斷調(diào)節(jié)控制單向節(jié)流閥的流速，對(duì)氣路進(jìn)行控制。

在上述參數(shù)條件下，通過設(shè)置柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，觀察單向節(jié)流閥的流速情況，流速如圖７所示，啟動(dòng)柴油機(jī)后，節(jié)流閥的流速均迅速上升，達(dá)到峰值后迅速下降。當(dāng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速由大變小時(shí)，單向節(jié)流閥的流速峰值隨之變小。故當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在300r/min以內(nèi)時(shí)，通過控制節(jié)流閥的流速大小對(duì)整個(gè)氣路進(jìn)行控制，并將該信號(hào)傳遞給二位三通氣動(dòng)換向閥，該閥收到信號(hào)后立即切斷控制氣路，同時(shí)主啟動(dòng)閥關(guān)閉，達(dá)到保護(hù)柴油機(jī)齒圈和馬達(dá)小齒輪的目的

5安科瑞智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器介紹

5.1產(chǎn)品介紹

智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器(以下簡稱保護(hù)器)，采用單片機(jī)技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。保護(hù)器能對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)、阻塞、外部故障等多種情況進(jìn)行保護(hù)，并設(shè)有SOE故障事件記錄功能，方便現(xiàn)場維護(hù)人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領(lǐng)域。本保護(hù)器具有RS485遠(yuǎn)程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

5.2技術(shù)參數(shù)

5.2.1數(shù)字式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器

6結(jié)束語

文中的馬達(dá)較大程度改變了現(xiàn)有氣啟動(dòng)馬達(dá)的結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)普通柴油機(jī)、卡車、公交、大巴等燃油發(fā)動(dòng)機(jī)氣啟動(dòng)馬達(dá)配置和安裝要求。在齒輪推進(jìn)裝置方面提出了新的結(jié)構(gòu)方案，改善了小齒輪和飛輪齒圈撞擊及重復(fù)碰撞問題，而且發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速達(dá)到300r/min以內(nèi)時(shí)，柴油機(jī)的飛輪驅(qū)動(dòng)液壓泵產(chǎn)生了機(jī)油壓力，并傳遞給單向節(jié)流閥，此時(shí)該閥的流速大小作為控制信號(hào)，傳遞給氣啟動(dòng)馬達(dá)控制氣路并即時(shí)切斷，使馬達(dá)小齒輪與飛輪齒圈即時(shí)自動(dòng)脫離，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)也禁止工作。通過機(jī)械結(jié)構(gòu)和氣壓自動(dòng)控制氣路兩個(gè)方面，使氣啟動(dòng)馬達(dá)和發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪齒圈得到真正保護(hù)，具體體現(xiàn)以下幾點(diǎn)：

（1）避免了小齒輪和飛輪齒圈重復(fù)碰撞現(xiàn)象，同時(shí)也延長了其使用壽命，并提高了其安全系數(shù)。

（２）減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的故障率，降低了用戶維修費(fèi)用。

（３）提高了氣啟動(dòng)馬達(dá)使用效率，降低了耗氣量。

（４）縮短了馬達(dá)保護(hù)響應(yīng)時(shí)間。

因此該馬達(dá)解決了小齒輪和飛輪齒圈即時(shí)自動(dòng)脫離和避免撞擊及重復(fù)碰撞問題。目前，該新型馬達(dá)已投入實(shí)際生產(chǎn)，為工業(yè)裝備、能源、電力、交通、鋼鐵、采礦、造船等行業(yè)做出了突出貢獻(xiàn)，同時(shí)為同行業(yè)的類似產(chǎn)品開發(fā)開辟了新開端，具有一定應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版

作者簡介：李婧婧，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電