胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 

摘要：根據復速級沖擊渦輪式氣啟動(dòng)馬達工作原理提出一種新型的保護控制裝置設計方案，包括機械結構和氣壓控制氣路兩方面。其中機械結構方面解決了發(fā)動(dòng)機的飛輪齒圈和馬達的小齒輪撞擊及重復碰撞問(wèn)題，另一方面解決了發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)后轉速300r/min以?xún)染土⒓辞袛鄽鈫?dòng)馬達控制氣路問(wèn)題，使氣啟動(dòng)馬達的小齒輪和發(fā)動(dòng)機的飛輪齒圈分離，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機工作時(shí)氣動(dòng)啟動(dòng)系統也禁止工作，達到真正保護發(fā)動(dòng)機目的。介紹該保護控制裝置結構原理圖，詳細描述其工作流程，并對該保護系統進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)控制單向節流閥的流速，實(shí)現了對二位三通氣動(dòng)換向閥的控制。簡(jiǎn)述了它在實(shí)際應用中的特點(diǎn)。該新型氣啟動(dòng)馬達的保護控制裝置為同行業(yè)類(lèi)似產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了參考。

關(guān)鍵詞：氣啟動(dòng)馬達；保護控制裝置；渦輪式

0前言

啟動(dòng)馬達是燃油發(fā)動(dòng)機配置的關(guān)鍵部件之一，它通常分為電啟動(dòng)馬達、氣啟動(dòng)馬達、液壓?jiǎn)?dòng)馬達和彈簧啟動(dòng)馬達。隨著(zhù)綠色出行、綠色家園等環(huán)保理念逐漸深入人心，以及滿(mǎn)足柴油車(chē)輛、工程車(chē)輛等頻繁啟動(dòng)、防燃、防爆、高負載場(chǎng)合等需求，氣啟動(dòng)馬達在車(chē)用發(fā)動(dòng)機的啟動(dòng)系統中廣泛應用，并配置車(chē)載空壓泵和儲氣罐為氣啟動(dòng)馬達提供氣源動(dòng)力。氣啟動(dòng)馬達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)馬達可以達到很高的輸出轉速，啟動(dòng)性能良好，可以滿(mǎn)足更大功率柴油機的啟動(dòng)要求。正是由于動(dòng)力式氣啟動(dòng)馬達具有排量大、系統可靠、簡(jiǎn)單實(shí)用及相對獨立等優(yōu)點(diǎn)，被國內柴油機、馬達、發(fā)動(dòng)機等廠(chǎng)家和設計研究單位逐漸認識和應用，其相應的保護裝置也應運而生。在實(shí)際工作過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)發(fā)火（150r/min）后，系統不能在轉速達到300r/min以?xún)仁箽鈫?dòng)馬達的小齒輪與發(fā)動(dòng)機的飛輪齒圈迅速脫離，就會(huì )對氣啟動(dòng)馬達和發(fā)動(dòng)機造成損害。由于空氣壓縮泵運轉后建立壓力較慢，發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火啟動(dòng)，達到怠速（800r/min）甚至更高的轉速后，空氣壓縮泵才能產(chǎn)生足夠的氣壓來(lái)切斷氣啟動(dòng)馬達控制氣路，這時(shí)氣啟動(dòng)馬達的小齒輪與發(fā)動(dòng)機的飛輪齒圈已經(jīng)發(fā)生了磨損。有些人習慣邊啟動(dòng)邊加油門(mén)，這樣一旦發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火后，轉速會(huì )馬上升到1000r/min，同樣導致馬達和發(fā)動(dòng)機損壞。由于一臺進(jìn)口氣啟動(dòng)馬達價(jià)格昂貴，而發(fā)動(dòng)機飛輪齒圈的生產(chǎn)周期也比較長(cháng)，因此一旦馬達受損或飛輪齒圈無(wú)法滿(mǎn)足運轉要求時(shí)，將會(huì )給企業(yè)帶來(lái)一定的經(jīng)濟損失并影響日常生產(chǎn)工作。

目前市場(chǎng)上氣啟動(dòng)馬達保護裝置主要有氣路保護和機械保護，而大多數采用的是氣路保護，在機械保護方面研究甚少，有些問(wèn)題仍然沒(méi)有解決，如馬達齒輪與發(fā)動(dòng)機飛輪撞擊及重復碰撞問(wèn)題。氣路保護方式安全可靠，可以極大地避免馬達齒輪與發(fā)動(dòng)機飛輪齒圈在高速運轉過(guò)程中發(fā)生碰撞。介紹了目前市場(chǎng)上比較流行的保護方式就是通過(guò)氣路的控制，切斷啟動(dòng)開(kāi)關(guān)和氣啟動(dòng)馬達之間的連接氣路，對柴油機和馬達進(jìn)行安全有效的保護；但在工作過(guò)程中，仍需要人為操作，導致工作效率比較低。通過(guò)液控換向閥、氣控換向閥、延時(shí)閥等轉向，切

斷儲氣罐到氣啟動(dòng)馬達的高壓氣體，使馬達齒輪與柴油機飛輪脫開(kāi)，有效地保護了氣啟動(dòng)馬

達，但保護響應時(shí)間比較長(cháng)，馬達仍受到了一定磨損。

針對上述問(wèn)題，本文作者基于一種復速級沖擊渦輪式氣啟動(dòng)馬達，根據其工作原理，提出一種新型的保護控制裝置設計方案，即在機械結構方面和氣路方面都進(jìn)行保護設計。其中在機械結構方面解決了發(fā)動(dòng)機飛輪齒圈和馬達小齒輪撞擊及重復碰撞問(wèn)題；氣路方面解決了發(fā)動(dòng)機飛輪齒圈和馬達小齒輪即時(shí)脫離問(wèn)題，使馬達和發(fā)動(dòng)機得到真正保護。

1氣啟動(dòng)馬達總體結構

該馬達主要由動(dòng)力總成、減速總成、傳動(dòng)總成等連接構成，其中動(dòng)力總成包括一、二級定子和一、二級轉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、花鍵軸和內卡環(huán)等。部分結構示意如圖１所示，該馬達輸出部分采用慣性嚙合的方式，首先氣啟動(dòng)馬達主氣路接通后，將壓縮氣體的部分壓縮能轉換成氣體的動(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(zhù)，通過(guò)氣流推動(dòng)動(dòng)葉輪旋轉做功，并通過(guò)輸出軸向外輸出機械功；輸出小齒輪與發(fā)動(dòng)機飛輪齒圈嚙合。

2保護控制裝置原理

發(fā)動(dòng)機的啟動(dòng)并不是單一的過(guò)程，其中可能發(fā)生發(fā)動(dòng)機的飛輪齒圈和氣啟動(dòng)馬達的小齒輪嚙合、脫離及重復碰撞現象，如圖２、圖３所示。

為保護發(fā)動(dòng)機和啟動(dòng)馬達，在發(fā)動(dòng)機非啟動(dòng)狀態(tài)下，啟動(dòng)馬達的小齒輪需要脫離發(fā)動(dòng)機的飛輪齒圈，并與之保持一定距離（稱(chēng)為FRG尺寸，通常為5.5ｍｍ）。為使發(fā)動(dòng)機的飛輪齒圈和氣啟動(dòng)馬達的小齒輪即時(shí)脫離及避免重復碰撞現象，如圖１所示，設計了一種新型保護控制裝置，包括機械結構和氣壓控制氣路兩方面，結構方面具體為：壓縮空氣經(jīng)進(jìn)氣口７推動(dòng)氣缸內的活塞13作軸向運動(dòng)，由于氣缸內壁設有３段不同直徑，中間大于兩端，故通過(guò)氣源節流方式讓小齒輪在FRG行程內的推進(jìn)既有力又緩慢，“頂齒"時(shí)不會(huì )產(chǎn)生撞擊，同時(shí)氣缸內的變直徑結構在壓縮空氣的作用下使小齒輪在超過(guò)FRG行程后快速推進(jìn)，完成嚙合；當氣缸內壓縮空氣卸壓時(shí)，嚙合的小齒輪在復位彈簧12作用下迅速退回，因此該結構解決了發(fā)動(dòng)機的飛輪齒圈和馬達的小齒輪撞擊及重復碰撞問(wèn)題。

氣壓控制氣路原理如圖４所示，當壓縮空氣進(jìn)入氣控換向閥12控制氣路，并通過(guò)壓力作用切斷啟動(dòng)開(kāi)關(guān)13與啟動(dòng)閥10、氣啟動(dòng)馬達11之間的氣路連接，此時(shí)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)13失去作用，即使按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)13也不能使氣啟動(dòng)馬達11工作，只有操作人員按下停機開(kāi)關(guān)14后，再次按啟動(dòng)開(kāi)關(guān)13，氣啟動(dòng)馬達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(guò)程中需要人為進(jìn)行操作，這就導致馬達使用時(shí)容易受限，工作效率嚴重降低，在應用中起不到實(shí)際效果。

在此原理基礎上，本文作者對控制氣路進(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，保護響應時(shí)間降低，同時(shí)整個(gè)過(guò)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(guò)機械閥８、二位三通氣動(dòng)換向閥９連接氣啟動(dòng)馬達11的齒輪預嚙合進(jìn)氣口；另一路通過(guò)主啟動(dòng)閥10與氣啟動(dòng)馬達11的進(jìn)氣口連接，氣啟動(dòng)馬達11的齒輪預嚙合出氣口通過(guò)管路與主啟動(dòng)閥10的控制口連接，柴油機12的飛輪通過(guò)傳動(dòng)機構與液壓泵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(guò)管路及單向節流閥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(guò)傳動(dòng)機構與柴油機12的飛輪連接，空氣壓縮泵５的出氣口通過(guò)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(guò)管路與儲氣罐１的進(jìn)氣口連接，為確保儲氣罐１安全，在儲氣罐１上設置安全閥２。由于需要實(shí)時(shí)監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保護控制裝置工作流程

所設計的氣啟動(dòng)馬達當柴油機12轉速達到300r/min以?xún)染土⒓辞袛鄦?dòng)馬達控制氣路，使氣啟動(dòng)馬達11的小齒輪與發(fā)動(dòng)機12的飛輪齒圈迅速脫離，從而保護馬達和柴油機12的飛輪。整個(gè)保護裝置在工作時(shí)，氣體由儲氣罐１經(jīng)過(guò)過(guò)濾器７過(guò)濾后，一路依次通過(guò)機械閥８、二位三通氣動(dòng)換向閥９進(jìn)入氣啟動(dòng)馬達11的齒輪預嚙合進(jìn)氣口；另一路通過(guò)主啟動(dòng)閥10進(jìn)入氣啟動(dòng)馬達11的進(jìn)氣口，氣啟動(dòng)馬達11的齒輪預嚙合出氣口排出的氣體用于控制主啟動(dòng)閥10。當氣啟動(dòng)馬達11內部氣壓達到一定時(shí)，通過(guò)齒輪驅動(dòng)柴油機12的飛輪轉動(dòng)，飛輪帶動(dòng)液壓泵13工作，產(chǎn)生機油壓力，并傳遞給單向節流閥，由這個(gè)閥的流速大小作為信號在柴油機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(guò)單向節流閥14調節二位三通氣動(dòng)換向閥９的響應時(shí)間，使該響應時(shí)間與氣啟動(dòng)馬達11的小齒輪脫離發(fā)動(dòng)機飛輪時(shí)間相匹配。此外空氣壓縮泵５達到一定壓力后，將多余的空氣經(jīng)單向閥３重新傳到儲氣罐１，供下次工作時(shí)使用。在整個(gè)工作過(guò)程中，控制氣路自動(dòng)控制，無(wú)需人工操作，極大提高了工作效率，同時(shí)響應時(shí)間也極大縮短，達到了保護馬達與柴油機的目的。

4仿真及分析

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

根據工況及實(shí)際調試，配置主要參數如表１所示，設置仿真結束時(shí)間為８s，通信間隔時(shí)間為0.05ｓ。從圖５中可以看出，通過(guò)單向節流閥就可以控制整個(gè)系統核心部位。而在實(shí)際生產(chǎn)中，就是通過(guò)不斷調節控制單向節流閥的流速，對氣路進(jìn)行控制。

在上述參數條件下，通過(guò)設置柴油機的轉速，觀(guān)察單向節流閥的流速情況，流速如圖７所示，啟動(dòng)柴油機后，節流閥的流速均迅速上升，達到峰值后迅速下降。當柴油機的轉速由大變小時(shí)，單向節流閥的流速峰值隨之變小。故當柴油機轉速在300r/min以?xún)葧r(shí)，通過(guò)控制節流閥的流速大小對整個(gè)氣路進(jìn)行控制，并將該信號傳遞給二位三通氣動(dòng)換向閥，該閥收到信號后立即切斷控制氣路，同時(shí)主啟動(dòng)閥關(guān)閉，達到保護柴油機齒圈和馬達小齒輪的目的

5安科瑞智能電動(dòng)機保護器介紹

5.1產(chǎn)品介紹

智能電動(dòng)機保護器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)保護器)，采用單片機技術(shù)，具有抗干擾能力強、工作穩定可靠、數字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化等特點(diǎn)。保護器能對電動(dòng)機運行過(guò)程中出現的過(guò)載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等多種情況進(jìn)行保護，并設有SOE故障事件記錄功能，方便現場(chǎng)維護人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領(lǐng)域。本保護器具有RS485遠程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網(wǎng)絡(luò )系統。實(shí)現電動(dòng)機運行的遠程監控。

5.2技術(shù)參數

5.2.1數字式電動(dòng)機保護器

6結束語(yǔ)

文中的馬達較大程度改變了現有氣啟動(dòng)馬達的結構，能適應普通柴油機、卡車(chē)、公交、大巴等燃油發(fā)動(dòng)機氣啟動(dòng)馬達配置和安裝要求。在齒輪推進(jìn)裝置方面提出了新的結構方案，改善了小齒輪和飛輪齒圈撞擊及重復碰撞問(wèn)題，而且發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)后轉速達到300r/min以?xún)葧r(shí)，柴油機的飛輪驅動(dòng)液壓泵產(chǎn)生了機油壓力，并傳遞給單向節流閥，此時(shí)該閥的流速大小作為控制信號，傳遞給氣啟動(dòng)馬達控制氣路并即時(shí)切斷，使馬達小齒輪與飛輪齒圈即時(shí)自動(dòng)脫離，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機工作時(shí)氣動(dòng)啟動(dòng)系統也禁止工作。通過(guò)機械結構和氣壓自動(dòng)控制氣路兩個(gè)方面，使氣啟動(dòng)馬達和發(fā)動(dòng)機的飛輪齒圈得到真正保護，具體體現以下幾點(diǎn)：

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

（２）減少了發(fā)動(dòng)機的故障率，降低了用戶(hù)維修費用。

（３）提高了氣啟動(dòng)馬達使用效率，降低了耗氣量。

（４）縮短了馬達保護響應時(shí)間。

因此該馬達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碰撞問(wèn)題。目前，該新型馬達已投入實(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，同時(shí)為同行業(yè)的類(lèi)似產(chǎn)品開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新開(kāi)端，具有一定應用價(jià)值。

參考文獻

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