侯文莉
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
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(wèn)題，另一方面解決了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速300r/min以?xún)?nèi)就立即切斷氣啟動(dòng)馬達(dá)控制氣路問(wèn)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(guò)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(jiǎn)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(lèi)似產(chǎn)品開(kāi)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?jiǎn)?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(chē)輛,、工程車(chē)輛等頻繁啟動(dòng)、防燃,、防爆,、高負(fù)載場(chǎng)合等需求，氣啟動(dòng)馬達(dá)在車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,，并配置車(chē)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(jiǎn)單實(shí)用及相對(duì)獨(dú)立等優(yōu)點(diǎn),，被國(guó)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(guò)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?xún)?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(lái)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(mén),，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(zhǎng),，因此一旦馬達(dá)受損或飛輪齒圈無(wú)法滿足運(yùn)轉(zhuǎn)要求時(shí),，將會(huì)給企業(yè)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)損失并影響日常生產(chǎn)工作。
目前市場(chǎng)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(wèn)題仍然沒(méi)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(wèn)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(guò)程中發(fā)生碰撞,。介紹了目前市場(chǎng)上比較流行的保護(hù)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(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(guò)程中,，仍需要人為操作，導(dǎo)致工作效率比較低,。通過(guò)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(kāi),，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(zhǎng)，馬達(dá)仍受到了一定磨損,。
針對(duì)上述問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(guò)氣流推動(dòng)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)做功,，并通過(guò)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(guò)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(chēng)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(guò)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(guò)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(wèn)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(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(dá)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(dá)11工作，只有操作人員按下停機(jī)開(kāi)關(guān)14后,，再次按啟動(dòng)開(kāi)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(guò)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(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(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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(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(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(cè)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?xún)?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(guò)過(guò)濾器７過(guò)濾后,，一路依次通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(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(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(guò)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(guò)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(guò)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?xún)?nèi)時(shí)，通過(guò)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(jiǎn)稱(chēng)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(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)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(chǎng)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(yǔ)
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(chē),、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(wèn)題,，而且發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速達(dá)到300r/min以?xún)?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(guò)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(zhǎng)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(wèn)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(lèi)似產(chǎn)品開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新開(kāi)端,，具有一定應(yīng)用價(jià)值。
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作者簡(jiǎn)介：侯文莉,，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,，
