淺談一種新型氣啟動馬達的保護控制裝置

李婧婧

安科瑞電氣股份有限公司 

摘要：根據復速級沖擊渦輪式氣啟動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)動機的飛輪齒圈和馬達的小齒輪撞擊及重復碰撞問題，另一方面解決了發(fā)動機啟動后轉速300r/min以內就立即切斷氣啟動馬達控制氣路問題，使氣啟動馬達的小齒輪和發(fā)動機的飛輪齒圈分離，同時在發(fā)動機工作時氣動啟動系統也禁止工作，達到真正保護發(fā)動機目的。介紹該保護控制裝置結構原理圖，詳細描述其工作流程，并對該保護系統進行了仿真分析，通過控制單向節(jié)流閥的流速，實現了對二位三通氣動換向閥的控制。簡述了它在實際應用中的特點。該新型氣啟動馬達的保護控制裝置為同行業(yè)類似產品開發(fā)提供了參考。

關鍵詞：氣啟動馬達；保護控制裝置；渦輪式

0前言

啟動馬達是燃油發(fā)動機配置的關鍵部件之一，它通常分為電啟動馬達、氣啟動馬達、液壓啟動馬達和彈簧啟動馬達。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、防燃、防爆、高負載場合等需求，氣啟動馬達在車用發(fā)動機的啟動系統中廣泛應用，并配置車載空壓泵和儲氣罐為氣啟動馬達提供氣源動力。氣啟動馬達按照工作原理分為靜力式（容積式）和動力式（蝸輪式）：靜力式氣啟動馬達輸出的速度有限，啟動性能不良；而動力式氣啟動馬達可以達到很高的輸出轉速，啟動性能良好，可以滿足更大功率柴油機的啟動要求。正是由于動力式氣啟動馬達具有排量大、系統可靠、簡單實用及相對獨立等優(yōu)點，被國內柴油機、馬達、發(fā)動機等廠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。在實際工作過程中，發(fā)動機啟動發(fā)火（150r/min）后，系統不能在轉速達到300r/min以內使氣啟動馬達的小齒輪與發(fā)動機的飛輪齒圈迅速脫離，就會對氣啟動馬達和發(fā)動機造成損害。由于空氣壓縮泵運轉后建立壓力較慢，發(fā)動機點火啟動，達到怠速（800r/min）甚至更高的轉速后，空氣壓縮泵才能產生足夠的氣壓來切斷氣啟動馬達控制氣路，這時氣啟動馬達的小齒輪與發(fā)動機的飛輪齒圈已經發(fā)生了磨損。有些人習慣邊啟動邊加油門，這樣一旦發(fā)動機點火后，轉速會馬上升到1000r/min，同樣導致馬達和發(fā)動機損壞。由于一臺進口氣啟動馬達價格昂貴，而發(fā)動機飛輪齒圈的生產周期也比較長，因此一旦馬達受損或飛輪齒圈無法滿足運轉要求時，將會給企業(yè)帶來一定的經濟損失并影響日常生產工作。

目前市場上氣啟動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，有些問題仍然沒有解決，如馬達齒輪與發(fā)動機飛輪撞擊及重復碰撞問題。氣路保護方式安全可靠，可以極大地避免馬達齒輪與發(fā)動機飛輪齒圈在高速運轉過程中發(fā)生碰撞。介紹了目前市場上比較流行的保護方式就是通過氣路的控制，切斷啟動開關和氣啟動馬達之間的連接氣路，對柴油機和馬達進行安全有效的保護；但在工作過程中，仍需要人為操作，導致工作效率比較低。通過液控換向閥、氣控換向閥、延時閥等轉向，切

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

達，但保護響應時間比較長，馬達仍受到了一定磨損。

針對上述問題，本文作者基于一種復速級沖擊渦輪式氣啟動馬達，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行保護設計。其中在機械結構方面解決了發(fā)動機飛輪齒圈和馬達小齒輪撞擊及重復碰撞問題；氣路方面解決了發(fā)動機飛輪齒圈和馬達小齒輪即時脫離問題，使馬達和發(fā)動機得到真正保護。

1氣啟動馬達總體結構

該馬達主要由動力總成、減速總成、傳動總成等連接構成，其中動力總成包括一、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能；然后，沿噴嘴出口方向噴出的高速氣流沖擊動葉輪；接著，通過氣流推動動葉輪旋轉做功，并通過輸出軸向外輸出機械功；輸出小齒輪與發(fā)動機飛輪齒圈嚙合。

2保護控制裝置原理

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

為保護發(fā)動機和啟動馬達，在發(fā)動機非啟動狀態(tài)下，啟動馬達的小齒輪需要脫離發(fā)動機的飛輪齒圈，并與之保持一定距離（稱為FRG尺寸，通常為5.5ｍｍ）。為使發(fā)動機的飛輪齒圈和氣啟動馬達的小齒輪即時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：壓縮空氣經進氣口７推動氣缸內的活塞13作軸向運動，由于氣缸內壁設有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行程內的推進既有力又緩慢，“頂齒"時不會產生撞擊，同時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FRG行程后快速推進，完成嚙合；當氣缸內壓縮空氣卸壓時，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)動機的飛輪齒圈和馬達的小齒輪撞擊及重復碰撞問題。

氣壓控制氣路原理如圖４所示，當壓縮空氣進入氣控換向閥12控制氣路，并通過壓力作用切斷啟動開關13與啟動閥10、氣啟動馬達11之間的氣路連接，此時啟動開關13失去作用，即使按下啟動開關13也不能使氣啟動馬達11工作，只有操作人員按下停機開關14后，再次按啟動開關13，氣啟動馬達11才工作。首先從圖中可以看出，此控制氣路分支和連接點比較多，其次在工作過程中需要人為進行操作，這就導致馬達使用時容易受限，工作效率嚴重降低，在應用中起不到實際效果。

在此原理基礎上，本文作者對控制氣路進行了改進，原理如圖５所示

該控制氣路分支和連接點明顯減少，保護響應時間降低，同時整個過程中不需要人為進行操作，極大提高了工作效率。整個控制氣路分兩路：一路依次通過機械閥８、二位三通氣動換向閥９連接氣啟動馬達11的齒輪預嚙合進氣口；另一路通過主啟動閥10與氣啟動馬達11的進氣口連接，氣啟動馬達11的齒輪預嚙合出氣口通過管路與主啟動閥10的控制口連接，柴油機12的飛輪通過傳動機構與液壓泵13的動力輸入端連接，液壓泵13的進液口與油箱連接，液壓泵13的出液口通過管路及單向節(jié)流閥14與二位三通氣動換向閥９的控制口連接。此外，空氣壓縮泵５的動力輸入端通過傳動機構與柴油機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的進氣口連接，而單向閥３的出氣口通過管路與儲氣罐１的進氣口連接，為確保儲氣罐１安全，在儲氣罐１上設置安全閥２。由于需要實時監(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保護控制裝置工作流程

所設計的氣啟動馬達當柴油機12轉速達到300r/min以內就立即切斷啟動馬達控制氣路，使氣啟動馬達11的小齒輪與發(fā)動機12的飛輪齒圈迅速脫離，從而保護馬達和柴油機12的飛輪。整個保護裝置在工作時，氣體由儲氣罐１經過過濾器７過濾后，一路依次通過機械閥８、二位三通氣動換向閥９進入氣啟動馬達11的齒輪預嚙合進氣口；另一路通過主啟動閥10進入氣啟動馬達11的進氣口，氣啟動馬達11的齒輪預嚙合出氣口排出的氣體用于控制主啟動閥10。當氣啟動馬達11內部氣壓達到一定時，通過齒輪驅動柴油機12的飛輪轉動，飛輪帶動液壓泵13工作，產生機油壓力，并傳遞給單向節(jié)流閥，由這個閥的流速大小作為信號在柴油機12啟動后快速控制二位三通氣動換向閥９切斷控制氣路，同時主啟動閥10關閉。通過單向節(jié)流閥14調節(jié)二位三通氣動換向閥９的響應時間，使該響應時間與氣啟動馬達11的小齒輪脫離發(fā)動機飛輪時間相匹配。此外空氣壓縮泵５達到一定壓力后，將多余的空氣經單向閥３重新傳到儲氣罐１，供下次工作時使用。在整個工作過程中，控制氣路*自動控制，無需人工操作，極大提高了工作效率，同時響應時間也極大縮短，達到了保護馬達與柴油機的目的。

4仿真及分析

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

根據工況及實際調試，配置主要參數如表１所示，設置仿真結束時間為８s，通信間隔時間為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系統核心部位。而在實際生產中，就是通過不斷調節(jié)控制單向節(jié)流閥的流速，對氣路進行控制。

在上述參數條件下，通過設置柴油機的轉速，觀察單向節(jié)流閥的流速情況，流速如圖７所示，啟動柴油機后，節(jié)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，單向節(jié)流閥的流速峰值隨之變小。故當柴油機轉速在300r/min以內時，通過控制節(jié)流閥的流速大小對整個氣路進行控制，并將該信號傳遞給二位三通氣動換向閥，該閥收到信號后立即切斷控制氣路，同時主啟動閥關閉，達到保護柴油機齒圈和馬達小齒輪的目的

5安科瑞智能電動機保護器介紹

5.1產品介紹

智能電動機保護器(以下簡稱保護器)，采用單片機技術，具有抗干擾能力強、工作穩(wěn)定可靠、數字化、智能化、網絡化等特點。保護器能對電動機運行過程中出現的過載、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行保護，并設有SOE故障事件記錄功能，方便現場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等控制機組成網絡系統。實現電動機運行的遠程監(jiān)控。

5.2技術參數

5.2.1數字式電動機保護器

6結束語

文中的馬達較大程度改變了現有氣啟動馬達的結構，能適應普通柴油機、卡車、公交、大巴等燃油發(fā)動機氣啟動馬達配置和安裝要求。在齒輪推進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題，而且發(fā)動機啟動后轉速達到300r/min以內時，柴油機的飛輪驅動液壓泵產生了機油壓力，并傳遞給單向節(jié)流閥，此時該閥的流速大小作為控制信號，傳遞給氣啟動馬達控制氣路并即時切斷，使馬達小齒輪與飛輪齒圈即時自動脫離，同時在發(fā)動機工作時氣動啟動系統也禁止工作。通過機械結構和氣壓自動控制氣路兩個方面，使氣啟動馬達和發(fā)動機的飛輪齒圈得到真正保護，具體體現以下幾點：

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

（２）減少了發(fā)動機的故障率，降低了用戶維修費用。

（３）提高了氣啟動馬達使用效率，降低了耗氣量。

（４）縮短了馬達保護響應時間。

因此該馬達解決了小齒輪和飛輪齒圈即時自動脫離和避免撞擊及重復碰撞問題。目前，該新型馬達已投入實際生產，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，同時為同行業(yè)的類似產品開發(fā)開辟了新開端，具有一定應用價值。

參考文獻

[1] 馬旗，李元新，趙培山，等．電啟動馬達的選型及應用［Ｊ］．內燃機與動力裝置，2008（６）：37－40．

[2] 李剛，孫江宏，于傳新.一種新型氣啟動馬達的保護控制裝置

[3] 安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.06版

作者簡介：李婧婧，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電