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以內(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,以及滿足柴油車輛、工程車輛等頻繁啟動(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(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(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(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以內(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、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(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。
參考文獻(xiàn)
[1] 馬旗,李元新,趙培山,等.電啟動(dòng)馬達(dá)的選型及應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2008(6):37-40.
[2] 李剛,孫江宏,于傳新.一種新型氣啟動(dòng)馬達(dá)的保護(hù)控制裝置
[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
電話
微信掃一掃