方健康

(昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司，云南昆明 650215)

隨著我國大型養(yǎng)路機(jī)械的快速發(fā)展，大噸位、多動作與多功能的大型養(yǎng)路機(jī)械要求使用更大功率的柴油機(jī)。而這些大功率的柴油機(jī)在啟動時(shí)由于需要更大的啟動力矩及持續(xù)動能，因此更多地采用了壓縮空氣啟動(氣壓啟動)。氣壓啟動是將壓縮空氣的能量通過氣馬達(dá)轉(zhuǎn)換成連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而帶動發(fā)動機(jī)的飛輪旋轉(zhuǎn)，使發(fā)動機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)啟動的一種方式。這種啟動方式與常見的電啟動相比，具有防爆性好(適用于惡劣的工作環(huán)境，在易燃、高溫、振動、潮濕、粉塵等不利條件下都能正常工作)、有過載保護(hù)作用(不會因過載而發(fā)生燒毀)、相同啟動力矩體積小等優(yōu)點(diǎn)。

1 氣壓啟動系統(tǒng)原理及組成

下面以一大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動機(jī)氣壓啟動系統(tǒng)為例對該系統(tǒng)的原理及組成進(jìn)行介紹。如圖1所示，該系統(tǒng)主要由空壓機(jī)產(chǎn)生一定壓力范圍的壓縮空氣，貯存在隨后的貯風(fēng)缸里，分別提供給發(fā)動機(jī)啟動氣路及大型養(yǎng)路機(jī)械的氣動及空氣制動系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)啟動氣路又分為主氣路和控制氣路。主氣路經(jīng)主進(jìn)氣管通過潤滑油杯、啟動氣閥后與氣馬達(dá)連接，用于驅(qū)動氣馬達(dá)轉(zhuǎn)動;控制氣路主要由遠(yuǎn)程啟動控制電磁閥組成，用于控制啟動氣閥的通斷。整個啟動氣路結(jié)構(gòu)簡單，需要注意的是貯氣罐和氣馬達(dá)之間的供氣管路應(yīng)盡量短，管徑應(yīng)等于貯氣罐的出口尺寸，供氣管最好使用鋼管并采用適當(dāng)支撐固定。

圖1 氣壓啟動系統(tǒng)原理與組成

2 氣馬達(dá)及其選取

氣馬達(dá)按結(jié)構(gòu)形式分為葉片式、活塞式和齒輪式三類。在柴油機(jī)的氣壓啟動中，目前運(yùn)用較為廣泛的是葉片式氣馬達(dá)。葉片式氣馬達(dá)的基本特性曲線如圖2所示。

圖2 葉片式氣馬達(dá)特性曲線

葉片式氣馬達(dá)具有軟特性。當(dāng)外負(fù)載為0(即空轉(zhuǎn))時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)最大值nmax，氣馬達(dá)輸出功率為0。當(dāng)外負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于氣馬達(dá)最大轉(zhuǎn)矩Mmax時(shí)，氣馬達(dá)停轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為0，此時(shí)輸出功率也為0。只有當(dāng)外負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于氣馬達(dá)最大轉(zhuǎn)矩的1/2時(shí)，其轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)速的1/2，此時(shí)氣馬達(dá)輸出功率達(dá)到最大值Pmax。這是選取氣馬達(dá)時(shí)所要求的氣馬達(dá)額定功率。

柴油機(jī)啟動時(shí)，具有一個啟動阻力矩M及要求的最低啟動轉(zhuǎn)速n，由此可知，選取氣馬達(dá)的最小功率P=Mn/9 540。另外，由圖2可知，隨著氣馬達(dá)轉(zhuǎn)速的增加，輸出扭矩呈線性減小。這與發(fā)動機(jī)在啟動后隨轉(zhuǎn)速的增加所需啟動轉(zhuǎn)矩也減小的特性是相吻合的，說明氣馬達(dá)啟動方式適合柴油機(jī)的啟動。

3 空壓機(jī)及貯氣罐的選擇

空壓機(jī)的選型主要取決于啟動氣馬達(dá)時(shí)消耗掉的空氣量。表1列出某型發(fā)動機(jī)空氣啟動系統(tǒng)的參數(shù)。該系統(tǒng)需要的最小空氣貯氣罐壓力是指用來維持發(fā)動機(jī)要求的最低啟動轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)最低壓力，為344 kPa。

表1 發(fā)動機(jī)啟動參數(shù)(環(huán)境溫度10℃)

根據(jù)表1，首先計(jì)算啟動時(shí)氣馬達(dá)所消耗的空氣量，即貯氣罐所需要的容量，采用下面公式

式中:Vs為啟動馬達(dá)空氣消耗量，m3/s;Vt為貯氣罐容量，m3;T為啟動時(shí)間，s，根據(jù)裝機(jī)試驗(yàn)的情況統(tǒng)計(jì)，發(fā)動機(jī)啟動的時(shí)間通常在2～7 s，計(jì)算時(shí)取6 s;Pt為貯氣罐壓力，kPa，為使氣馬達(dá)具有更高的功率，同時(shí)考慮大型養(yǎng)路機(jī)械氣源系統(tǒng)的要求，取該值為862 kPa;Pm為連續(xù)啟動時(shí)罐壓力，取620 kPa。一次啟動時(shí)，該值選用表1中給出的最小罐壓力值。由于大型養(yǎng)路機(jī)械屬于鐵路移動式工程機(jī)械，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、布置緊湊，沒有更多的空間布置較多的貯氣罐，所以按一次啟動來取值。

初步計(jì)算，用于氣馬達(dá)啟動的最小貯氣罐的容量Vt=101×0.32×6/(862－344)=0.374 m3，選定值為0.4 m3。因貯氣罐體積太大不方便在大型養(yǎng)路機(jī)械上布置，所以選取了2個相同的200 L的氣罐作為啟動貯氣罐。

考慮到大型養(yǎng)路機(jī)械在使用中兩次連續(xù)啟動的時(shí)間間隔不允許過長，所以有必要估算空壓機(jī)使貯氣罐內(nèi)的氣壓上升至一定壓力時(shí)所需的時(shí)間，公式如下

式中:T為時(shí)間，min;R為貯氣罐容積，m3;Pt為貯氣罐的最終壓力，kPa;Pa為大氣壓力，kPa;N為空壓機(jī)實(shí)際壓縮的空氣量，m3/min。

初次啟動時(shí)，選擇空壓機(jī)壓縮的空氣量為2 m3/min，由此得壓力由0升至862 kPa的時(shí)間T1=862×(0.4+0.4)/(100×2)=3.448 min，也就是說在第一次啟動前需要等待約3.5 min的充氣時(shí)間。

第二次啟動時(shí)，由于另兩個用于空氣制動系統(tǒng)的200 L風(fēng)缸設(shè)計(jì)有單向閥，壓力不受影響，所以第二次啟動間隔時(shí)間即需要充風(fēng)時(shí)間T2=862×0.4/(100×2)=1.724 min，即連續(xù)啟動時(shí)需要間隔約2 min的時(shí)間。這在大型養(yǎng)路機(jī)械的設(shè)計(jì)中是可以接受的。

經(jīng)過比較，在該大型養(yǎng)路機(jī)械發(fā)動機(jī)氣壓啟動系統(tǒng)中選用實(shí)際壓縮空氣量為2 m3/min的空壓機(jī)，啟動貯氣罐的總?cè)萘繛?.4 m3，可滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

通過對大型養(yǎng)路機(jī)械用大功率柴油機(jī)氣壓啟動系統(tǒng)的分析，并通過實(shí)際車型的驗(yàn)證試驗(yàn)，掌握了氣馬達(dá)的工作特性，匹配了合理的空壓機(jī)及貯氣罐，使整套系統(tǒng)正常工作。氣壓啟動系統(tǒng)的研究可用于解決高原大型養(yǎng)路機(jī)械部分機(jī)型啟動困難的問題，使鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械得到更好的運(yùn)用。

[1]朱臣元.空氣馬達(dá)起動在6L25/32柴油機(jī)上的應(yīng)用[J].柴油機(jī)，1993(3):32-34.

[2]陸鑫盛，周洪.氣動自動化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2000.

[3]徐炳輝.氣動手冊[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

[4]袁任光，林由娟.柴油機(jī)選用與故障排除[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[5]楊琳.邏輯控制模塊在大型養(yǎng)路機(jī)械中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2009(1):67-70.

[6]楊曙東，何存興.液壓傳動與氣壓傳動[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2008.