630E卡車(chē)啟動(dòng)特性分析及保護(hù)裝置改造

付 波

（神華準(zhǔn)能設(shè)備維修中心 內(nèi)蒙古鄂爾多斯）

一、前言

啟動(dòng)馬達(dá)和蓄電池是630E卡車(chē)的重要部件，對(duì)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并使其運(yùn)轉(zhuǎn)有著重要的作用。由于630E卡車(chē)啟動(dòng)馬達(dá)和蓄電池使用效率高，啟動(dòng)頻繁還有冬季的低溫啟動(dòng)加之發(fā)動(dòng)機(jī)的油路故障和操作人員的誤操作從而使馬達(dá)損壞頻繁。為降低成本和維修人員的工作量，設(shè)計(jì)加裝一套啟動(dòng)馬達(dá)保護(hù)裝置。啟動(dòng)系統(tǒng)主要由啟動(dòng)馬達(dá)、啟動(dòng)繼電器、油壓開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)、蓄電池和連接線(xiàn)路組成。為此，論述啟動(dòng)馬達(dá)的啟動(dòng)條件、啟動(dòng)方式、啟動(dòng)機(jī)組成、啟動(dòng)特性、工作原理、蓄電池的作用和組成以及加裝的保護(hù)裝置，通過(guò)在車(chē)上的安裝測(cè)試，驗(yàn)證了裝置的可行性及可靠性。

二、啟動(dòng)條件

啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：能夠維持曲軸旋轉(zhuǎn)的最低轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩一定要克服發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮阻力和內(nèi)磨擦阻力矩。啟動(dòng)阻力矩與發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比、溫度、等有關(guān)。其中啟動(dòng)阻力矩包括摩擦阻力矩、壓縮阻力矩、慣性阻力矩。

啟動(dòng)轉(zhuǎn)速：能保證發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的曲軸最低轉(zhuǎn)速稱(chēng)為啟動(dòng)轉(zhuǎn)速。啟動(dòng)機(jī)傳給發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要大于發(fā)動(dòng)機(jī)的最低轉(zhuǎn)速，在0～25℃時(shí)，汽油機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為25～35 r/min，柴油機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為 145～300 r/min。

三、啟動(dòng)方式

1.人力啟動(dòng)

最簡(jiǎn)單的啟動(dòng)，只須將手搖柄端頭的橫銷(xiāo)嵌入發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸前端的啟動(dòng)爪內(nèi)，以人力轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且不安全。

2.電機(jī)啟動(dòng)

電機(jī)啟動(dòng)是用電機(jī)作為機(jī)械動(dòng)力源，將電機(jī)軸上的齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪周邊上的齒圈嚙合時(shí)，動(dòng)力就會(huì)傳到飛輪和曲軸，使之旋轉(zhuǎn)。電機(jī)的電源來(lái)自蓄電池。電機(jī)啟動(dòng)具有啟動(dòng)迅速可靠、易操作、重復(fù)啟動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)。目前絕大多數(shù)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)都采用電機(jī)啟動(dòng)。

3.組成

一般由直流串勵(lì)式電機(jī)、操縱機(jī)構(gòu)和離合機(jī)構(gòu)組成。

（1）直流串勵(lì)式電機(jī)。直流電機(jī)是啟動(dòng)的動(dòng)力源，直流電機(jī)就是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。直流串勵(lì)式電機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速低時(shí)轉(zhuǎn)矩很大，P=NT，隨轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩降低，功率等于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的乘積，功率一定時(shí)轉(zhuǎn)速升高則轉(zhuǎn)矩就會(huì)降低，這一特征非常適合發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的要求。

（2）操縱機(jī)構(gòu)。直接操縱，由駕駛員利用腳踏或手拉通過(guò)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)直接操縱啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，導(dǎo)通或斷開(kāi)啟動(dòng)電流，并使傳動(dòng)齒輪副進(jìn)入嚙合。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠、但操作不便，且當(dāng)駕駛員座位距啟動(dòng)機(jī)較遠(yuǎn)時(shí)難以布控，目前很少使用。

電磁操縱，由駕駛員通過(guò)鑰匙開(kāi)關(guān)操縱啟動(dòng)繼電器，并由繼電器操縱啟動(dòng)機(jī)電磁開(kāi)關(guān)和齒輪副嚙合或通過(guò)鑰匙開(kāi)關(guān)直接操縱啟動(dòng)機(jī)電磁開(kāi)關(guān)和齒輪副嚙合。布置靈活、使用方便、省力、適宜于遠(yuǎn)距離操縱，被廣泛采用。目前大多數(shù)汽柴油機(jī)均采用電磁操縱式啟動(dòng)機(jī)。隨著材料和技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了永磁啟動(dòng)機(jī)和減速啟動(dòng)機(jī)等新型啟動(dòng)機(jī)。

（3）離合機(jī)構(gòu)。啟動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪應(yīng)該只在啟動(dòng)時(shí)才與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈相聯(lián)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作之后，啟動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪應(yīng)立即與飛輪齒圈分離。否則，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，將使啟動(dòng)機(jī)嚴(yán)重超速，產(chǎn)生很大的離心力，而使啟動(dòng)機(jī)損壞（啟動(dòng)機(jī)電樞繞組松弛，甚至飛散）。因此，啟動(dòng)機(jī)中裝有離合機(jī)構(gòu)。在啟動(dòng)時(shí)，它保證啟動(dòng)機(jī)的動(dòng)力能夠順利通過(guò)飛輪傳遞給曲軸；啟動(dòng)完畢后，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，隨即切斷動(dòng)力傳遞路線(xiàn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)不能通過(guò)飛輪驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)機(jī)以高速旋轉(zhuǎn)，從而保證啟動(dòng)機(jī)不會(huì)被發(fā)動(dòng)機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)而損壞。

4.啟動(dòng)過(guò)程

電樞移動(dòng)式啟動(dòng)機(jī)，廣泛用在大功率柴油車(chē)上。啟動(dòng)時(shí)，按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)機(jī)電路通電，繼電器的吸引線(xiàn)圈和保持線(xiàn)圈通電且磁場(chǎng)方向相同，活動(dòng)鐵芯克服彈簧阻力產(chǎn)生很強(qiáng)的磁力，吸引電樞向后移動(dòng)，使啟動(dòng)機(jī)齒輪移出與飛輪齒圈嚙合。與此同時(shí)，由于吸引線(xiàn)圈的電流通過(guò)電動(dòng)機(jī)的繞組，電樞開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪在旋轉(zhuǎn)中移出，減小沖擊。

如果齒輪與飛輪齒端相對(duì)，不能馬上嚙合，此時(shí)彈簧壓縮，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度后，齒輪與飛輪迅速?lài)Ш?。此時(shí)摩擦片離合器壓縮并傳遞扭矩。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速增大摩擦片離合器被旋松，曲軸轉(zhuǎn)矩便不傳到電樞上，啟動(dòng)機(jī)處于空載狀態(tài)。直到松開(kāi)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，電樞又移回原位，驅(qū)動(dòng)齒輪與飛輪脫開(kāi)，啟動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

四、啟動(dòng)機(jī)的工作特性

1.轉(zhuǎn)矩特性（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大）

直流串勵(lì)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩M，M取決于磁通Φ、電樞電流Ia的乘積M=CmΦIa，重載轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩大的特性可保證啟動(dòng)安全可靠。

2.轉(zhuǎn)速特性（輕載轉(zhuǎn)速高重載轉(zhuǎn)速低）

輕載和空載時(shí)的轉(zhuǎn)速很高，易造成“飛車(chē)”事故，功率大時(shí)采用復(fù)勵(lì)，串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)不可在輕載或空載下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

3.功率特性

P=M×n/9550，啟動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率與電流的關(guān)系稱(chēng)為啟動(dòng)機(jī)的特性曲線(xiàn)：?jiǎn)?dòng)特性有3種狀態(tài)分別為：制動(dòng)、空轉(zhuǎn)、1/2電流時(shí)，特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 特性曲線(xiàn)圖

4.影響啟動(dòng)機(jī)工作特性的使用因素

影響啟動(dòng)機(jī)工作特性的使用因素有很多，主要有啟動(dòng)電路的電阻、蓄電池的容量和充電情況、環(huán)境溫度等因素。

（1）電阻。啟動(dòng)電路的電阻影響啟動(dòng)機(jī)內(nèi)部電阻、啟動(dòng)線(xiàn)路電阻。

（2）蓄電池的容量和充電情況。容量大，充電充足；內(nèi)阻小，供給啟動(dòng)機(jī)電流大，啟動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、制動(dòng)力矩都大。

（3）環(huán)境溫度。環(huán)境溫度低時(shí)，機(jī)油黏度高啟動(dòng)性能不好。

五、蓄電池的作用、組成和工作原理

1.蓄電池的作用

蓄電池也是啟動(dòng)系統(tǒng)重要的組成部件，蓄電池和發(fā)電機(jī)共同為用電設(shè)備供電，給啟動(dòng)機(jī)提供強(qiáng)大的啟動(dòng)電流，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)輔助發(fā)電機(jī)向用電設(shè)備和勵(lì)磁繞組供電，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)或發(fā)電機(jī)不發(fā)電時(shí)向電氣系統(tǒng)和用電設(shè)備供電，發(fā)電機(jī)過(guò)載時(shí)向用電設(shè)備供電，蓄電池相當(dāng)于是一個(gè)大電容，不僅能夠保持電氣系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，還能吸收電路中出現(xiàn)的瞬時(shí)過(guò)電壓，保護(hù)電子元件不被損壞。

2.組成

主要有極板、隔板、電解液、外殼、聯(lián)條、極樁等。

3.工作原理

蓄電池內(nèi)的陽(yáng)極為二氧化鉛陰極為海綿狀純鉛浸到電解液中會(huì)產(chǎn)生2 V的電動(dòng)勢(shì)，充放電過(guò)程為：放電時(shí)，稀硫酸會(huì)與極板上的活性物質(zhì)海綿狀純鉛和二氧化鉛產(chǎn)生反應(yīng)形成硫酸鉛和氫二氧，放電越久硫酸濃度越稀。充電時(shí)，極板上的硫酸鉛會(huì)在充電時(shí)還原成硫酸，鉛及氧化鉛，電解液濃度會(huì)逐漸增加，電解液比重升高，并恢復(fù)到放電前的濃度，當(dāng)兩極的硫酸鉛還原為活性物質(zhì)時(shí)，即充電結(jié)束。

六、保護(hù)裝置的改造方案及作用

在啟動(dòng)繼電器之前加裝保護(hù)繼電器（圖2），此保護(hù)繼電器的作用是柴油機(jī)連續(xù)啟動(dòng)時(shí)為了保護(hù)啟動(dòng)馬達(dá)和蓄電池使用壽命，連續(xù)啟動(dòng)間隔時(shí)間應(yīng)為30 s，單次啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)20 s。

圖2 安裝保護(hù)繼電器

繼電保護(hù)器電源輸入為24 V分別為9、10號(hào)端口，1、5端口閉合時(shí)間設(shè)置為20 s，4號(hào)端口接控制線(xiàn)，1、3端口閉合時(shí)間設(shè)置為30 s，2號(hào)端口接控制線(xiàn)，6、8為信號(hào)端口。單次啟動(dòng)時(shí)間為20 s，連續(xù)啟動(dòng)時(shí)間間隔為30 s，分別給6、8端口信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)。電子定時(shí)器具有定時(shí)準(zhǔn)確、定時(shí)范圍寬、輕觸鍵盤(pán)操作、多種定時(shí)工作模式、停電預(yù)置數(shù)據(jù)保存永久、數(shù)字顯示、抗干擾性能強(qiáng)、外形美觀等特點(diǎn)。

當(dāng)操作人員連續(xù)啟動(dòng)柴油機(jī)時(shí)，保護(hù)繼電器作用將間隔30 s后使電源線(xiàn)和控制線(xiàn)導(dǎo)通啟動(dòng)馬達(dá)工作，進(jìn)而保護(hù)馬達(dá)線(xiàn)圈長(zhǎng)時(shí)間通電發(fā)熱而燒損和主觸點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間通電后產(chǎn)生碳化而接觸不良同時(shí)也保護(hù)了繼電器觸點(diǎn)，也使蓄電池在大電流放電后能有時(shí)間還原儲(chǔ)存電能準(zhǔn)備下次啟動(dòng)進(jìn)而也保護(hù)了蓄電池。當(dāng)駕駛員啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，如果遇到發(fā)動(dòng)機(jī)油路或其他故障導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難時(shí)且需要馬達(dá)長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)保護(hù)繼電器將會(huì)使啟動(dòng)馬達(dá)在規(guī)定的時(shí)間20 s內(nèi)動(dòng)作，超出這一時(shí)間將會(huì)立即停止啟動(dòng)。當(dāng)啟動(dòng)困難時(shí)也有一些檢修工或駕駛員為了啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，誤操作現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，一次接著一次不停的啟動(dòng)，根本不顧及啟動(dòng)機(jī)大電流長(zhǎng)時(shí)間工作對(duì)蓄電池的使用壽命影響。因此在加裝保護(hù)繼電器的作用下啟動(dòng)間隔時(shí)間定為30 s這樣也能為蓄電池準(zhǔn)備充足的電能為實(shí)現(xiàn)下一次啟動(dòng)做準(zhǔn)備。加裝保護(hù)繼電器同時(shí)也是為了延長(zhǎng)啟動(dòng)機(jī)和蓄電池的使用壽命。

七、結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)啟動(dòng)機(jī)的全面闡述和加裝保護(hù)裝置的改進(jìn)分析以及蓄電池的介紹，2014年1～7月，分別在10#、25#630E卡車(chē)執(zhí)行了上述課題的論證與實(shí)際操作，在黑岱溝露天煤礦進(jìn)行了試運(yùn)行，截止到2014年7月，分別運(yùn)行3000 h和5000 h，在此期間巨輪公司的維修工跟蹤并觀察卡車(chē)啟動(dòng)機(jī)和蓄電池的工作情況并做了詳細(xì)記錄，結(jié)果表明啟動(dòng)機(jī)運(yùn)行良好、無(wú)意外損壞情況。如果將技術(shù)對(duì)策和改進(jìn)建議合理應(yīng)用，將會(huì)大大提高卡車(chē)的出動(dòng)率，降低維修工作量，顯著延長(zhǎng)啟動(dòng)機(jī)和蓄電池的使用壽命。