挖掘機(jī)起動(dòng)回路的設(shè)計(jì)方法研究

盧春霖 彭興德 嚴(yán)德富

摘要：本文對(duì)挖掘機(jī)起動(dòng)回路的構(gòu)成和特點(diǎn)進(jìn)行闡述分析，對(duì)涉及起動(dòng)回路的主要部件：起動(dòng)馬達(dá)、蓄電池、繼電器、電纜和整個(gè)回路系統(tǒng)的匹配進(jìn)行了分析研究，并以某一型號(hào)挖掘機(jī)W40進(jìn)行了舉例計(jì)算驗(yàn)證，通過(guò)計(jì)算匹配可以有效保證起動(dòng)回路的合理性和可靠性。

關(guān)鍵詞：挖掘機(jī);起動(dòng)回路;起動(dòng)馬達(dá);蓄電池;繼電器;電纜;匹配

0 ?引言

挖掘機(jī)被譽(yù)為“工程機(jī)械之王”，廣泛應(yīng)用于土石方工程、市政工程、路面修復(fù)、農(nóng)田改造、混凝土破碎、管道鋪設(shè)、園林栽培及河溝清淤等基礎(chǔ)建設(shè)和生產(chǎn)領(lǐng)域;顯而易見(jiàn)，一旦挖掘機(jī)發(fā)生故障無(wú)法起動(dòng)，極有可能使駕駛員和挖掘機(jī)置于危險(xiǎn)環(huán)境，挖掘機(jī)的起動(dòng)性能可靠性就顯得尤為重要。因此，開(kāi)展挖掘機(jī)起動(dòng)回路設(shè)計(jì)研究具有相當(dāng)重要意義。

1 ?挖掘機(jī)起動(dòng)回路組成

圖1為某一型號(hào)挖掘機(jī)W40的起動(dòng)回路的構(gòu)成，主要包含：點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、控制器、起動(dòng)繼電器、電起動(dòng)馬達(dá)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)起動(dòng)馬達(dá)）、蓄電池、電纜電線(xiàn)等。起動(dòng)過(guò)程如下：整車(chē)通電點(diǎn)火開(kāi)關(guān)輸出點(diǎn)火信號(hào)，控制器通過(guò)運(yùn)算確定滿(mǎn)足起動(dòng)條件后，驅(qū)動(dòng)起動(dòng)繼電器工作，從而起動(dòng)馬達(dá)慢轉(zhuǎn)撥叉移動(dòng)，齒輪與飛輪齒圈嚙合，馬達(dá)加速運(yùn)轉(zhuǎn)扭矩加大使得發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸獲得很大的轉(zhuǎn)矩，從而克服發(fā)動(dòng)機(jī)和泵的總阻力矩而成功起動(dòng)。本文通過(guò)某一型號(hào)挖掘機(jī)W40為例進(jìn)行起動(dòng)回路設(shè)計(jì)方法討論和研究。

2 ?挖掘機(jī)起動(dòng)回路各部件匹配方法研究

2.1 起動(dòng)馬達(dá)的匹配

由圖1可見(jiàn)，液壓泵通過(guò)聯(lián)軸器和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸機(jī)械連接，這意味著起動(dòng)階段起動(dòng)馬達(dá)不僅需要克服發(fā)動(dòng)機(jī)的總阻力矩Te，還需要克服液壓泵的阻力矩Th。圖2為挖掘機(jī)W40上選用的起動(dòng)馬達(dá)的特性曲線(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為0時(shí)馬達(dá)扭矩對(duì)應(yīng)T曲線(xiàn)的值即是馬達(dá)所能達(dá)到的最大力矩Ts。起動(dòng)馬達(dá)的最大力矩Ts必須保證能克服實(shí)際所需的初始發(fā)動(dòng)機(jī)總阻力矩Te0和初始液壓泵阻力矩Th0之和，保證發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。為了保證成功點(diǎn)火，應(yīng)保證起動(dòng)馬達(dá)可拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不低于發(fā)動(dòng)機(jī)能夠起動(dòng)成功的轉(zhuǎn)速[1]。

發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩Te主要包含摩擦阻力矩、壓縮阻力矩和慣性阻力矩;溫度越低，機(jī)油、柴油粘度越大，摩擦阻力矩、壓縮阻力矩相應(yīng)越大，所以起動(dòng)馬達(dá)參數(shù)匹配應(yīng)以發(fā)動(dòng)機(jī)最低起動(dòng)溫度進(jìn)行考量。通過(guò)標(biāo)定，W40的發(fā)動(dòng)機(jī)在-18℃時(shí)能成功起動(dòng)的轉(zhuǎn)速n為120r/min，起動(dòng)阻力矩Te為358Nm，起動(dòng)初始阻力矩Te0為502Nm;其匹配的液壓雙聯(lián)泵的單泵排量Vg為28ml/r，起動(dòng)壓力為p為3.9Mpa，泵的容積效率ηv為0.9，設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.2;計(jì)算起動(dòng)馬達(dá)所需的輸出功率P：

起動(dòng)馬達(dá)最佳工作范圍應(yīng)處于特性曲線(xiàn)的左邊，在最大功率曲線(xiàn)80～95%的區(qū)域內(nèi)最為合理。這時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)馬達(dá)隨時(shí)有更大的儲(chǔ)備功率發(fā)揮[2]。為了保證起動(dòng)性能，起動(dòng)馬達(dá)工作在最大功率曲線(xiàn)80%位置，同時(shí)考慮電磁效率ηd，按經(jīng)驗(yàn)可取為0.9，起動(dòng)馬達(dá)理論功率Pm為如下：

由圖2可得馬達(dá)額定功率7.5kW，其功率大于理論計(jì)算值的7.06kW，匹配合理;其起動(dòng)初始阻力矩Te0為502Nm，液壓泵初始阻力矩Th0一般在Th的1.2～1.5倍，在此按照1.5系數(shù)計(jì)算，約70Nm;則起動(dòng)阻力矩總和T0為572Nm，發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒數(shù)為127，起動(dòng)馬達(dá)齒數(shù)為11，則起動(dòng)系傳動(dòng)比i=127/11=11.5，對(duì)應(yīng)的起動(dòng)馬達(dá)需要最大扭矩值為：

由該起動(dòng)馬達(dá)的制動(dòng)性能參數(shù)表1可見(jiàn)，轉(zhuǎn)矩最低180Nm，滿(mǎn)足扭矩大于49Nm的要求。由特性曲線(xiàn)圖2可知，在起始扭矩點(diǎn)，Ts=49Nm時(shí)，起動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速為1250r/min，柴油機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為108.7r/min，滿(mǎn)足柴油機(jī)起動(dòng)的條件。該起動(dòng)馬達(dá)合理匹配該發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵。

2.2 蓄電池的匹配

蓄電池作為起動(dòng)馬達(dá)的主電源及整車(chē)供電的輔助電源，關(guān)鍵指標(biāo)主要為容量及冷起動(dòng)電流。蓄電池容量決定其提供給整車(chē)持續(xù)電流消耗的能力，冷起動(dòng)電流能力決定低溫起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的能力。

2.2.1 蓄電池容量的計(jì)算

蓄電池容量的計(jì)算方式可以按照以下經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算：

其中：Q為蓄電池20小時(shí)率額定容量，單位為Ah;P為起動(dòng)馬達(dá)機(jī)額定功率，單位為kW;U為蓄電池標(biāo)稱(chēng)電壓值。

挖掘機(jī)W40匹配的起動(dòng)馬達(dá)額定功率為7.5 kW，則使用該起動(dòng)馬達(dá)的蓄電池容量經(jīng)驗(yàn)值為：Q=500*7.5/24Ah=156Ah;蓄電池容量選擇165Ah比較適宜。

2.2.2 蓄電池冷起動(dòng)電流的匹配

在起動(dòng)馬達(dá)的選型確認(rèn)之后，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和起動(dòng)馬達(dá)可以確定冷起動(dòng)電流：對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)，其AEB手冊(cè)一般提供有最小冷起動(dòng)電流的指標(biāo)Imin;通常比較容易忽略的參數(shù)冷起動(dòng)電流上限值，對(duì)于起動(dòng)馬達(dá)，當(dāng)加載在其線(xiàn)圈上的電流超出其承受上限時(shí)，線(xiàn)圈容易出現(xiàn)溫度升高造成線(xiàn)圈間絕緣降低甚至失效而導(dǎo)致短路燒毀線(xiàn)圈繞組的故障。所以，選擇冷起動(dòng)電流的最大值Imax應(yīng)以起動(dòng)馬達(dá)可承受最大電流為上限，以有效保護(hù)起動(dòng)馬達(dá);防止起動(dòng)馬達(dá)過(guò)載的情況下蓄電池持續(xù)提供過(guò)大電流導(dǎo)致起動(dòng)馬達(dá)損壞。

挖掘機(jī)W40匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)AEB規(guī)定最小冷起動(dòng)需求電流Imin為900A，其匹配的起動(dòng)馬達(dá)最大允許電流Imax為1250A，則選擇的蓄電池冷起動(dòng)電流應(yīng)該在900～1250A之間。

如發(fā)動(dòng)機(jī)和起動(dòng)馬達(dá)未提供最小冷起動(dòng)電流和最大可承受電流，則可按以下方法去計(jì)算蓄電池的冷起動(dòng)電流。

由起動(dòng)馬達(dá)的特性曲線(xiàn)可知在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間起動(dòng)馬達(dá)的電樞電流IS，蓄電池的低溫起動(dòng)電流ICCA應(yīng)大于IS。由于蓄電池在極端低溫下的起動(dòng)能力會(huì)大幅降低和蓄電池隨著使用時(shí)間增加而容量下降，為保證起動(dòng)能力，ICCA應(yīng)乘以安全系數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)一般取1.4～1.7之間。挖掘機(jī)W40所用發(fā)動(dòng)機(jī)成功起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速為120r/min，起動(dòng)系傳動(dòng)比i為11.5，則起動(dòng)馬達(dá)對(duì)于轉(zhuǎn)速為1380r/min，從圖2特性曲線(xiàn)可以看出，此時(shí)IS對(duì)應(yīng)電流為520A，安全系數(shù)取1.7：則ICCA>1.7XIS=884A;根據(jù)圖2，當(dāng)轉(zhuǎn)速為0時(shí)的電流作為電機(jī)最大承受電流，W40挖掘機(jī)起動(dòng)馬達(dá)的最大承受電流約為1730A;同時(shí)根據(jù)蓄電池在20℃下降至-18℃，其內(nèi)阻變化倍率為1.5的規(guī)律[3]，則在-18℃時(shí)，電機(jī)可以承受的電流ICCA<1730/1.5=1153A;則蓄電池冷起動(dòng)電流應(yīng)該在884～1153A之間。

可見(jiàn)，兩種方法所得的蓄電池冷起動(dòng)電流趨勢(shì)一致，可以取其共同區(qū)間，蓄電池冷起動(dòng)電流取值為：900A

綜上，挖掘機(jī)W40所匹配合適的蓄電池冷起動(dòng)和容量參數(shù)為：1000CCA，165Ah。

2.3 電路設(shè)計(jì)的匹配

2.3.1 起動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

在起動(dòng)成功后，起動(dòng)馬達(dá)齒輪和發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈應(yīng)能及時(shí)分離，避免間磨損和起動(dòng)馬達(dá)超速;起動(dòng)馬達(dá)應(yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間工作;發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中不允許起動(dòng);考慮安全，起動(dòng)和液壓系統(tǒng)需要考慮聯(lián)鎖。如圖3為挖掘機(jī)W40的起動(dòng)保護(hù)電路邏輯圖，通過(guò)起動(dòng)回路的設(shè)計(jì)，避免了二次起動(dòng)或者起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)損壞起動(dòng)馬達(dá)的問(wèn)題。

2.3.2 起動(dòng)繼電器的匹配

起動(dòng)繼電器主要通過(guò)小電流控制大電流，其在起動(dòng)回路中也十分重要。圖4為挖掘機(jī)W40的起動(dòng)繼電器和起動(dòng)馬達(dá)線(xiàn)路圖，起動(dòng)繼電器的作用是讓起動(dòng)馬達(dá)的電磁開(kāi)關(guān)的推拉線(xiàn)圈和保持線(xiàn)圈工作。因此，起動(dòng)繼電器主觸點(diǎn)容量允許電流值必須要大于推拉線(xiàn)圈和保持線(xiàn)圈的總電流值，以保證電磁開(kāi)關(guān)正常工作。

為保證起動(dòng)繼電器對(duì)線(xiàn)路阻抗的抗干擾能力，繼電器的電阻宜大于10Ω;考慮挖掘機(jī)工作一段時(shí)間后，線(xiàn)芯氧化，接頭間接觸電阻增大，起動(dòng)回路應(yīng)能對(duì)這些電阻增大有足夠的抗干擾能力，設(shè)計(jì)階段可按2Ω的容差能力進(jìn)行考慮。

如挖掘機(jī)W40為24V系統(tǒng)，按SAE定義，起動(dòng)瞬間蓄電池電壓Ub最低可跌至14.4V，即Ubmin=14.4V;理論計(jì)算W40從點(diǎn)火開(kāi)關(guān)至控制端子50c的等效電阻Rx理論為0.36Ω，設(shè)計(jì)階段考慮2Ω的容差，則從點(diǎn)火開(kāi)關(guān)至控制端子50c的等效電阻Rx=2+Rx理論=2.36Ω。選取起動(dòng)繼電器的電阻為Ry=13.83Ω，其電阻大于10Ω，滿(mǎn)足電阻要求。則50c端的最低電壓

選取繼電器的最低保持電壓為8V，U50cmin=12.3V>8V，故起動(dòng)繼電器在考慮2Ω容差后保證起動(dòng)過(guò)程起動(dòng)繼電器正常工作。

2.3.3 起動(dòng)馬達(dá)回路電阻的匹配

起動(dòng)馬達(dá)在工作時(shí)需要很大的起動(dòng)電流，起動(dòng)回路電阻很小。這就要求盡量減少電纜的長(zhǎng)度，電纜加粗，減少接頭連接。

挖掘機(jī)W40起動(dòng)馬達(dá)要求起動(dòng)回路電阻控制在2mΩ以?xún)?nèi)，其起動(dòng)回路電阻R總包含電纜線(xiàn)阻R電纜、電纜接頭和電纜線(xiàn)之間的壓接電阻R壓接、電纜和蓄電池、起動(dòng)馬達(dá)的接觸電阻R接觸。其中R壓接和R接觸是定值。通常每個(gè)接觸點(diǎn)的接觸電阻為0.01mΩ，其中正負(fù)極電纜共2根，壓接接頭4個(gè)，則R壓接為0.04mΩ;電纜和蓄電池、起動(dòng)馬達(dá)的接觸點(diǎn)共2處，則R接觸為0.02mΩ。

R電纜max=R總max-R壓接-R接觸=1.94mΩ

挖掘機(jī)W40使用70mm2的銅電纜，根據(jù)電阻計(jì)算公式R=ρL/S，ρ表示電纜的電阻率，20℃時(shí)銅的電阻率為0.0175Ωmm2/m，L表示電纜的長(zhǎng)度，S表示電纜的橫截面積，可以計(jì)算出電纜總長(zhǎng)最大尺寸：

在設(shè)計(jì)階段就要考慮電瓶的布置及電纜的布置，確保線(xiàn)纜總長(zhǎng)度控制在Lmax 之內(nèi)，電纜長(zhǎng)度越短越有利于起動(dòng)。

挖掘機(jī)W40起動(dòng)回路各部件按此匹配完畢，實(shí)車(chē)通過(guò)2000小時(shí)可靠性試驗(yàn)及-18℃低溫試驗(yàn)，主要部件蓄電池、起動(dòng)馬達(dá)、起動(dòng)繼電器等未出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，驗(yàn)證了計(jì)算的合理性。

3 ?結(jié)語(yǔ)

挖掘機(jī)的起動(dòng)回路涉及部件較多，任何一個(gè)部件的選型匹配不合理都可能導(dǎo)致起動(dòng)困難或部件故障;在實(shí)際情況應(yīng)用中，除卻理論計(jì)算外，還需對(duì)相關(guān)部件的適應(yīng)性和安裝位置關(guān)注，尤其是需要注意部件的防護(hù)等級(jí)、抗震能力是否滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用工況。持續(xù)開(kāi)展挖掘機(jī)起動(dòng)回路的研究對(duì)提升挖掘機(jī)可靠性指標(biāo)具有重大意義。

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作者簡(jiǎn)介：盧春霖（1984-），男，廣西北流人，廣西柳工機(jī)械股份有限公司，工程師，主要研究方向?yàn)橥诰驒C(jī)電器系統(tǒng)。