安科瑞电动机保护设施对于新型气启动马达的应用

  ：根据复速级冲击涡轮式气启动马达工作原理提出一种新型的保护控制装置设计的具体方案，包括机械结构和气压控制气路两方面。其中机械结构方面解决了发动机的飞轮齿圈和马达的小齿轮撞击及重复碰撞问题，另一方面解决了发动机启动后转速300r/min以内就立即切断气启动马达控制气路问题，使气启动马达的小齿轮与发动机的飞轮齿圈分离，同时在发动机工作时气动启动系统也禁止工作，达到真正保护发动机目的。介绍该保护控制装置结构原理图，详细描述其工作流程，并对该保护系统来进行了仿真分析，经过控制单向节流阀的流速，实现了对二位三通气动换向阀的控制。简述了它在实际应用中的特点。该新型气启动马达的保护控制装置为同行业类似产品研究开发提供了参考。

  启动马达是燃油发动机配置的核心部件之一，它通常分为电启动马达、气启动马达、液压启动马达和弹簧启动马达。随着绿色出行、绿色家园等环保理念逐渐深入人心，以及满足柴油车辆、工程车辆等频繁启动、防燃、防爆、高负载场合等需求，气启动马达在车用发动机的启动系统中大范围的应用，并配置车载空压泵和储气罐为气启动马达提供气源动力。气启动马达按照工作原理分为静力式（容积式）和动力式（蜗轮式）：静力式气启动马达输出的速度有限，启动性能不良；而动力式气启动马达能够达到很高的输出转速，启动性能好，能够完全满足更大功率柴油机的启动要求。正是由于动力式气启动马达具有排量大、系统可靠、简单实用及相对独立等优点，被国内柴油机、马达、发动机等厂家和设计研究单位慢慢地认识和应用，其相应的保护设施也应运而生。在实际在做的工作过程中，发动机启动发火（150r/min）后，系统不能在转速达到300r/min以内使气启动马达的小齿轮与发动机的飞轮齿圈迅速脱离，就会对气启动马达与发动机造成损害。由于空气压缩泵运转后建立压力较慢，发动机点火启动，达到怠速（800r/min）甚至更高的转速后，空气压缩泵才能产生足够的气压来切断气启动马达控制气路，这时气启动马达的小齿轮与发动机的飞轮齿圈已发生了磨损。有些人习惯边启动边加油门，这样一旦发动机点火后，转速会马上升到1000r/min，同样导致马达与发动机损坏。由于一台进口气启动马达价格昂贵，而发动机飞轮齿圈的生产周期也比较长，因此一旦马达受损或飞轮齿圈不足以满足运转要求时，将会给公司能够带来一定的经济损失并影响日常生产工作。

  目前市场上气启动马达保护设施主要有气路保护和机械保护，而大多数采用的是气路保护，在机械保护方面研究甚少，有些问题仍然没有解决，如马达齿轮与发动机飞轮撞击及重复碰撞问题。气路保护方式安全可靠，可以极大地避免马达齿轮与发动机飞轮齿圈在高速运转过程中发生碰撞。介绍了目前市场上比较流行的保护方式是通过气路的控制，切断启动开关和气启动马达之间的连接气路，对柴油机和马达进行安全有效的保护；但在工作过程中，仍需要人为操作，导致工作效率比较低。通过液控换向阀、气控换向阀、延时阀等转向，切

  断储气罐到气启动马达的高压气体，使马达齿轮与柴油机飞轮脱开，有效地保护了气启动马

  针对以上问题，本文作者基于一种复速级冲击涡轮式气启动马达，根据其工作原理，提出一种新型的保护控制装置设计的具体方案，即在机械结构方面和气路方面都进行保护设计。其中在机械结构方面解决了发动机飞轮齿圈和马达小齿轮撞击及重复碰撞问题；气路方面解决了发动机飞轮齿圈和马达小齿轮即时脱离问题，使马达与发动机得到线气启动马达总体结构

  该马达主要由动力总成、减速总成、传动总成等连接构成，其中动力总成包括一、二级定子和一、二级转子组合的轴向气道涡轮，齿轮轴等；减速总成包括轴承座、行星架、行星齿轮、轴承等；传动总成包括输出轴、下棘轮、上棘轮、弹簧、花键轴和内卡环等。部分结构示意如图１所示，该马达输出部分采用惯性啮合的方式，首先气启动马达主气路接通后，将压缩气体的部分压缩能转换成气体的动能；然后，沿喷嘴出口方向喷出的高速气流冲击动叶轮；接着，通过气流推动动叶轮旋转做功，并通过输出轴向外输出机械功；输出小齿轮与发动机飞轮齿圈啮合。

  发动机的启动并不是单一的过程，其中有几率发生发动机的飞轮齿圈和气启动马达的小齿轮啮合、脱离及重复碰撞现象，如图２、图３所示。

  气压控制气路原理如图４所示，当压缩空气进入气控换向阀12控制气路，并通过压力作用切断启动开关13与启动阀10、气启动马达11之间的气路连接，此时启动开关13失去作用，即使按下启动开关13也不能使气启动马达11工作，只有操作人员按下停机开关14后，再次按启动开关13，气启动马达11才工作。首先从图中能够准确的看出，此控制气路分支和连接点比较多，其次在工作过程中需要人为做相关操作，这就导致马达使用时容易受限，工作效率严重降低，在应用中起不到实际效果。

  所设计的气启动马达当柴油机12转速达到300r/min以内就立即切断启动马达控制气路，使气启动马达11的小齿轮与发动机12的飞轮齿圈迅速脱离，从而保护马达和柴油机12的飞轮。整个保护设施在工作时，气体由储气罐１经过过滤器７过滤后，一路依次通过机械阀８、二位三通气动换向阀９进入气启动马达11的齿轮预啮合进气口；另一路通过主启动阀10进入气启动马达11的进气口，气启动马达11的齿轮预啮合出气口排出的气体用于控制主启动阀10。当气启动马达11内部气压达到一定时，通过齿轮驱动柴油机12的飞轮转动，飞轮带动液压泵13工作，产生机油压力，并传递给单向节流阀，由这个阀的流速大小作为信号在柴油机12启动后快速控制二位三通气动换向阀９切断控制气路，同时主启动阀10关闭。通过单向节流阀14调节二位三通气动换向阀９的响应时间，使该响应时间与气启动马达11的小齿轮脱离发动机飞轮时间相匹配。此外空气压缩泵５达到很多压力后，将多余的空气经单向阀３重新传到储气罐１，供下次工作时使用。在整个工作过程中，控制气路完全自动控制，无需人工操作，极大提高了工作效率，同时响应时间也极大缩短，达到了保护马达与柴油机的目的。

  智能电动机保护器(以下简称保护器)，采用单片机技术，具有抗干扰能力强、工作稳定可靠、数字化、智能化、网络化等特点。保护器能对电动机运行过程中出现的过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等多种情况做保护，并设有SOE故障事件记录功能，方便现场维护人员查找故障原因。适用于煤矿、石化、冶炼、电力、以及民用建筑等领域。本保护器具有RS485远程通讯接口，DC4-20mA模拟量输出，方便与PLC、PC等控制机组成网络系统。实现电动机运行的远程监控。

  文中的马达较大程度改变了现有气启动马达的结构，能适应普通柴油机、卡车、公交、大巴等燃油发动机气启动马达配置和安装要求。在齿轮推进装置方面提出了新的结构方案，改善了小齿轮和飞轮齿圈撞击及重复碰撞问题，而且发动机启动后转速达到300r/min以内时，柴油机的飞轮驱动液压泵产生了机油压力，并传递给单向节流阀，此时该阀的流速大小作为控制信号，传递给气启动马达控制气路并即时切断，使马达小齿轮与飞轮齿圈即时自动脱离，同时在发动机工作时气动启动系统也禁止工作。通过机械结构和气压自动控制气路两个方面，使气启动马达与发动机的飞轮齿圈得到真正保护，具体体现以下几点：

  （1）避免了小齿轮和飞轮齿圈重复碰撞现象，同时也延长了其常规使用的寿命，并提高了其安全系数。

  因此该马达解决了小齿轮和飞轮齿圈即时自动脱离和避免撞击及重复碰撞问题。目前，该新型马达已投入实际生产，为工业装备、能源、电力、交通、钢铁、采矿、造船等行业做出了突出贡献，同时为同行业的类似产品研究开发开辟了新开端，具有一定应用价值。