大型養路機械用大功率柴油機氣壓啟動系統分析

方健康

(昆明中鐵大型養路機械集團有限公司，云南昆明 650215)

隨著我國大型養路機械的快速發展，大噸位、多動作與多功能的大型養路機械要求使用更大功率的柴油機。而這些大功率的柴油機在啟動時由于需要更大的啟動力矩及持續動能，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轉換成連續回轉運動，從而帶動發動機的飛輪旋轉，使發動機達到一定轉速而實現啟動的一種方式。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)、有過載保護作用(不會因過載而發生燒毀)、相同啟動力矩體積小等優點。

1 氣壓啟動系統原理及組成

下面以一大型養路機械發動機氣壓啟動系統為例對該系統的原理及組成進行介紹。如圖1所示，該系統主要由空壓機產生一定壓力范圍的壓縮空氣，貯存在隨后的貯風缸里，分別提供給發動機啟動氣路及大型養路機械的氣動及空氣制動系統。發動機啟動氣路又分為主氣路和控制氣路。主氣路經主進氣管通過潤滑油杯、啟動氣閥后與氣馬達連接，用于驅動氣馬達轉動;控制氣路主要由遠程啟動控制電磁閥組成，用于控制啟動氣閥的通斷。整個啟動氣路結構簡單，需要注意的是貯氣罐和氣馬達之間的供氣管路應盡量短，管徑應等于貯氣罐的出口尺寸，供氣管最好使用鋼管并采用適當支撐固定。

圖1 氣壓啟動系統原理與組成

2 氣馬達及其選取

氣馬達按結構形式分為葉片式、活塞式和齒輪式三類。在柴油機的氣壓啟動中，目前運用較為廣泛的是葉片式氣馬達。葉片式氣馬達的基本特性曲線如圖2所示。

圖2 葉片式氣馬達特性曲線

葉片式氣馬達具有軟特性。當外負載為0(即空轉)時，此時轉速達最大值nmax，氣馬達輸出功率為0。當外負載轉矩等于氣馬達最大轉矩Mmax時，氣馬達停轉，轉速為0，此時輸出功率也為0。只有當外負載轉矩等于氣馬達最大轉矩的1/2時，其轉速為最大轉速的1/2，此時氣馬達輸出功率達到最大值Pmax。這是選取氣馬達時所要求的氣馬達額定功率。

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

3 空壓機及貯氣罐的選擇

空壓機的選型主要取決于啟動氣馬達時消耗掉的空氣量。表1列出某型發動機空氣啟動系統的參數。該系統需要的最小空氣貯氣罐壓力是指用來維持發動機要求的最低啟動轉速的系統最低壓力，為344 kPa。

表1 發動機啟動參數(環境溫度10℃)

根據表1，首先計算啟動時氣馬達所消耗的空氣量，即貯氣罐所需要的容量，采用下面公式

式中:Vs為啟動馬達空氣消耗量，m3/s;Vt為貯氣罐容量，m3;T為啟動時間，s，根據裝機試驗的情況統計，發動機啟動的時間通常在2～7 s，計算時取6 s;Pt為貯氣罐壓力，kPa，為使氣馬達具有更高的功率，同時考慮大型養路機械氣源系統的要求，取該值為862 kPa;Pm為連續啟動時罐壓力，取620 kPa。一次啟動時，該值選用表1中給出的最小罐壓力值。由于大型養路機械屬于鐵路移動式工程機械，結構復雜、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。

初步計算，用于氣馬達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路機械上布置，所以選取了2個相同的200 L的氣罐作為啟動貯氣罐。

考慮到大型養路機械在使用中兩次連續啟動的時間間隔不允許過長，所以有必要估算空壓機使貯氣罐內的氣壓上升至一定壓力時所需的時間，公式如下

式中:T為時間，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為空壓機實際壓縮的空氣量，m3/min。

初次啟動時，選擇空壓機壓縮的空氣量為2 m3/min，由此得壓力由0升至862 kPa的時間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的充氣時間。

第二次啟動時，由于另兩個用于空氣制動系統的200 L風缸設計有單向閥，壓力不受影響，所以第二次啟動間隔時間即需要充風時間T2=862×0.4/(100×2)=1.724 min，即連續啟動時需要間隔約2 min的時間。這在大型養路機械的設計中是可以接受的。

經過比較，在該大型養路機械發動機氣壓啟動系統中選用實際壓縮空氣量為2 m3/min的空壓機，啟動貯氣罐的總容量為0.4 m3，可滿足設計要求。

4 結語

通過對大型養路機械用大功率柴油機氣壓啟動系統的分析，并通過實際車型的驗證試驗，掌握了氣馬達的工作特性，匹配了合理的空壓機及貯氣罐，使整套系統正常工作。氣壓啟動系統的研究可用于解決高原大型養路機械部分機型啟動困難的問題，使鐵路大型養路機械得到更好的運用。

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