630E卡車啟動特性分析及保護裝置改造

付 波

（神華準能設備維修中心 內蒙古鄂爾多斯）

一、前言

啟動馬達和蓄電池是630E卡車的重要部件，對啟動發動機并使其運轉有著重要的作用。由于630E卡車啟動馬達和蓄電池使用效率高，啟動頻繁還有冬季的低溫啟動加之發動機的油路故障和操作人員的誤操作從而使馬達損壞頻繁。為降低成本和維修人員的工作量，設計加裝一套啟動馬達保護裝置。啟動系統主要由啟動馬達、啟動繼電器、油壓開關、保險、蓄電池和連接線路組成。為此，論述啟動馬達的啟動條件、啟動方式、啟動機組成、啟動特性、工作原理、蓄電池的作用和組成以及加裝的保護裝置，通過在車上的安裝測試，驗證了裝置的可行性及可靠性。

二、啟動條件

啟動轉矩：能夠維持曲軸旋轉的最低轉矩稱為啟動轉矩，啟動轉矩一定要克服發動機壓縮阻力和內磨擦阻力矩。啟動阻力矩與發動機壓縮比、溫度、等有關。其中啟動阻力矩包括摩擦阻力矩、壓縮阻力矩、慣性阻力矩。

啟動轉速：能保證發動機啟動的曲軸最低轉速稱為啟動轉速。啟動機傳給發動機的轉速要大于發動機的最低轉速，在0～25℃時，汽油機的啟動轉速為25～35 r/min，柴油機的啟動轉速為 145～300 r/min。

三、啟動方式

1.人力啟動

最簡單的啟動，只須將手搖柄端頭的橫銷嵌入發動機曲軸前端的啟動爪內，以人力轉動曲軸，勞動強度大，且不安全。

2.電機啟動

電機啟動是用電機作為機械動力源，將電機軸上的齒輪與發動機飛輪周邊上的齒圈嚙合時，動力就會傳到飛輪和曲軸，使之旋轉。電機的電源來自蓄電池。電機啟動具有啟動迅速可靠、易操作、重復啟動性能好等優點。目前絕大多數汽車發動機都采用電機啟動。

3.組成

一般由直流串勵式電機、操縱機構和離合機構組成。

（1）直流串勵式電機。直流電機是啟動的動力源，直流電機就是將電能轉換為機械能，產生電磁轉矩驅動發動機轉動。直流串勵式電機的特點是轉速低時轉矩很大，P=NT，隨轉速升高，轉矩降低，功率等于轉速和轉矩的乘積，功率一定時轉速升高則轉矩就會降低，這一特征非常適合發動機啟動的要求。

（2）操縱機構。直接操縱，由駕駛員利用腳踏或手拉通過聯動機構直接操縱啟動開關，導通或斷開啟動電流，并使傳動齒輪副進入嚙合。結構簡單、使用可靠、但操作不便，且當駕駛員座位距啟動機較遠時難以布控，目前很少使用。

電磁操縱，由駕駛員通過鑰匙開關操縱啟動繼電器，并由繼電器操縱啟動機電磁開關和齒輪副嚙合或通過鑰匙開關直接操縱啟動機電磁開關和齒輪副嚙合。布置靈活、使用方便、省力、適宜于遠距離操縱，被廣泛采用。目前大多數汽柴油機均采用電磁操縱式啟動機。隨著材料和技術的發展，出現了永磁啟動機和減速啟動機等新型啟動機。

（3）離合機構。啟動機驅動齒輪應該只在啟動時才與發動機飛輪齒圈相聯，當發動機開始工作之后，啟動機驅動齒輪應立即與飛輪齒圈分離。否則，隨著發動機轉速的升高，將使啟動機嚴重超速，產生很大的離心力，而使啟動機損壞（啟動機電樞繞組松弛，甚至飛散）。因此，啟動機中裝有離合機構。在啟動時，它保證啟動機的動力能夠順利通過飛輪傳遞給曲軸；啟動完畢后，發動機開始工作時，隨即切斷動力傳遞路線，使發動機不能通過飛輪驅動啟動機以高速旋轉，從而保證啟動機不會被發動機的高速運轉而損壞。

4.啟動過程

電樞移動式啟動機，廣泛用在大功率柴油車上。啟動時，按下啟動開關，啟動機電路通電，繼電器的吸引線圈和保持線圈通電且磁場方向相同，活動鐵芯克服彈簧阻力產生很強的磁力，吸引電樞向后移動，使啟動機齒輪移出與飛輪齒圈嚙合。與此同時，由于吸引線圈的電流通過電動機的繞組，電樞開始轉動，齒輪在旋轉中移出，減小沖擊。

如果齒輪與飛輪齒端相對，不能馬上嚙合，此時彈簧壓縮，當齒輪轉過一個角度后，齒輪與飛輪迅速嚙合。此時摩擦片離合器壓縮并傳遞扭矩。發動機啟動后，驅動齒輪轉速增大摩擦片離合器被旋松，曲軸轉矩便不傳到電樞上，啟動機處于空載狀態。直到松開啟動開關，電樞又移回原位，驅動齒輪與飛輪脫開，啟動機停止運轉。

四、啟動機的工作特性

1.轉矩特性（啟動轉矩大）

直流串勵電機的電磁轉矩M，M取決于磁通Φ、電樞電流Ia的乘積M=CmΦIa，重載轉速低轉矩大的特性可保證啟動安全可靠。

2.轉速特性（輕載轉速高重載轉速低）

輕載和空載時的轉速很高，易造成“飛車”事故，功率大時采用復勵，串勵式直流電動機不可在輕載或空載下長時間運行。

3.功率特性

P=M×n/9550，啟動機的轉矩、轉速、功率與電流的關系稱為啟動機的特性曲線：啟動特性有3種狀態分別為：制動、空轉、1/2電流時，特性曲線見圖1。

圖1 特性曲線圖

4.影響啟動機工作特性的使用因素

影響啟動機工作特性的使用因素有很多，主要有啟動電路的電阻、蓄電池的容量和充電情況、環境溫度等因素。

（1）電阻。啟動電路的電阻影響啟動機內部電阻、啟動線路電阻。

（2）蓄電池的容量和充電情況。容量大，充電充足；內阻小，供給啟動機電流大，啟動機的功率、轉速、制動力矩都大。

（3）環境溫度。環境溫度低時，機油黏度高啟動性能不好。

五、蓄電池的作用、組成和工作原理

1.蓄電池的作用

蓄電池也是啟動系統重要的組成部件，蓄電池和發電機共同為用電設備供電，給啟動機提供強大的啟動電流，發動機轉速低時輔助發電機向用電設備和勵磁繞組供電，發動機停機或發電機不發電時向電氣系統和用電設備供電，發電機過載時向用電設備供電，蓄電池相當于是一個大電容，不僅能夠保持電氣系統的電壓穩定，還能吸收電路中出現的瞬時過電壓，保護電子元件不被損壞。

2.組成

主要有極板、隔板、電解液、外殼、聯條、極樁等。

3.工作原理

蓄電池內的陽極為二氧化鉛陰極為海綿狀純鉛浸到電解液中會產生2 V的電動勢，充放電過程為：放電時，稀硫酸會與極板上的活性物質海綿狀純鉛和二氧化鉛產生反應形成硫酸鉛和氫二氧，放電越久硫酸濃度越稀。充電時，極板上的硫酸鉛會在充電時還原成硫酸，鉛及氧化鉛，電解液濃度會逐漸增加，電解液比重升高，并恢復到放電前的濃度，當兩極的硫酸鉛還原為活性物質時，即充電結束。

六、保護裝置的改造方案及作用

在啟動繼電器之前加裝保護繼電器（圖2），此保護繼電器的作用是柴油機連續啟動時為了保護啟動馬達和蓄電池使用壽命，連續啟動間隔時間應為30 s，單次啟動持續時間最長20 s。

圖2 安裝保護繼電器

繼電保護器電源輸入為24 V分別為9、10號端口，1、5端口閉合時間設置為20 s，4號端口接控制線，1、3端口閉合時間設置為30 s，2號端口接控制線，6、8為信號端口。單次啟動時間為20 s，連續啟動時間間隔為30 s，分別給6、8端口信號就可實現。電子定時器具有定時準確、定時范圍寬、輕觸鍵盤操作、多種定時工作模式、停電預置數據保存永久、數字顯示、抗干擾性能強、外形美觀等特點。

當操作人員連續啟動柴油機時，保護繼電器作用將間隔30 s后使電源線和控制線導通啟動馬達工作，進而保護馬達線圈長時間通電發熱而燒損和主觸點長時間通電后產生碳化而接觸不良同時也保護了繼電器觸點，也使蓄電池在大電流放電后能有時間還原儲存電能準備下次啟動進而也保護了蓄電池。當駕駛員啟動發動機時，如果遇到發動機油路或其他故障導致發動機啟動困難時且需要馬達長時間工作時保護繼電器將會使啟動馬達在規定的時間20 s內動作，超出這一時間將會立即停止啟動。當啟動困難時也有一些檢修工或駕駛員為了啟動發動機，誤操作現象時有發生，一次接著一次不停的啟動，根本不顧及啟動機大電流長時間工作對蓄電池的使用壽命影響。因此在加裝保護繼電器的作用下啟動間隔時間定為30 s這樣也能為蓄電池準備充足的電能為實現下一次啟動做準備。加裝保護繼電器同時也是為了延長啟動機和蓄電池的使用壽命。

七、結論

通過以上對啟動機的全面闡述和加裝保護裝置的改進分析以及蓄電池的介紹，2014年1～7月，分別在10#、25#630E卡車執行了上述課題的論證與實際操作，在黑岱溝露天煤礦進行了試運行，截止到2014年7月，分別運行3000 h和5000 h，在此期間巨輪公司的維修工跟蹤并觀察卡車啟動機和蓄電池的工作情況并做了詳細記錄，結果表明啟動機運行良好、無意外損壞情況。如果將技術對策和改進建議合理應用，將會大大提高卡車的出動率，降低維修工作量，顯著延長啟動機和蓄電池的使用壽命。