挖掘機起動回路的設計方法研究

盧春霖 彭興德 嚴德富

摘要：本文對挖掘機起動回路的構成和特點進行闡述分析，對涉及起動回路的主要部件：起動馬達、蓄電池、繼電器、電纜和整個回路系統的匹配進行了分析研究，并以某一型號挖掘機W40進行了舉例計算驗證，通過計算匹配可以有效保證起動回路的合理性和可靠性。

關鍵詞：挖掘機;起動回路;起動馬達;蓄電池;繼電器;電纜;匹配

0 ?引言

挖掘機被譽為“工程機械之王”，廣泛應用于土石方工程、市政工程、路面修復、農田改造、混凝土破碎、管道鋪設、園林栽培及河溝清淤等基礎建設和生產領域;顯而易見，一旦挖掘機發生故障無法起動，極有可能使駕駛員和挖掘機置于危險環境，挖掘機的起動性能可靠性就顯得尤為重要。因此，開展挖掘機起動回路設計研究具有相當重要意義。

1 ?挖掘機起動回路組成

圖1為某一型號挖掘機W40的起動回路的構成，主要包含：點火開關、控制器、起動繼電器、電起動馬達（以下簡稱起動馬達）、蓄電池、電纜電線等。起動過程如下：整車通電點火開關輸出點火信號，控制器通過運算確定滿足起動條件后，驅動起動繼電器工作，從而起動馬達慢轉撥叉移動，齒輪與飛輪齒圈嚙合，馬達加速運轉扭矩加大使得發動機曲軸獲得很大的轉矩，從而克服發動機和泵的總阻力矩而成功起動。本文通過某一型號挖掘機W40為例進行起動回路設計方法討論和研究。

2 ?挖掘機起動回路各部件匹配方法研究

2.1 起動馬達的匹配

由圖1可見，液壓泵通過聯軸器和發動機輸出軸機械連接，這意味著起動階段起動馬達不僅需要克服發動機的總阻力矩Te，還需要克服液壓泵的阻力矩Th。圖2為挖掘機W40上選用的起動馬達的特性曲線，當轉速為0時馬達扭矩對應T曲線的值即是馬達所能達到的最大力矩Ts。起動馬達的最大力矩Ts必須保證能克服實際所需的初始發動機總阻力矩Te0和初始液壓泵阻力矩Th0之和，保證發動機飛輪轉動起來。為了保證成功點火，應保證起動馬達可拖動發動機的轉速不低于發動機能夠起動成功的轉速[1]。

發動機阻力矩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，機油、柴油粘度越大，摩擦阻力矩、壓縮阻力矩相應越大，所以起動馬達參數匹配應以發動機最低起動溫度進行考量。通過標定，W40的發動機在-18℃時能成功起動的轉速n為120r/min，起動阻力矩Te為358Nm，起動初始阻力矩Te0為502Nm;其匹配的液壓雙聯泵的單泵排量Vg為28ml/r，起動壓力為p為3.9Mpa，泵的容積效率ηv為0.9，設計安全系數為1.2;計算起動馬達所需的輸出功率P：

起動馬達最佳工作范圍應處于特性曲線的左邊，在最大功率曲線80～95%的區域內最為合理。這時，發動機起動時，起動馬達隨時有更大的儲備功率發揮[2]。為了保證起動性能，起動馬達工作在最大功率曲線80%位置，同時考慮電磁效率ηd，按經驗可取為0.9，起動馬達理論功率Pm為如下：

由圖2可得馬達額定功率7.5kW，其功率大于理論計算值的7.06kW，匹配合理;其起動初始阻力矩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系數計算，約70Nm;則起動阻力矩總和T0為572Nm，發動機飛輪齒數為127，起動馬達齒數為11，則起動系傳動比i=127/11=11.5，對應的起動馬達需要最大扭矩值為：

由該起動馬達的制動性能參數表1可見，轉矩最低180Nm，滿足扭矩大于49Nm的要求。由特性曲線圖2可知，在起始扭矩點，Ts=49Nm時，起動馬達轉速為1250r/min，柴油機對應轉速為108.7r/min，滿足柴油機起動的條件。該起動馬達合理匹配該發動機和液壓泵。

2.2 蓄電池的匹配

蓄電池作為起動馬達的主電源及整車供電的輔助電源，關鍵指標主要為容量及冷起動電流。蓄電池容量決定其提供給整車持續電流消耗的能力，冷起動電流能力決定低溫起動發動機的能力。

2.2.1 蓄電池容量的計算

蓄電池容量的計算方式可以按照以下經驗公式來估算：

其中：Q為蓄電池20小時率額定容量，單位為Ah;P為起動馬達機額定功率，單位為kW;U為蓄電池標稱電壓值。

挖掘機W40匹配的起動馬達額定功率為7.5 kW，則使用該起動馬達的蓄電池容量經驗值為：Q=500*7.5/24Ah=156Ah;蓄電池容量選擇165Ah比較適宜。

2.2.2 蓄電池冷起動電流的匹配

在起動馬達的選型確認之后，根據發動機和起動馬達可以確定冷起動電流：對于發動機，其AEB手冊一般提供有最小冷起動電流的指標Imin;通常比較容易忽略的參數冷起動電流上限值，對于起動馬達，當加載在其線圈上的電流超出其承受上限時，線圈容易出現溫度升高造成線圈間絕緣降低甚至失效而導致短路燒毀線圈繞組的故障。所以，選擇冷起動電流的最大值Imax應以起動馬達可承受最大電流為上限，以有效保護起動馬達;防止起動馬達過載的情況下蓄電池持續提供過大電流導致起動馬達損壞。

挖掘機W40匹配的發動機AEB規定最小冷起動需求電流Imin為900A，其匹配的起動馬達最大允許電流Imax為1250A，則選擇的蓄電池冷起動電流應該在900～1250A之間。

如發動機和起動馬達未提供最小冷起動電流和最大可承受電流，則可按以下方法去計算蓄電池的冷起動電流。

由起動馬達的特性曲線可知在發動機起動瞬間起動馬達的電樞電流IS，蓄電池的低溫起動電流ICCA應大于IS。由于蓄電池在極端低溫下的起動能力會大幅降低和蓄電池隨著使用時間增加而容量下降，為保證起動能力，ICCA應乘以安全系數，按經驗一般取1.4～1.7之間。挖掘機W40所用發動機成功起動時的轉速為120r/min，起動系傳動比i為11.5，則起動馬達對于轉速為1380r/min，從圖2特性曲線可以看出，此時IS對應電流為520A，安全系數取1.7：則ICCA>1.7XIS=884A;根據圖2，當轉速為0時的電流作為電機最大承受電流，W40挖掘機起動馬達的最大承受電流約為1730A;同時根據蓄電池在20℃下降至-18℃，其內阻變化倍率為1.5的規律[3]，則在-18℃時，電機可以承受的電流ICCA<1730/1.5=1153A;則蓄電池冷起動電流應該在884～1153A之間。

可見，兩種方法所得的蓄電池冷起動電流趨勢一致，可以取其共同區間，蓄電池冷起動電流取值為：900A

綜上，挖掘機W40所匹配合適的蓄電池冷起動和容量參數為：1000CCA，165Ah。

2.3 電路設計的匹配

2.3.1 起動保護電路的設計

在起動成功后，起動馬達齒輪和發動機飛輪齒圈應能及時分離，避免間磨損和起動馬達超速;起動馬達應避免長時間工作;發動機在運行過程中不允許起動;考慮安全，起動和液壓系統需要考慮聯鎖。如圖3為挖掘機W40的起動保護電路邏輯圖，通過起動回路的設計，避免了二次起動或者起動時間過長損壞起動馬達的問題。

2.3.2 起動繼電器的匹配

起動繼電器主要通過小電流控制大電流，其在起動回路中也十分重要。圖4為挖掘機W40的起動繼電器和起動馬達線路圖，起動繼電器的作用是讓起動馬達的電磁開關的推拉線圈和保持線圈工作。因此，起動繼電器主觸點容量允許電流值必須要大于推拉線圈和保持線圈的總電流值，以保證電磁開關正常工作。

為保證起動繼電器對線路阻抗的抗干擾能力，繼電器的電阻宜大于10Ω;考慮挖掘機工作一段時間后，線芯氧化，接頭間接觸電阻增大，起動回路應能對這些電阻增大有足夠的抗干擾能力，設計階段可按2Ω的容差能力進行考慮。

如挖掘機W40為24V系統，按SAE定義，起動瞬間蓄電池電壓Ub最低可跌至14.4V，即Ubmin=14.4V;理論計算W40從點火開關至控制端子50c的等效電阻Rx理論為0.36Ω，設計階段考慮2Ω的容差，則從點火開關至控制端子50c的等效電阻Rx=2+Rx理論=2.36Ω。選取起動繼電器的電阻為Ry=13.83Ω，其電阻大于10Ω，滿足電阻要求。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，故起動繼電器在考慮2Ω容差后保證起動過程起動繼電器正常工作。

2.3.3 起動馬達回路電阻的匹配

起動馬達在工作時需要很大的起動電流，起動回路電阻很小。這就要求盡量減少電纜的長度，電纜加粗，減少接頭連接。

挖掘機W40起動馬達要求起動回路電阻控制在2mΩ以內，其起動回路電阻R總包含電纜線阻R電纜、電纜接頭和電纜線之間的壓接電阻R壓接、電纜和蓄電池、起動馬達的接觸電阻R接觸。其中R壓接和R接觸是定值。通常每個接觸點的接觸電阻為0.01mΩ，其中正負極電纜共2根，壓接接頭4個，則R壓接為0.04mΩ;電纜和蓄電池、起動馬達的接觸點共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W40使用70mm2的銅電纜，根據電阻計算公式R=ρL/S，ρ表示電纜的電阻率，20℃時銅的電阻率為0.0175Ωmm2/m，L表示電纜的長度，S表示電纜的橫截面積，可以計算出電纜總長最大尺寸：

在設計階段就要考慮電瓶的布置及電纜的布置，確保線纜總長度控制在Lmax 之內，電纜長度越短越有利于起動。

挖掘機W40起動回路各部件按此匹配完畢，實車通過2000小時可靠性試驗及-18℃低溫試驗，主要部件蓄電池、起動馬達、起動繼電器等未出現損壞現象，驗證了計算的合理性。

3 ?結語

挖掘機的起動回路涉及部件較多，任何一個部件的選型匹配不合理都可能導致起動困難或部件故障;在實際情況應用中，除卻理論計算外，還需對相關部件的適應性和安裝位置關注，尤其是需要注意部件的防護等級、抗震能力是否滿足實際應用工況。持續開展挖掘機起動回路的研究對提升挖掘機可靠性指標具有重大意義。

參考文獻：

[1]馬旗，李元新，趙培山，劉克村.電起動馬達的選型及應用[J].內燃機與動力裝置，2008，6.

[2]唐良才，方煒柱，汪耀明.直流起動馬達與中小功率柴油機的匹配選擇[J].小型內燃機，2000，2.

[3]李國輝，于萌.柴油載貨汽車起動系統匹配技術研究[J].汽車電器，2011，8.

作者簡介：盧春霖（1984-），男，廣西北流人，廣西柳工機械股份有限公司，工程師，主要研究方向為挖掘機電器系統。