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新聞主題 |
柴油發電機起動機的特性和試驗條件 |
摘要：起動機的作用將蓄電池的電能轉化為機械能，驅動飛輪旋轉實現柴油發電機的起動，它的工作原理涉及到電動機、齒輪、電磁開關、啟動繼電器等多個部件的協同工作能力。起動機主要性能評價指標有起動轉矩、最低起動轉速、起動功率、起動極限溫度等特性。起動機也稱之為啟動馬達，具有應用廣泛，結構簡單、操作方便、維修容易、成本低等特點，為以柴油發電機組作為備用電源的工廠和企業，發揮穩定的設備啟動效率提供支持。
一、起動機的組成和原理
起動機是柴油發電機啟動系統的重要組成部分之一，與啟動系統其他部件線路連接如圖1所示。它的作用是柴油機起動時，使起動機的驅動齒輪和柴油機飛輪齒環嚙合，將電動機的轉矩傳給飛輪；柴油機起動后，自動切斷動力傳遞，防止電動機被柴油機帶動，超速旋轉而破壞。
1、電動機
起動機內部的電動機是起動機的核心部件，電動機由電樞、電刷、電磁鐵、減速器和端蓋等部件組成，其內部剖面圖如圖2所示。當操作員按下開機按鈕后，啟動電路被閉合，電磁鐵便開始工作。電磁鐵的作用是將齒輪傳動機構的齒輪和柴油機飛輪連接起來。同時，電磁鐵還會將電動機的旋轉方向改變90度，使電動機的輸出軸可以帶動齒輪傳動機構的齒輪。
2、電樞磁場
當電動機開始轉動時，它的電樞和電刷也會開始旋轉。在電刷的作用下，電樞會在磁場作用下旋轉。電樞和齒輪傳動機構的齒輪相連，因此電樞的旋轉會帶動齒輪傳動機構的齒輪旋轉。齒輪傳動機構的齒輪會通過萬向節傳遞動力到柴油機的飛輪上。
3、傳動機構
除了電動機，起動機中的齒輪傳動機構也是非常重要的部分。齒輪傳動機構由齒輪、軸和軸承組成。在起動機啟動的過程中，齒輪傳動機構的齒輪需要承受非常大的轉矩，因此齒輪的材質和制造工藝都需要比較高的要求。
4、離合器
在起動機的啟動過程中，離合器也發揮了非常重要的作用。離合器的作用是在電動機啟動之后將齒輪傳動機構和柴油機的飛輪連接起來。離合器的材質和結構都需要滿足起動時所需的高扭矩和高耐磨性的要求。
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圖1 柴油機啟動系統各結構接線圖 |
圖2 起動機的電動機內部剖面圖 |
5、控制裝置
（1）結構特點
電磁開關主要由電磁鐵機構和電動機開關兩部分組成。電磁鐵機構由固定鐵心、活動鐵心、吸引線圈和保持線圈等組成。固定鐵心，顧名思義是固定不動的，活動鐵心則可以在銅套里做軸向移動。活動鐵心前端固定有推桿，推桿前端安裝有開關觸盤，活動鐵心后段用調節螺釘和連接銷與撥叉連接。銅套外面安裝有復位彈簧，作用是使活動鐵心等可移動部件復位。
（2）工作原理
如圖3所示，當吸引線圈和保持線圈通電產生的磁通方向相同時，其電磁吸力相互疊加，可以吸引活動鐵心向前移動，直到推桿前端的觸盤將電動開關觸點接通勢電動機主電路接通為止。
如圖4所示，當吸引線圈和保持線圈通電產生的磁痛方向相反時，其電磁吸力相互抵消，在復位彈簧的作用下，活動鐵心等可移動部件自動復位，觸盤與觸點斷開，電動機主電路斷開。
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圖3 柴油機起動機的吸拉過程示意圖 |
圖4 柴油機起動機的復位過程示意圖 |
二、起動機的特性與曲線圖
1、轉矩特性
Φ=CιⅠ?.........................（公式1）
式中，C——常數，C=CmCι；Ⅰ?——電樞電流。
M=CmΦⅠ?=CmCιⅠ?²=CⅠ?².........................（公式2）
起動機電磁轉矩隨電樞電流變化的關系稱為轉矩特性，曲線如圖5所示。在磁路未飽和時，由于磁通與電樞電流成正比；磁路飽和后，Φ=常數，電動機轉矩為M=CmΦⅠ?；在起動的瞬間，由于發動機的阻力矩很大，起動機處于完全制動的情況下，n=0，故反電動勢E=0。此時電樞電流將達到最大值，稱為制動電流，產生最大轉矩，稱為制動轉矩，從而使柴油發動機易于起動。
2、轉速特性
起動機具有軟的機械特性，即輕載轉速高，重載轉速低。在磁路來飽和時：
n=｛U-Ⅰ?（Rs+RL）｝/CmΦ.........................（公式3）
M=CmΦⅠ?=CmCιⅠ?²=CⅠ?²
起動機的轉速特性即機械特性曲線如圖6所示。可根據不同類型的電動機特點來選用起動機，它們之間曲線對比如圖7所示。
（1）串勵直流電動機
串勵直流電動機在輕載時轉速很高，易造成電動機"飛車"事故。因此，對于功率較大的串勵直流電動機，不允許在輕載或空載下運行。
（2）永磁式直流電動機
永磁式直流電動機磁極磁通工作時保持不變。并勵式直流電動機勵磁繞組與電樞繞組聯在同一電源上，若外電壓不變、勵磁電阻不變，則每極磁通也基本不變。故永磁式、并勵式電動機轉速與轉矩之間的關系基本相同。轉速將隨轉矩的增加而近似地按線性規律下降，但下降很小。即它們具有較“硬”的機械特性，適應性能較差。永磁、并勵式直流電動機常用于減速型起動機。
（3）串勵式直流電動機
串勵式直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組相串聯，電樞電流等于勵磁繞組電流，并與總電流相等。串勵式直流電動機具有起動轉矩大，輕載轉速高，重載轉速低，短時間內能輸出最大功率等特點，具有較“軟”的機械特性，因此特別適合應用于直接驅動式起動機。
（4）復勵式電動機
復勵式電動機的磁極上有兩組勵磁繞組，一組同電樞串聯，另一組則同電樞并聯。復勵式電動機在空載運行的情況下與并勵電動機相似，加了負載后，串勵繞組的磁場將隨負載的增加而加強，運行情況接近串勵電動機。因此它的機械特性比并勵式軟，較串勵式硬。復勵式直流電動機被一些大功率起動機所采用。
3、起動機功率特性曲線
（1）發動機即將起動時，即起動機剛接入瞬間，此時n=0，電流最大（稱為制動電流），轉矩也達最大值（稱為制動轉矩）。
（2）在起動機空轉時，電流Ⅰ?最小（稱為空轉電流），轉速n達最大值（稱為空轉轉速）。
（3）在起動電流接近制動電流的一半時，起動機的功率最大。
由于起動機運轉時間很短，允許它以最大功率運轉，所以把起動機的最大輸出功率稱為起動機的額定功率，其功率特性曲線如圖8所示。
4、起動機的基本參數與計算公式
起動機的功率P（kW）應根據發動機起動所需功率選取，它取決于發動機的起動阻力矩MQ（N·m）和最低起動轉速nQ（r/min），并可由下式計算：
P≥MQnQ/9550
起動機工作時間短暫（僅幾秒鐘），允許在最大的功率狀態下工作。因此，起動機的額定功率一般也就是電動機的最大功率或接近于最大功率。
起動機的電壓通常為12V或24V，不同康明斯機型和型號的起動機電壓也有所不同。一般來說，電壓越高，起動機的輸出功率也就越大，但安裝起來需要更強的電池支撐。
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圖5 柴油機起動機轉矩特性曲線 |
圖6 柴油機起動機機械特性曲線圖 |
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圖7 起動機電動機機械特性對比曲線 |
圖8 柴油機起動機功率特性曲線圖 |
三、起動機的裝配和實驗
1、起動機的拆裝步驟
起動機的裝配步驟要按拆卸時相反的順序進行，注意事項如下。
① 各襯套、電樞軸頸、踺槽等摩擦部位要涂少量潤滑脂。各種墊片不要遺漏，并按順序裝配好。
② 外殼與前、后端蓋結合時，要找準定位孔后再裝配兩根長螺栓并擰緊。
③ 在裝配電磁開關時，一定要按技術要求裝配銜鐵。裝配銜鐵后，要用手拉動，以確定是否裝牢。銜鐵拉桿與撥叉安裝正確無誤后，再安裝電磁開關并擰緊兩個固定螺釘。
④ 帶有絕緣套的電刷，要按技術要求安裝在絕緣電刷架內。
⑤ 起動機裝配完畢后，還應檢查和調整起動機齒輪與鎖緊螺母的間隙。檢查時，將銜鐵推到底，這時驅動齒輪與鎖緊螺母之間的間隙應該在1.5~2.5mm的范圍內，當其間隙
2、起動機的試驗條件
起動機裝配完畢后，一般應在柴油發電機上進行試驗。試驗時，要用電量充足的蓄電池，試驗合格的起動機應滿足下列條件：
① 柴油發電機啟動時，起動機的動力應很足，而且無異常雜聲；
② 電刷與整流子處應無強烈的火花；
③ 啟動時，不允許驅動齒輪出現高速旋轉和齒輪撞擊飛輪齒圈的金屬響聲。
3、空載試驗
如圖9所示，測量起動機的空載電流和空載轉速并與標準值比較：
（1）電流值>標準值，n<標準值，表明裝配過緊或電樞繞組和勵磁繞組內有短路或搭鐵現象。
（2）電流值<標準值，n<標準值，表明內部電路有接觸不良的地方。
注意：每次空載試驗不要超過1分鐘，以免起動機過熱。
4、起動系統的電壓降測試
如圖10所示。電壓降的測試主要檢查起動機主電路的導線連接情況，用數字萬用表的直流電壓檔，按圖6所示進行測量，每個地方測量得到的電壓值應≤0.2V。如果測得某處電壓>0.2V，說明該處的連線有問題。
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圖9 柴油機起動機空載試驗 |
圖10 柴油機起動系統電壓降測試 |
總結：
綜上所述，起動機的工作原理是利用電動機的轉動帶動齒輪傳動機構，從而帶動柴油機開始轉動。起動機中的齒輪傳動機構和離合器也起著非常重要的作用。這些部件的優質材料和精細的制造工藝都是保證起動機正常工作的重要保證。
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