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柴油發(fā)電機起動(dòng)機的特性和試驗條件 |
摘要：起動(dòng)機的作用將蓄電池的電能轉化為機械能，驅動(dòng)飛輪旋轉實(shí)現柴油發(fā)電機的起動(dòng)，它的工作原理涉及到電動(dòng)機、齒輪、電磁開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)繼電器等多個(gè)部件的協(xié)同工作能力。起動(dòng)機主要性能評價(jià)指標有起動(dòng)轉矩、最低起動(dòng)轉速、起動(dòng)功率、起動(dòng)極限溫度等特性。起動(dòng)機也稱(chēng)之為啟動(dòng)馬達，具有應用廣泛，結構簡(jiǎn)單、操作方便、維修容易、成本低等特點(diǎn)，為以柴油發(fā)電機組作為備用電源的工廠(chǎng)和企業(yè)，發(fā)揮穩定的設備啟動(dòng)效率提供支持。
一、起動(dòng)機的組成和原理
起動(dòng)機是柴油發(fā)電機啟動(dòng)系統的重要組成部分之一，與啟動(dòng)系統其他部件線(xiàn)路連接如圖1所示。它的作用是柴油機起動(dòng)時(shí)，使起動(dòng)機的驅動(dòng)齒輪和柴油機飛輪齒環(huán)嚙合，將電動(dòng)機的轉矩傳給飛輪；柴油機起動(dòng)后，自動(dòng)切斷動(dòng)力傳遞，防止電動(dòng)機被柴油機帶動(dòng)，超速旋轉而破壞。
1、電動(dòng)機
起動(dòng)機內部的電動(dòng)機是起動(dòng)機的核心部件，電動(dòng)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(kāi)機按鈕后，啟動(dòng)電路被閉合，電磁鐵便開(kāi)始工作。電磁鐵的作用是將齒輪傳動(dòng)機構的齒輪和柴油機飛輪連接起來(lái)。同時(shí)，電磁鐵還會(huì )將電動(dòng)機的旋轉方向改變90度，使電動(dòng)機的輸出軸可以帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)機構的齒輪。
2、電樞磁場(chǎng)
當電動(dòng)機開(kāi)始轉動(dòng)時(shí)，它的電樞和電刷也會(huì )開(kāi)始旋轉。在電刷的作用下，電樞會(huì )在磁場(chǎng)作用下旋轉。電樞和齒輪傳動(dòng)機構的齒輪相連，因此電樞的旋轉會(huì )帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)機構的齒輪旋轉。齒輪傳動(dòng)機構的齒輪會(huì )通過(guò)萬(wàn)向節傳遞動(dòng)力到柴油機的飛輪上。
3、傳動(dòng)機構
除了電動(dòng)機，起動(dòng)機中的齒輪傳動(dòng)機構也是非常重要的部分。齒輪傳動(dòng)機構由齒輪、軸和軸承組成。在起動(dòng)機啟動(dòng)的過(guò)程中，齒輪傳動(dòng)機構的齒輪需要承受非常大的轉矩，因此齒輪的材質(zhì)和制造工藝都需要比較高的要求。
4、離合器
在起動(dòng)機的啟動(dòng)過(guò)程中，離合器也發(fā)揮了非常重要的作用。離合器的作用是在電動(dòng)機啟動(dòng)之后將齒輪傳動(dòng)機構和柴油機的飛輪連接起來(lái)。離合器的材質(zhì)和結構都需要滿(mǎn)足起動(dòng)時(shí)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(dòng)系統各結構接線(xiàn)圖 |
圖2 起動(dòng)機的電動(dòng)機內部剖面圖 |
5、控制裝置
（1）結構特點(diǎn)
電磁開(kāi)關(guān)主要由電磁鐵機構和電動(dòng)機開(kāi)關(guān)兩部分組成。電磁鐵機構由固定鐵心、活動(dòng)鐵心、吸引線(xiàn)圈和保持線(xiàn)圈等組成。固定鐵心，顧名思義是固定不動(dòng)的，活動(dòng)鐵心則可以在銅套里做軸向移動(dòng)?；顒?dòng)鐵心前端固定有推桿，推桿前端安裝有開(kāi)關(guān)觸盤(pán)，活動(dòng)鐵心后段用調節螺釘和連接銷(xiāo)與撥叉連接。銅套外面安裝有復位彈簧，作用是使活動(dòng)鐵心等可移動(dòng)部件復位。
（2）工作原理
如圖3所示，當吸引線(xiàn)圈和保持線(xiàn)圈通電產(chǎn)生的磁通方向相同時(shí)，其電磁吸力相互疊加，可以吸引活動(dòng)鐵心向前移動(dòng)，直到推桿前端的觸盤(pán)將電動(dòng)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)接通勢電動(dòng)機主電路接通為止。
如圖4所示，當吸引線(xiàn)圈和保持線(xiàn)圈通電產(chǎn)生的磁痛方向相反時(shí)，其電磁吸力相互抵消，在復位彈簧的作用下，活動(dòng)鐵心等可移動(dòng)部件自動(dòng)復位，觸盤(pán)與觸點(diǎn)斷開(kāi)，電動(dòng)機主電路斷開(kāi)。
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圖3 柴油機起動(dòng)機的吸拉過(guò)程示意圖 |
圖4 柴油機起動(dòng)機的復位過(guò)程示意圖 |
二、起動(dòng)機的特性與曲線(xiàn)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(dòng)機電磁轉矩隨電樞電流變化的關(guān)系稱(chēng)為轉矩特性，曲線(xiàn)如圖5所示。在磁路未飽和時(shí)，由于磁通與電樞電流成正比；磁路飽和后，Φ=常數，電動(dòng)機轉矩為M=CmΦⅠ?；在起動(dòng)的瞬間，由于發(fā)動(dòng)機的阻力矩很大，起動(dòng)機處于完全制動(dòng)的情況下，n=0，故反電動(dòng)勢E=0。此時(shí)電樞電流將達到最大值，稱(chēng)為制動(dòng)電流，產(chǎn)生最大轉矩，稱(chēng)為制動(dòng)轉矩，從而使柴油發(fā)動(dòng)機易于起動(dòng)。
2、轉速特性
起動(dòng)機具有軟的機械特性，即輕載轉速高，重載轉速低。在磁路來(lái)飽和時(shí)：
n=｛U-Ⅰ?（Rs+RL）｝/CmΦ.........................（公式3）
M=CmΦⅠ?=CmCιⅠ?²=CⅠ?²
起動(dòng)機的轉速特性即機械特性曲線(xiàn)如圖6所示?？筛鶕煌?lèi)型的電動(dòng)機特點(diǎn)來(lái)選用起動(dòng)機，它們之間曲線(xiàn)對比如圖7所示。
（1）串勵直流電動(dòng)機
串勵直流電動(dòng)機在輕載時(shí)轉速很高，易造成電動(dòng)機"飛車(chē)"事故。因此，對于功率較大的串勵直流電動(dòng)機，不允許在輕載或空載下運行。
（2）永磁式直流電動(dòng)機
永磁式直流電動(dòng)機磁極磁通工作時(shí)保持不變。并勵式直流電動(dòng)機勵磁繞組與電樞繞組聯(lián)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(dòng)機轉速與轉矩之間的關(guān)系基本相同。轉速將隨轉矩的增加而近似地按線(xiàn)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(dòng)機常用于減速型起動(dòng)機。
（3）串勵式直流電動(dòng)機
串勵式直流電動(dòng)機的勵磁繞組與電樞繞組相串聯(lián)，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(dòng)機具有起動(dòng)轉矩大，輕載轉速高，重載轉速低，短時(shí)間內能輸出最大功率等特點(diǎn)，具有較“軟”的機械特性，因此特別適合應用于直接驅動(dòng)式起動(dòng)機。
（4）復勵式電動(dòng)機
復勵式電動(dòng)機的磁極上有兩組勵磁繞組，一組同電樞串聯(lián)，另一組則同電樞并聯(lián)。復勵式電動(dòng)機在空載運行的情況下與并勵電動(dòng)機相似，加了負載后，串勵繞組的磁場(chǎng)將隨負載的增加而加強，運行情況接近串勵電動(dòng)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(dòng)機被一些大功率起動(dòng)機所采用。
3、起動(dòng)機功率特性曲線(xiàn)
（1）發(fā)動(dòng)機即將起動(dòng)時(shí)，即起動(dòng)機剛接入瞬間，此時(shí)n=0，電流最大（稱(chēng)為制動(dòng)電流），轉矩也達最大值（稱(chēng)為制動(dòng)轉矩）。
（2）在起動(dòng)機空轉時(shí)，電流Ⅰ?最?。ǚQ(chēng)為空轉電流），轉速n達最大值（稱(chēng)為空轉轉速）。
（3）在起動(dòng)電流接近制動(dòng)電流的一半時(shí)，起動(dòng)機的功率最大。
由于起動(dòng)機運轉時(shí)間很短，允許它以最大功率運轉，所以把起動(dòng)機的最大輸出功率稱(chēng)為起動(dòng)機的額定功率，其功率特性曲線(xiàn)如圖8所示。
4、起動(dòng)機的基本參數與計算公式
起動(dòng)機的功率P（kW）應根據發(fā)動(dòng)機起動(dòng)所需功率選取，它取決于發(fā)動(dòng)機的起動(dòng)阻力矩MQ（N·m）和最低起動(dòng)轉速nQ（r/min），并可由下式計算：
P≥MQnQ/9550
起動(dòng)機工作時(shí)間短暫（僅幾秒鐘），允許在最大的功率狀態(tài)下工作。因此，起動(dòng)機的額定功率一般也就是電動(dòng)機的最大功率或接近于最大功率。
起動(dòng)機的電壓通常為12V或24V，不同康明斯機型和型號的起動(dòng)機電壓也有所不同。一般來(lái)說(shuō)，電壓越高，起動(dòng)機的輸出功率也就越大，但安裝起來(lái)需要更強的電池支撐。
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圖5 柴油機起動(dòng)機轉矩特性曲線(xiàn) |
圖6 柴油機起動(dòng)機機械特性曲線(xiàn)圖 |
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圖7 起動(dòng)機電動(dòng)機機械特性對比曲線(xiàn) |
圖8 柴油機起動(dòng)機功率特性曲線(xiàn)圖 |
三、起動(dòng)機的裝配和實(shí)驗
1、起動(dòng)機的拆裝步驟
起動(dòng)機的裝配步驟要按拆卸時(shí)相反的順序進(jìn)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(shí)，要找準定位孔后再裝配兩根長(cháng)螺栓并擰緊。
③ 在裝配電磁開(kāi)關(guān)時(shí)，一定要按技術(shù)要求裝配銜鐵。裝配銜鐵后，要用手拉動(dòng)，以確定是否裝牢。銜鐵拉桿與撥叉安裝正確無(wú)誤后，再安裝電磁開(kāi)關(guān)并擰緊兩個(gè)固定螺釘。
④ 帶有絕緣套的電刷，要按技術(shù)要求安裝在絕緣電刷架內。
⑤ 起動(dòng)機裝配完畢后，還應檢查和調整起動(dòng)機齒輪與鎖緊螺母的間隙。檢查時(shí)，將銜鐵推到底，這時(shí)驅動(dòng)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(dòng)機的試驗條件
起動(dòng)機裝配完畢后，一般應在柴油發(fā)電機上進(jìn)行試驗。試驗時(shí)，要用電量充足的蓄電池，試驗合格的起動(dòng)機應滿(mǎn)足下列條件：
① 柴油發(fā)電機啟動(dòng)時(shí)，起動(dòng)機的動(dòng)力應很足，而且無(wú)異常雜聲；
② 電刷與整流子處應無(wú)強烈的火花；
③ 啟動(dòng)時(shí)，不允許驅動(dòng)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(dòng)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(guò)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(guò)1分鐘，以免起動(dòng)機過(guò)熱。
4、起動(dòng)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(dòng)機主電路的導線(xiàn)連接情況，用數字萬(wàn)用表的直流電壓檔，按圖6所示進(jìn)行測量，每個(gè)地方測量得到的電壓值應≤0.2V。如果測得某處電壓>0.2V，說(shuō)明該處的連線(xiàn)有問(wèn)題。
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圖9 柴油機起動(dòng)機空載試驗 |
圖10 柴油機起動(dòng)系統電壓降測試 |
總結：
綜上所述，起動(dòng)機的工作原理是利用電動(dòng)機的轉動(dòng)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)機構，從而帶動(dòng)柴油機開(kāi)始轉動(dòng)。起動(dòng)機中的齒輪傳動(dòng)機構和離合器也起著(zhù)非常重要的作用。這些部件的優(yōu)質(zhì)材料和精細的制造工藝都是保證起動(dòng)機正常工作的重要保證。
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