大型养路机械用大功率柴油机气压启动系统分析

2014-07-30方健康

铁道建筑 2014年7期

方健康

(昆明中铁大型养路机械集团有限公司，云南昆明 650215)

随着我国大型养路机械的快速发展，大吨位、多动作与多功能的大型养路机械要求使用更大功率的柴油机。而这些大功率的柴油机在启动时由于需要更大的启动力矩及持续动能，因此更多地采用了压缩空气启动(气压启动)。气压启动是将压缩空气的能量通过气马达转换成连续回转运动，从而带动发动机的飞轮旋转，使发动机达到一定转速而实现启动的一种方式。这种启动方式与常见的电启动相比，具有防爆性好(适用于恶劣的工作环境，在易燃、高温、振动、潮湿、粉尘等不利条件下都能正常工作)、有过载保护作用(不会因过载而发生烧毁)、相同启动力矩体积小等优点。

1 气压启动系统原理及组成

下面以一大型养路机械发动机气压启动系统为例对该系统的原理及组成进行介绍。如图1所示，该系统主要由空压机产生一定压力范围的压缩空气，贮存在随后的贮风缸里，分别提供给发动机启动气路及大型养路机械的气动及空气制动系统。发动机启动气路又分为主气路和控制气路。主气路经主进气管通过润滑油杯、启动气阀后与气马达连接，用于驱动气马达转动;控制气路主要由远程启动控制电磁阀组成，用于控制启动气阀的通断。整个启动气路结构简单，需要注意的是贮气罐和气马达之间的供气管路应尽量短，管径应等于贮气罐的出口尺寸，供气管最好使用钢管并采用适当支撑固定。

图1 气压启动系统原理与组成

2 气马达及其选取

气马达按结构形式分为叶片式、活塞式和齿轮式三类。在柴油机的气压启动中，目前运用较为广泛的是叶片式气马达。叶片式气马达的基本特性曲线如图2所示。

图2 叶片式气马达特性曲线

叶片式气马达具有软特性。当外负载为0(即空转)时，此时转速达最大值nmax，气马达输出功率为0。当外负载转矩等于气马达最大转矩Mmax时，气马达停转，转速为0，此时输出功率也为0。只有当外负载转矩等于气马达最大转矩的1/2时，其转速为最大转速的1/2，此时气马达输出功率达到最大值Pmax。这是选取气马达时所要求的气马达额定功率。

柴油机启动时，具有一个启动阻力矩M及要求的最低启动转速n，由此可知，选取气马达的最小功率P=Mn/9 540。另外，由图2可知，随着气马达转速的增加，输出扭矩呈线性减小。这与发动机在启动后随转速的增加所需启动转矩也减小的特性是相吻合的，说明气马达启动方式适合柴油机的启动。

3 空压机及贮气罐的选择

空压机的选型主要取决于启动气马达时消耗掉的空气量。表1列出某型发动机空气启动系统的参数。该系统需要的最小空气贮气罐压力是指用来维持发动机要求的最低启动转速的系统最低压力，为344 kPa。

表1 发动机启动参数(环境温度10℃)

根据表1，首先计算启动时气马达所消耗的空气量，即贮气罐所需要的容量，采用下面公式

式中:Vs为启动马达空气消耗量，m3/s;Vt为贮气罐容量，m3;T为启动时间，s，根据装机试验的情况统计，发动机启动的时间通常在2～7 s，计算时取6 s;Pt为贮气罐压力，kPa，为使气马达具有更高的功率，同时考虑大型养路机械气源系统的要求，取该值为862 kPa;Pm为连续启动时罐压力，取620 kPa。一次启动时，该值选用表1中给出的最小罐压力值。由于大型养路机械属于铁路移动式工程机械，结构复杂、布置紧凑，没有更多的空间布置较多的贮气罐，所以按一次启动来取值。

初步计算，用于气马达启动的最小贮气罐的容量Vt=101×0.32×6/(862－344)=0.374 m3，选定值为0.4 m3。因贮气罐体积太大不方便在大型养路机械上布置，所以选取了2个相同的200 L的气罐作为启动贮气罐。

考虑到大型养路机械在使用中两次连续启动的时间间隔不允许过长，所以有必要估算空压机使贮气罐内的气压上升至一定压力时所需的时间，公式如下