起動(dòng)機(jī)保險(xiǎn)器的開發(fā)與應(yīng)用

吳子喬，趙 輝

(1.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，2中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所)

1 引言

內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)分為電力起動(dòng)和非電力起動(dòng)兩大類，本文僅探討電力起動(dòng)問題。目前，內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)電機(jī)多采用直驅(qū)式，但直驅(qū)式起動(dòng)機(jī)比較笨重且起動(dòng)時(shí)故障率較高。因此，內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)電機(jī)由直驅(qū)式向減速式發(fā)展過渡已成為整個(gè)行業(yè)的大趨勢(shì)。減速起動(dòng)電機(jī)相比于直驅(qū)式起動(dòng)電機(jī)有小巧輕便、節(jié)省材料、有優(yōu)良的起動(dòng)性能和較低的故障率等特點(diǎn)。但由此帶來的問題也是明顯的:減速式起動(dòng)電機(jī)因?yàn)轶w積重量減小后，熱容量大幅度降低從而導(dǎo)致的過熱問題，電樞轉(zhuǎn)速大幅度提高后的耐超速能力因工藝、材料等原因而受到的限制問題，以及起動(dòng)機(jī)嚙合時(shí)打齒問題。

以美國某品牌電機(jī)為例，直驅(qū)電機(jī)41MT的重量為22.7Kg，而減速電機(jī)38MT的重量?jī)H10Kg。

目前，為解決起動(dòng)機(jī)的嚙合時(shí)打齒難題，提高嚙合可靠性，減速起動(dòng)機(jī)有向兩級(jí)緩嚙合式方向發(fā)展的趨勢(shì)，但這種技術(shù)普遍要求自帶起動(dòng)繼電器。

2 起動(dòng)機(jī)的功能特點(diǎn)、國內(nèi)使用情況及外部環(huán)境

起動(dòng)機(jī)的功能是將蓄電池電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，把內(nèi)燃機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)拖動(dòng)到自行穩(wěn)定運(yùn)行，此后即退出工作。

起動(dòng)機(jī)的工作電壓一般為12Vdc或24Vdc制，其起動(dòng)功率高達(dá)數(shù)千瓦。因此，耗電都在數(shù)百安培至千安培級(jí)別。起動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)效率最高點(diǎn)一般在60%～68%，工作時(shí)的發(fā)熱功率也高達(dá)數(shù)千瓦，受限于車輛的空間和自重要求，起動(dòng)機(jī)的體積和重量通常只有常規(guī)電機(jī)的1/5左右，因此發(fā)熱是極快的;

由起動(dòng)機(jī)的上述特點(diǎn)決定了起動(dòng)機(jī)只能是短時(shí)工作制。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工作時(shí)間5S。最長30S，間歇30S…。

2.1 起動(dòng)機(jī)的國內(nèi)使用狀況

目前，起動(dòng)機(jī)的主要生產(chǎn)廠家在國內(nèi)使用的情況介紹如下:

☆國內(nèi)某合資品牌起動(dòng)機(jī)，客戶主要集中在城市公交或旅游大巴上，其配套起動(dòng)機(jī)的故障率一直較低;

☆國內(nèi)某起動(dòng)機(jī)配套特定工程機(jī)械的減速電機(jī)故障率大大低于其他類型客戶;

☆德國某起動(dòng)機(jī)配套國內(nèi)各發(fā)動(dòng)機(jī)廠，故障率驚人，逐漸淡出了國內(nèi)市場(chǎng);

☆美國某起動(dòng)機(jī)配套國內(nèi)某發(fā)動(dòng)機(jī)的故障率遠(yuǎn)高于北美市場(chǎng)。

2.2 國內(nèi)起動(dòng)機(jī)應(yīng)用的外部環(huán)境

在國內(nèi)，部分高端的工程車輛和客車，其配套的相關(guān)電器件如點(diǎn)火鎖起動(dòng)繼電器等質(zhì)量相對(duì)較穩(wěn)定，并且為提高使用安全性，有些車輛 (如宇通)的豪華大巴車還配備了起動(dòng)保護(hù)電路。

但是，大量的低端車輛如農(nóng)用車、簡(jiǎn)易的工程車等，其配套的相關(guān)電器件質(zhì)量極不穩(wěn)定，包括工藝布線設(shè)計(jì)不合理，更沒有考慮起動(dòng)保護(hù)措施。

因此，可以得出結(jié)論是:車輛狀況好的配套起動(dòng)機(jī)故障率就低，反之就高。目前，國內(nèi)絕大部分車輛的起動(dòng)機(jī)故障率居高不下。

3 導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)失效的各種原因和機(jī)理

導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)失效的原因很多，下面列舉一些常見的原因和失效機(jī)理。圖1給出比較常見的錯(cuò)誤操作:

☆濫起動(dòng)－操作者人為的操作失誤造成;

☆長時(shí)拖動(dòng)－進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)排氣、氣門調(diào)整操作，發(fā)動(dòng)機(jī)不點(diǎn)火故障時(shí)發(fā)生;

☆拖車行駛－車輛下線，發(fā)動(dòng)機(jī)故障發(fā)生后車輛的移動(dòng)操作;

☆過載起動(dòng)－配置公路車輛用的起動(dòng)機(jī)使用在帶有附加液壓系統(tǒng)的工程機(jī)械設(shè)備，尤其是液壓系統(tǒng)液壓油在低溫環(huán)境下油脂變化的影響;

☆長時(shí)超越－操作人員人為操作技能差異;

☆點(diǎn)火鎖卡滯;

☆起動(dòng)繼電器不斷電;

☆外接負(fù)載連接到起動(dòng)機(jī)電磁開關(guān)控制端，造成電磁開關(guān)電磁不平衡，致使開關(guān)不易斷電;

☆行駛中誤起動(dòng)－操作者誤操作;

☆起動(dòng)繼電器安裝方位錯(cuò)誤在振動(dòng)條件下觸點(diǎn)閉合;

☆使用的起動(dòng)繼電器不適合為車輛應(yīng)用;

☆控制線路短路，在起動(dòng)機(jī)之外接通了電源。

4 起動(dòng)機(jī)最主要的幾種失效模式

目前的起動(dòng)機(jī)的失效模式主要有以下幾種:☆換向器超速甩排飛散35%;

☆電樞及定子線圈過熱燒毀25%;

☆單向器失效20%;

☆開關(guān)線圈燒毀5%;

☆其他 (如各類機(jī)械磨損或斷線等)15%。

這里需要特別指出，在以上故障分析中，對(duì)于帶繼電器的兩級(jí)嚙合式起動(dòng)機(jī)，繼續(xù)解剖繼電器，其線圈燒糊的比例高達(dá)70%，如圖2所示。

圖2 通電時(shí)常與線圈發(fā)糊程度的關(guān)系圖片

5 應(yīng)對(duì)措施

5.1 起動(dòng)機(jī)的過載和超速能力狀況

為了盡量降低起動(dòng)機(jī)使用時(shí)的故障率，適應(yīng)用戶的過度使用情況，起動(dòng)機(jī)廠家在設(shè)計(jì)起動(dòng)機(jī)時(shí)都留有足夠的富裕度。但是，由于熱容量的問題，減速起動(dòng)電機(jī)的富裕度相比直驅(qū)起動(dòng)電機(jī)的富裕度是下降的。

以美國某起動(dòng)機(jī)為例:700A重載冷啟動(dòng)30S的循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)于直驅(qū)起動(dòng)機(jī)41MT可以輕松超過7次，而減速起動(dòng)機(jī)38MT僅能通過3～5次就燒毀了。

以國內(nèi)某起動(dòng)機(jī)為例:發(fā)動(dòng)機(jī)1500rpm超越試驗(yàn)，QD2618直驅(qū)起動(dòng)機(jī)對(duì)陣QDJ2762，前者可持續(xù)15min以上，而后者僅能維持5min左右。

因此，有用戶抱怨說現(xiàn)在的減速起動(dòng)機(jī)還沒有原先的老式起動(dòng)機(jī)耐用，就是這個(gè)原因。但與上述行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比其富裕度也是相當(dāng)大的。

5.2 起動(dòng)機(jī)的各種保護(hù)措施

☆車輛廠－－加裝各種形式的保護(hù)電路。其中，最為經(jīng)典的是英國某公司最早提出的由發(fā)電機(jī)中心點(diǎn)引出信號(hào)以控制一個(gè)常閉觸點(diǎn)的繼電器。發(fā)動(dòng)機(jī)著車后，繼電器斷電，切斷點(diǎn)火回路，如圖3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)并接常閉觸點(diǎn)繼電器

當(dāng)然還有很多其他類似的繼電器保護(hù)線路都是利用發(fā)動(dòng)機(jī)著車后的各種信號(hào)來控制切斷起動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火回路。

☆發(fā)動(dòng)機(jī)廠或車輛廠的ECU－－激活原有的點(diǎn)火控制功能，外加相應(yīng)的保護(hù)繼電器。如某發(fā)動(dòng)機(jī)廠增加的保護(hù)電路，如圖4所示。

圖4 某一發(fā)動(dòng)機(jī)繼電器保護(hù)線路

☆起動(dòng)機(jī)廠自帶保護(hù)措施－－熱保護(hù)。如美國某公司的起動(dòng)機(jī);

☆起動(dòng)機(jī)廠自帶保護(hù)電路－－電子保護(hù)。

以及各類形式的保護(hù)方案，綜合比較優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 各類保護(hù)方案優(yōu)缺點(diǎn)綜合比較

6 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果及最適合的起動(dòng)保護(hù)形式

6.1 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過繼電器線圈發(fā)糊程度與通電時(shí)長的比對(duì)情況看，反推實(shí)際燒糊的線圈至少連續(xù)通電在5min以上，我們不難理解，起動(dòng)機(jī)其他部位會(huì)因當(dāng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)而導(dǎo)致各種不同的失效后果。

根據(jù)模擬試驗(yàn)和市場(chǎng)調(diào)研的結(jié)果我們得出的結(jié)論是:至少60%以上的起動(dòng)機(jī)失效是由于點(diǎn)火鎖或點(diǎn)火繼電器等前端相關(guān)器件沒有及時(shí)斷電造成的。我們歸納為單次起動(dòng)時(shí)間超長后導(dǎo)致的失效。

6.2 最適合需要的起動(dòng)保護(hù)形勢(shì)

針對(duì)此種現(xiàn)象，我們認(rèn)為僅在起動(dòng)機(jī)上加裝限時(shí)起動(dòng)保護(hù)器就可以達(dá)到較好的保護(hù)效果。因此，我們推出了僅有限時(shí)功能的起動(dòng)保護(hù)器，限時(shí)時(shí)間為20～30S。

7 限時(shí)保護(hù)器的特點(diǎn)及加裝前后的效果對(duì)比

7.1 限時(shí)保護(hù)器的特點(diǎn)

該限時(shí)型的起動(dòng)保護(hù)器有如下幾大優(yōu)點(diǎn):

⑴主動(dòng)限時(shí)保護(hù)。遇到單次長時(shí)間起動(dòng)操作，保護(hù)器可在20～30S(可調(diào)整)內(nèi)自動(dòng)斷開繼電器電源;

⑵正常的短時(shí)起動(dòng)操作與未加裝保護(hù)器時(shí)無異;

⑶再次起動(dòng)無時(shí)間間隔限制，多次起動(dòng)也無次數(shù)限制，因此可滿足緊急情況下必須的起動(dòng)需求;

⑷接線方便，外觀無變化。因保護(hù)器僅僅是串接在繼電器線圈的搭鐵端，是起動(dòng)機(jī)廠家內(nèi)部的改變。對(duì)于用戶而言，原接線方式?jīng)]有任何改變。

該限時(shí)型的起動(dòng)保護(hù)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，安裝使用方便，成本相對(duì)較低，所以一經(jīng)推出，即受到廣大整車用戶和終端客戶的普遍歡迎。

雖然僅僅只有簡(jiǎn)單的限制單次起動(dòng)時(shí)間的保護(hù)作用，但對(duì)于大多數(shù)燒毀或超速甩排等失效模式系由起動(dòng)回路未及時(shí)斷電這一引發(fā)因素而言，這個(gè)功能已經(jīng)足夠起到防火墻的作用了。

7.2 加裝限時(shí)型起動(dòng)保護(hù)的效果對(duì)比

2011年9月，玉柴選擇了一款質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定的B7617－3708100起動(dòng)機(jī)作為試點(diǎn)。跟蹤統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5。

以2011年9月為界，此前32個(gè)月的綜合故障率為12474ppm，而此后至今的綜合故障率將為了6084ppm，降低了一半多。

圖5 B7617－3708100起動(dòng)機(jī)跟蹤統(tǒng)計(jì)結(jié)果

8 結(jié)束語

本文介紹了起動(dòng)機(jī)的功能特點(diǎn)、國內(nèi)使用情況及外部環(huán)境，起動(dòng)機(jī)失效及解決措施，限時(shí)保護(hù)器的特點(diǎn)及加裝前后的效果對(duì)比，得出起動(dòng)機(jī)加裝起動(dòng)保險(xiǎn)器的必要性，經(jīng)一段時(shí)間使用，加裝限時(shí)保護(hù)器的起動(dòng)機(jī)故障率明顯降低。

［1］吳子喬、孔令鑫、趙輝.限時(shí)保護(hù)器在內(nèi)燃機(jī)電起動(dòng)中的應(yīng)用［M］.機(jī)電元件，2012.2

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