挖掘机起动回路的设计方法研究

卢春霖 彭兴德 严德富

摘要：本文对挖掘机起动回路的构成和特点进行阐述分析，对涉及起动回路的主要部件：起动马达、蓄电池、继电器、电缆和整个回路系统的匹配进行了分析研究，并以某一型号挖掘机W40进行了举例计算验证，通过计算匹配可以有效保证起动回路的合理性和可靠性。

关键词：挖掘机;起动回路;起动马达;蓄电池;继电器;电缆;匹配

0  引言

挖掘机被誉为“工程机械之王”，广泛应用于土石方工程、市政工程、路面修复、农田改造、混凝土破碎、管道铺设、园林栽培及河沟清淤等基础建设和生产领域;显而易见，一旦挖掘机发生故障无法起动，极有可能使驾驶员和挖掘机置于危险环境，挖掘机的起动性能可靠性就显得尤为重要。因此，开展挖掘机起动回路设计研究具有相当重要意义。

1  挖掘机起动回路组成

图1为某一型号挖掘机W40的起动回路的构成，主要包含：点火开关、控制器、起动继电器、电起动马达（以下简称起动马达）、蓄电池、电缆电线等。起动过程如下：整车通电点火开关输出点火信号，控制器通过运算确定满足起动条件后，驱动起动继电器工作，从而起动马达慢转拨叉移动，齿轮与飞轮齿圈啮合，马达加速运转扭矩加大使得发动机曲轴获得很大的转矩，从而克服发动机和泵的总阻力矩而成功起动。本文通过某一型号挖掘机W40为例进行起动回路设计方法讨论和研究。

2  挖掘机起动回路各部件匹配方法研究

2.1 起动马达的匹配

由图1可见，液压泵通过联轴器和发动机输出轴机械连接，这意味着起动阶段起动马达不仅需要克服发动机的总阻力矩Te，还需要克服液压泵的阻力矩Th。图2为挖掘机W40上选用的起动马达的特性曲线，当转速为0时马达扭矩对应T曲线的值即是马达所能达到的最大力矩Ts。起动马达的最大力矩Ts必须保证能克服实际所需的初始发动机总阻力矩Te0和初始液压泵阻力矩Th0之和，保证发动机飞轮转动起来。为了保证成功点火，应保证起动马达可拖动发动机的转速不低于发动机能够起动成功的转速[1]。

发动机阻力矩Te主要包含摩擦阻力矩、压缩阻力矩和惯性阻力矩;温度越低，机油、柴油粘度越大，摩擦阻力矩、压缩阻力矩相应越大，所以起动马达参数匹配应以发动机最低起动温度进行考量。通过标定，W40的发动机在-18℃时能成功起动的转速n为120r/min，起动阻力矩Te为358Nm，起动初始阻力矩Te0为502Nm;其匹配的液压双联泵的单泵排量Vg为28ml/r，起动压力为p为3.9Mpa，泵的容积效率ηv为0.9，设计安全系数为1.2;计算起动马达所需的输出功率P：

起动马达最佳工作范围应处于特性曲线的左边，在最大功率曲线80～95%的区域内最为合理。这时，发动机起动时，起动马达随时有更大的储备功率发挥[2]。为了保证起动性能，起动马达工作在最大功率曲线80%位置，同时考虑电磁效率ηd，按经验可取为0.9，起动马达理论功率Pm为如下：

由图2可得马达额定功率7.5kW，其功率大于理论计算值的7.06kW，匹配合理;其起动初始阻力矩Te0为502Nm，液压泵初始阻力矩Th0一般在Th的1.2～1.5倍，在此按照1.5系数计算，约70Nm;则起动阻力矩总和T0为572Nm，发动机飞轮齿数为127，起动马达齿数为11，则起动系传动比i=127/11=11.5，对应的起动马达需要最大扭矩值为：

由该起动马达的制动性能参数表1可见，转矩最低180Nm，满足扭矩大于49Nm的要求。由特性曲线图2可知，在起始扭矩点，Ts=49Nm时，起动马达转速为1250r/min，柴油机对应转速为108.7r/min，满足柴油机起动的条件。该起动马达合理匹配该发动机和液压泵。

2.2 蓄电池的匹配

蓄电池作为起动马达的主电源及整车供电的辅助电源，关键指标主要为容量及冷起动电流。蓄电池容量决定其提供给整车持续电流消耗的能力，冷起动电流能力决定低温起动发动机的能力。

2.2.1 蓄电池容量的计算

蓄电池容量的计算方式可以按照以下经验公式来估算：

其中：Q为蓄电池20小时率额定容量，单位为Ah;P为起动马达机额定功率，单位为kW;U为蓄电池标称电压值。

挖掘机W40匹配的起动马达额定功率为7.5 kW，则使用该起动马达的蓄电池容量经验值为：Q=500*7.5/24Ah=156Ah;蓄电池容量选择165Ah比较适宜。

2.2.2 蓄电池冷起动电流的匹配

在起动马达的选型确认之后，根据发动机和起动马达可以确定冷起动电流：对于发动机，其AEB手册一般提供有最小冷起动电流的指标Imin;通常比较容易忽略的参数冷起动电流上限值，对于起动马达，当加载在其线圈上的电流超出其承受上限时，线圈容易出现温度升高造成线圈间绝缘降低甚至失效而导致短路烧毁线圈绕组的故障。所以，选择冷起动电流的最大值Imax应以起动马达可承受最大电流为上限，以有效保护起动马达;防止起動马达过载的情况下蓄电池持续提供过大电流导致起动马达损坏。

挖掘机W40匹配的发动机AEB规定最小冷起动需求电流Imin为900A，其匹配的起动马达最大允许电流Imax为1250A，则选择的蓄电池冷起动电流应该在900～1250A之间。

如发动机和起动马达未提供最小冷起动电流和最大可承受电流，则可按以下方法去计算蓄电池的冷起动电流。

由起动马达的特性曲线可知在发动机起动瞬间起动马达的电枢电流IS，蓄电池的低温起动电流ICCA应大于IS。由于蓄电池在极端低温下的起动能力会大幅降低和蓄电池随着使用时间增加而容量下降，为保证起动能力，ICCA应乘以安全系数，按经验一般取1.4～1.7之间。挖掘机W40所用发动机成功起动时的转速为120r/min，起动系传动比i为11.5，则起动马达对于转速为1380r/min，从图2特性曲线可以看出，此时IS对应电流为520A，安全系数取1.7：则ICCA>1.7XIS=884A;根据图2，当转速为0时的电流作为电机最大承受电流，W40挖掘机起动马达的最大承受电流约为1730A;同时根据蓄电池在20℃下降至-18℃，其内阻变化倍率为1.5的规律[3]，则在-18℃时，电机可以承受的电流ICCA<1730/1.5=1153A;则蓄电池冷起动电流应该在884～1153A之间。

可见，两种方法所得的蓄电池冷起动电流趋势一致，可以取其共同区间，蓄电池冷起动电流取值为：900A

综上，挖掘机W40所匹配合适的蓄电池冷起动和容量参数为：1000CCA，165Ah。

2.3 电路设计的匹配

2.3.1 起动保护电路的设计

在起动成功后，起动马达齿轮和发动机飞轮齿圈应能及时分离，避免间磨损和起动马达超速;起动马达应避免长时间工作;发动机在运行过程中不允许起动;考虑安全，起动和液压系统需要考虑联锁。如图3为挖掘机W40的起动保护电路逻辑图，通过起动回路的设计，避免了二次起动或者起动时间过长损坏起动马达的问题。

2.3.2 起动继电器的匹配

起动继电器主要通过小电流控制大电流，其在起动回路中也十分重要。图4为挖掘机W40的起动继电器和起动马达线路图，起动继电器的作用是让起动马达的电磁开关的推拉线圈和保持线圈工作。因此，起动继电器主触点容量允许电流值必须要大于推拉线圈和保持线圈的总电流值，以保证电磁开关正常工作。

为保证起动继电器对线路阻抗的抗干扰能力，继电器的电阻宜大于10Ω;考虑挖掘机工作一段时间后，线芯氧化，接头间接触电阻增大，起动回路应能对这些电阻增大有足够的抗干扰能力，设计阶段可按2Ω的容差能力进行考虑。

如挖掘机W40为24V系统，按SAE定义，起动瞬间蓄电池电压Ub最低可跌至14.4V，即Ubmin=14.4V;理论计算W40从点火开关至控制端子50c的等效电阻Rx理论为0.36Ω，设计阶段考虑2Ω的容差，则从点火开关至控制端子50c的等效电阻Rx=2+Rx理论=2.36Ω。选取起动继电器的电阻为Ry=13.83Ω，其电阻大于10Ω，满足电阻要求。则50c端的最低電压

选取继电器的最低保持电压为8V，U50cmin=12.3V>8V，故起动继电器在考虑2Ω容差后保证起动过程起动继电器正常工作。

2.3.3 起动马达回路电阻的匹配

起动马达在工作时需要很大的起动电流，起动回路电阻很小。这就要求尽量减少电缆的长度，电缆加粗，减少接头连接。

挖掘机W40起动马达要求起动回路电阻控制在2mΩ以内，其起动回路电阻R总包含电缆线阻R电缆、电缆接头和电缆线之间的压接电阻R压接、电缆和蓄电池、起动马达的接触电阻R接触。其中R压接和R接触是定值。通常每个接触点的接触电阻为0.01mΩ，其中正负极电缆共2根，压接接头4个，则R压接为0.04mΩ;电缆和蓄电池、起动马达的接触点共2处，则R接触为0.02mΩ。

R电缆max=R总max-R压接-R接触=1.94mΩ

挖掘机W40使用70mm2的铜电缆，根据电阻计算公式R=ρL/S，ρ表示电缆的电阻率，20℃时铜的电阻率为0.0175Ωmm2/m，L表示电缆的长度，S表示电缆的横截面积，可以计算出电缆总长最大尺寸：

在设计阶段就要考虑电瓶的布置及电缆的布置，确保线缆总长度控制在Lmax 之内，电缆长度越短越有利于起动。

挖掘机W40起动回路各部件按此匹配完毕，实车通过2000小时可靠性试验及-18℃低温试验，主要部件蓄电池、起动马达、起动继电器等未出现损坏现象，验证了计算的合理性。

3  结语

挖掘机的起动回路涉及部件较多，任何一个部件的选型匹配不合理都可能导致起动困难或部件故障;在实际情况应用中，除却理论计算外，还需对相关部件的适应性和安装位置关注，尤其是需要注意部件的防护等级、抗震能力是否满足实际应用工况。持续开展挖掘机起动回路的研究对提升挖掘机可靠性指标具有重大意义。

参考文献：

[1]马旗，李元新，赵培山，刘克村.电起动马达的选型及应用[J].内燃机与动力装置，2008，6.

[2]唐良才，方炜柱，汪耀明.直流起动马达与中小功率柴油机的匹配选择[J].小型内燃机，2000，2.

[3]李国辉，于萌.柴油载货汽车起动系统匹配技术研究[J].汽车电器，2011，8.

作者简介：卢春霖（1984-），男，广西北流人，广西柳工机械股份有限公司，工程师，主要研究方向为挖掘机电器系统。