ZFD-12方案报告(分系统)

1、编 号密 级阶段标记M档 号保管期限名 称ZFD-12自发电系统设 计 方 案 报 告单位编写校对审核会签标审批准湖北同发机电有限公司名 称名 称ZFD-12自发电系统设计方案报告1 概述1.1 功能、用途ZFD-12自发电系统（以下简称系统）主要由汽车底盘、动力传动装置、电子调速系统、远程控制操作装置、轴带防水无刷发电机及电气控制盒、发电机安装支架等七部分组成。ZFD-12自发电系统为驻车发电，是以陕汽SX2153军用越野汽车载车发动机作为动力源，通过动力传动装置、电子调速系统和远程控制操作装置。带动安装在汽车底盘上的轴带防水无刷发电机工作，向使用设备提供12kw，400/230V，50Hz

2、的三相交流电源。整个系统不占用载车的使用空间，具有操作简单，维护方便，使用时无需人员守候等特点。1.2 设计指导原则根据ZFD-12自发电系统的工作的特性和使用环境，系统设计应遵循下列原则：a) 设计力求做到：先进性、合理性、经济性统筹兼顾，满足各项技术指标要求；b) 贯彻“通用化、系列化、组合化”原则；c) 结构稳定可靠、坚固，能在外界环境因素（振动、冲击、温度、潮湿等）影响下可靠工作；d) 操作方便、维修性好，设计力求简单、安全、可靠、取材方便、便于安装维修，并且有良好的结构工艺性；e) 在设备、附件、辅助设施及工位的布局上，要体现合理、美观、精巧、可靠的原则，遵循人机工程设计要求；f)

3、贯彻执行国标、国军标的有关规定；g) 继承成熟的结构设计，吸收先进的结构设计技术。1.3 引用文件GJB5402-2005 改装车用自发电机组规范GJB235A-97 军用交流移动电站通用规范GJB368A1994 装备检修性通用规范GJB450A2004 装备可靠性工作通用要求GJB8131990 可靠性模型的建立和可靠性预计GJB13711992 装备保障性分析GJB38721999 装备综合保障通用要求GJB12691991 工艺评审GJB939-90 外购器材和质量管理陕汽SX2153系列越野汽车底盘改装手册2 主要技术指标要求2.1 系统主要技术要求额定功率： 12 kW；相数： 3

4、 相；额定电压： 400/230 V；额定电流： 21.7A；功率因数： COS=0.8（滞后）；额定频率： 50 Hz；转速： 1500r/min；稳态电压调整率： £±2%；瞬态电压调整率： £±20%；电压稳定时间： £1S；电压波动率： £0.5%；稳态频率调整率： £±2%；瞬态频率调整率： £±7%；频率稳定时间： £5s；频率波动率： £0.5%。空载电压整定范围： 95%105%U；不对称负载：在一定的三相对称负载下，在其中任一相上再加25%额定相功率的电阻性

5、负载，当该相的总负载电流不超过额定值时机组应能正常工作，线电压的最大（或最小）值与三线电压平均值之差应不超过三线电压平均值的±5%。2.2 环境适应性要求2.2.1系统在下述条件下应能输出规定功率：a) 海拔高度不超过4000m；b) 环境温度：-40+55；c) 空气相对湿度：90% (25时)；d) 有霉菌、盐雾、沙尘影响。2.2.2系统在下述条件下应能输出额定功率：a) 海拔高度1000； b) 环境温度+40；c) 空气相对湿度60。2.3 电磁兼容性自发电系统得个组成设备应互不干扰，正常工作。2.4可靠性系统的可靠性MTBF不小于500h。2.5维修性系统的维修性MTTR不

6、大于3h。3 设计方案系统的设计必须满足项目总体提出的技术要求，设计必须贯彻标准化、系列化和通用化原则，一切从部队的实际情况出发，采用先进的、成熟的技术产品，使系统具有体积小、重量轻、可靠性高、环境适应性好，技术领先、使用维护方便等特点。系统设计应能满足以下要求：a) 系统的安装布置不影响整车的布置（尤其是车厢等）和原车的性能指标。b) 系统能承受（随车）振动、冲击而不影响性能，也不因其它因素而影响工作；c) 系统操作简单，维修方便，使用可靠；d) 系统有不影响车辆正常行驶的可靠保障机构；e) 系统与行车操作机构不相互干涉。3.1系统组成系统主要由汽车底盘、动力传动装置、电子调速系统、远程控制

7、操作装置、轴带防水无刷发电机及电气控制盒、发电机安装支架等组成。系统布局图如图1：1.汽车底盘 2.电子调速系统、远程控制操作装置、电气控制盒 3.动力传动装置 4.发电机安装支架 5.轴带防水无刷发电机图1 ZFD-12自发电系统布局图3.1.1 汽车底盘ZFD-12自发电系统配装汽车底盘为陕汽SX2153军用越野汽车底盘，其主要技术指标为：驱动型式 ： 6X6；发动机型号： 斯太尔WD615.71；型式 ： 六缸水冷直列四冲程增压柴油机；总排量： 9.762L；压缩比 ： 16：1；最大功率 ： 191（2600r/min）kW。3.1.2 动力传动装置自发电系统的动力传动装置主要由取力器

8、和传动轴两部分组成；取力器为获取动力的装置，传动轴为动力传递装置。3.1.2.1动力传动设计要求自发电系统动力传动装置的设计，要保证取力器挂挡灵活、准确、离合顺利；传动轴传递平稳、安装可靠。动力传动装置有良好的润滑条件，不干涉汽车的正常行驶，维修方便。3.1.2.2取力方式汽车需要前桥驱动时的动力传动路线汽车正常行驶时动力传动路线汽车停车发电时动力传动路线发动机分动器取力器传动轴发电机中桥及后桥前桥传动轴变速器传动轴传动轴本方案采用从汽车变速器取力的方式，取力器由汽车底盘厂安装，取力器控制开关安装在汽车驾驶室的仪表盘上，随汽车底盘一并提供。自发电系统动力传动路线如图2所示。图2 自发电系统动力

9、传动路线图系统驻车发电时，取力器通过控制开关，控制取力器上的电磁阀，执行取力器上的齿轮和变速器的齿轮接合，从汽车的变速器上获取发动机动力；停止发电时通过取力器上的电气控制装置，控制取力器和变速器分离；实现取力器在车辆行使和驻车发电两种工作状态的转换。保证不干涉汽车的正常行驶和使用。3.1.2.3 传动方式依据汽车底盘的相对安装空间，发电机的主轴和取力器输出轴极难达到同轴要求，发电机主轴和取力器的输出轴间有一定的位置偏移。本方案选用标准型十字轴式可伸缩型双万向联轴器作为传动轴，将取力器获取的动力平稳传递给发电机。3.1.2.4 动力匹配设计动力匹配设计主要考虑两方面，即功率配套和转速配套。a)

10、功率配套根据K=NeH/P。NeH-输出额定功率（PS）；P-发电机输出的额定功率（kW）之比；K-匹配之比。K值的大小受当地大气压力、环境温度和相对湿度等多种因素的影响，对于平原上使用一般要求的电站，通常K值取1.6，对使用要求较高的电站，K值应取2。本项目汽车发动机的最大功率为191kW，发电机功率为12kW，K值非常大。故本系统的功率配套符合要求。b) 转速配套根据斯太尔WD615.71发动机的外特性曲线，它表示了发动机有效扭矩、有效功率、燃油消耗率与相应转速之间的关系。代表了发动机所具有的最高动力性能，图3为斯太尔WD615.71发动机外特性曲线。图3 发动机的外特性曲线图从图2中可以

11、看出，汽车发动机动力经变速器、取力器和传动轴等传动系统，最后带动发电机转动发电。由于ZFD-12自发电系统是驻车发电，工作时，变速箱应在空挡位置。发电机额定功率为12kW,额定转速1500r/min；依据得发电机需要的扭矩为T=9559×12/1500=76.5N.m。由图3看出，发动机的功率随转速增加不断上升，并在发动机标定转速（最高转速）时达到最大。发动机有效转矩（即车辆牵引力）在发动机中等转速范围内（1800r/min）达到最佳值，此时发动机的有效燃油消耗率geo最低，经济性较好，根据发电机的额定转速为1500r/min, =、 =1800 r/min ；=1.167；自发电系

12、统总的传动比；故；依据SX2153越野汽车使用手册，汽车变速器8档时，速比为1.0。最为接近。故自发电时，变速器选择挂8档发电，自发电系统传动速度匹配。3.1.3 电子调速系统3.1.3.1 电子调速系统选用及工作原理电子调速系统由速度控制器、执行器组成。选用威海西立电子有限公司生产的WXL/SZ-60-3全数字电子调速器。WXL/SZ-60-3全数字电子调速器是为适应信息化社会发展要求而开发的新一代柴油机转速数字化控制系统，实现了工作参数、调试参数、保护参数的数字化和运行过程的程序控制，有效克服了模拟式转速控制系统的固有缺陷。该系统已通过了总后勤部车辆装备检测试验中心的可靠性试验、环境适应性

13、试验、电磁干扰试验、振动试验、浸水试验等一系列试验。并通过了总装陆装客订部产品技术鉴定。 是总后统型配套国内唯一指定厂家，已批量生产。普遍使用在车辆自发电系统上，使用车型有东风系列、陕汽重型车辆系列。配套使用的厂家有辽宁陆平机器股份有限公司（705厂）、重庆耐德山花特种车有限公司等等。和国外厂家同类产品性能对比如下表：类别序号功能WXL/SZ-60-3APECS4000备注1性能指标达到GJB GJB235A-97要求达到GJB GJB235A-97要求2产地国内自主技术美国3鉴定情况通过总装陆装客订部产品技术鉴定未4使用状况普遍一般WXL/SZ-60-3全数字电子调速系统，速度控制器是调速系

14、统的核心，内有可调的比例、积分、微分电路，处理来自发动机飞轮处的速度传感器的信号，将此信号与速度控制器内的额 定转速设定值作比较，通过运算向执行装置输出脉宽调制（PWM）控制信号，执行器将该信号转换为正比的机械动作（前推或后拉），该机械动作通过执行器和发动机油门拉线之间的拉绳改变发动机油门位置，起动时，由速度传感器得到一个近似的正弦波信号，其频率与发动机齿圈的速度成正比，速度传感器信号与速度控制器的脉宽调制信号、执行器的机械动作、发动机油门拉线的工作位置构成发动机速度调节的闭环。电子调速器就是通过该闭环控制来达到调速的，即无论负载大小，发动机转速将始终保持在设定点附近。其工作原理如图4所示，电

15、源控制器微机、软件等调试工具速度传感器执行器发动机油门拉线机械动作脉宽调制信号速度信号图4电子调速系统工作原理图执行器 控制器WXL/SZ-60电子调速器是全数字式电子调速器，它具备全汉字调试软件，调试参数信息化，操作界面简单、清晰；调试过程计算机屏幕实时显示发动机转速曲线；调试参数适时保存。停机后工作参数不改变、不丢失。并设有发动机超速/低速，转速信号丢失程序保护；电源反极性保护。整个调速器采用惰性材料全密封灌装，有效防潮、防震、防酸碱腐蚀。不受外界环境因素的影响，因此转速控制系统只在第一次安装时进行调试、设定，正常使用时无需调整。特别适用于环境差的野外车辆使用。3.1.3.2 电子调速系统

16、的基本参数a) 工作环境工作环境温度：4175;储存环境温度：5585;抗电磁干扰：30V/M20-1500MHz;耐振动强度：10g50-1500Hz；耐冲击强度：25g30Hz。b) 主要技术参数1) 速度控制器工作电压： 24VDC;工作电流： 0.1A6A；2) 速度传感器速度信号有效值： 1.56VAC；信号频率： 127200Hz;波形： 近似正弦波 。3) 执行装置工作电压： 24VDC;运动方式： 拉动式;绝缘等级： F级.c) 技术性能指标经调试后与电子调速系统配套的电站，在额定电压时的频率指标为：频率稳态调整率：£±1.0%；频率瞬态调整率：£

17、±5%；频率稳定时间：£±3s；频率稳态波动率：£0.5%；3.1.3.3 电子调速器系统执行器通过钢丝绳与发动机油门拉线连接，这种装置为柔性连接。电子调速器的控制开关控制其工作和停止两种状态，在系统工作时执行器起作用，车辆行驶时不起使用，且不干涉汽车行驶时对发动机油门拉线的控制。操作简单方便，安全可靠。3.1.3.4 速度传感器和汽车转速表的速度传感器共用，通过发动机飞轮的齿数，获取转数信号，传给速度控制器。3.1.4 远程控制操作装置远程操作系统是由远距离控制开关、取力器控制开关、电子调速器控制开关组成。它的性能与可靠性直接影响自发电系统能否正常运行

18、。远程操作系统在设计时主要从三个方面进行考虑：a) 可操作性；b) 防误操作性；c) 远程操作系统不能干涉汽车的正常行驶。在设计时主要从以下几个方面进行安排：a) 远程操作系统的远程操作开关、取力器控制开关、电子调速系统控制开关安装在汽车驾驶室的仪表盘上；由驾驶员一人控制操作； b) 设置电子调速系统的工作指令，必须在取力器正常使用后才能工作，避免出现误操作；c) 线路和汽车电路相对独立，在设计过程中不对汽车电路作修改，在行车时不影响汽车的操作。控制原理图 如图4 所示：图5：控制原理图AVR电压调节器BTDC24V电源BLX熔断器S1远距离控制开关K继电器X1 取力器气缸发信器H2发电指示灯

19、S2取力器开关JT2取力器电磁阀ACT电子调速器执行器DT调速器控制器H1取力器指示灯SSR速度感应器S3调速器开关工作时，远距离控制开关控制远程操作系统的总电源，打开取力器开关，取力器电磁阀执行工作，取力器和变速器齿轮啮合，取力器汽缸发信器发出正常信号，取力器指示灯亮；并同时提供工作正常信号给继电器，继电器接通，在打开电子调速系统控制开关后，电子调速系统即可工作。如果取力器接合不正常，发信器无信号给继电器，在电子调速器控制开关打开时，继电器断开，电子调速系统不工作。从而避免了误操作。3.1.5 发电机3.1.5.1 发电机的选型及特点发电机采用湖北同发机电有限公司研制的TFW-12-4-2轴

20、带防水无刷发电机。发电机的额定功率为12kW，三相，额定功率因数cos=0.8，额定电压400/230V，额定电流21.7A，额定频率50Hz，额定转速1500r/min，采用无刷励磁并带有自动电压调节器，调压精度高。整个发电机具有体积小、重量轻、密封防水、动态性能好、效率高以及几乎接近免维护等特点。TFW-12-4-2轴带防水无刷发电机是我公司的成熟产品，已批量生产，在2006年9月，总后东北军用物资采购局组织的轴带发电机招标订购会上，该产品排名第一，随后大量使用在辽宁陆平机器股份有限公司（705厂）生产的自行式炊事车、重庆耐德山花特种车有限公司生产的舰艇附油加油车、石家庄华燕汽车检测设备厂

21、生产的汽车安全检测车上。发电机机座采用钢板焊接成型，端盖采用铸造成型，转子采用双轴承支撑，转子整体校动平衡，外壳防护等级为IP57，安装形成为IMB3。主发电机定子为电枢，铁芯叠成斜槽，绕组采用Y接法。励磁机定子铁芯用低碳钢板制成，多极并带有永久磁钢。轴承采用日本NSK接触型封闭轴承，端盖与机座之间的连接加O型密封圈并加注密封胶，在主绕组、辅助绕组和励磁绕组的引线出口灌注硅树脂胶。从而使整个电机在机座、前后端盖和轴承之间形成一个密封区域，防止水进入该区域破坏电机的绝缘性能。发电机的旋转整流桥采用扬州四菱电子有限公司生产的MDS60整流模块，可防尘防水，即使浸水也不影响导电；旋转整流桥安装在电机

22、外风扇处的轴端上，维修简单方便。电压调节器设计成单独的器件和发电机分离，安装在汽车驾驶室里。使用可靠，维护方便。发电机风扇安装在发电机主轴的尾部。在发电机的密封区外，如果浸水，离开水面即可工作。发电机转子绕组采用凸极式，并整体绕线、整体浸漆；转子绕组采用H级绝缘，主绕组采用F级绝缘。发电机发电时，励磁电流在转子绕组产生的热量通过空气和定子铁芯将热量传到机座，定子绕组产生的热量直接通过定子铁芯将热量传到机座，然后均由外风扇直吹机座上的风道，通过机座上的外筋把热量散发出去。达到良好的散热效果。该发电机性能完全符合国际电工委员会标准IEC60034、国家标准GB755-2000旋转电机定额和性能和G

23、JB235A-97军用交流移动电站通用规范等标准要求。在满足国标和国军标指标要求前提下，发电机整体设计上，体现合理、美观、可靠的原则。充分考虑了发电机的防尘、涉水功能。3.1.5.2 发电机调压原理电机起动后，交流励磁机依靠其定子上的磁钢建立电压，该交流电压经旋转整流器整流后，送入主发电机励磁绕组，使主发电机电枢绕组建立电压。随着电机转速的上升，电压逐渐升高，自动电压调节器（A.V.R）开始向交流励磁机提供励磁电流，使主发电机电压迅速上升，并稳定在额定值附近。发电机在正常运行过程中，若因某种原因（例如：负载变化、转速变化、各绕组温度变化等）发电机电压有升高或降低的趋势时，自动电压调节器（A.V

24、.R），能根据这一微小的电压偏差，迅速地减少或增加励磁电流，维持发电机的电压不变。电气原理图见图6。图6 发电机电气原理图3.1.5.3 发电机技术指标发电机代号： TFW-12-4-2；名称： 轴带防水无刷发电机；额定功率： 12 kW；相数： 3相；额定电压： 400/230V；额定电流： 21.7A；功率因数： COS=0.8（滞后）；额定频率： 50Hz；绝缘等级； 转子H级，定子F级；防护等级： 1P57；体积（长×宽×高）: 647 mm×295 mm×314 mm；质量： 152 kg。3.1.5.4 发电机在额定工况下从冷态到热态的电压变

25、化不大于±2%额定电压。3.1.5.5 发电机在空载额定电压时的电压波形正弦性畸变率不超过5%。3.1.5.6 发电机各绕组的温升（电阻法）不大于105k。3.1.5.7 发电机表面清洁美观、油漆涂敷漆膜均匀、无明显裂纹、脱落和划伤。3.1.5.8 发电机的紧固件紧固可靠，有防松措施。3.1.5.9 发电机在-41+55条件下能可靠工作。3.1.5.10 发电机在野外雨天或浸水后，能正常工作。3.1.6 电气控制盒电气控制盒由电压调节器、速度控制器、继电器组成。安装在汽车驾驶室的后排座椅底下；电压调节器、速度控制器的参数一旦设定，后续使用时无需重新调整。且电压调节器、速度控制器均为模

26、块，可达到免维护状态。3.1.7 发电机安装支架安装支架由左右支撑、连接板、减震器组成。发电机通过连接板、减震器和左右支撑连接；左右支撑和汽车底盘的纵梁连接，连接方式全部为螺栓连接，不在汽车纵梁上实施焊接，以避免因焊接影响汽车纵梁的强度，安装支架组成示意图如图7：1. 连接板 2减震器 3.右支撑 4.左支撑 5.汽车纵梁图7：安装支架示意图3.1.8 保护装置ZFD-12自发电系统的保护装置包括：短路保护、过压保护、过流保护、缺相保护、过载保护、过速保护等，过速保护可以通过电子调速控制器控制。其它的保护装置全部合并到汽车厢体的配电控制屏上。4 工艺设计4.1总体工艺要求4.1.1 在制定工艺

27、方案、确定工艺路线的过程中，选择成熟、可靠、稳定的工艺方法，贯彻现行标准，确保产品制造质量满足合同中的各项技术要求。同时重视加工、装配过程的工艺质量控制，包括焊接质量控制、热处理工艺质量、零部件加工过程控制、表面镀涂质量控制等。严格工艺纪律检查，充分履行工艺监督职能。4.1.2 全部设计图纸做到一图一卡，增强工艺对生产加工的指导性、可实施性和合理性。工艺人员对设计图纸进行细致、全面的工艺审查，细化、完善各种工艺文件，使之更具有指导性和可操作性。工艺设计时根据零部件生产的数量，选择适当的加工方法，增加工艺装备，提高批生产的适应性，减少对工人操作技能的依赖。工艺关键件加工按照所质量程序文件相关规定

28、进行。4.1.3 外协加工按外协控制程序所确定的外协原则进行。在出现下述情况之一时，可对产品的相关零部件或者工序采用外协加工：a) 零部件的材料、尺寸等特征超过现有设备规范；b) 设备精度达不到设计要求；c) 本单位不具备加工条件；d) 加工周期满足不了产品计划进度。4.1.4 生产过程中的工艺文件必须齐套、正确、完整，具体包括：a) 加工工艺过程卡片；b) 装配工艺过程卡片；c) 氩弧焊典型工艺；d) 冷作冲压工艺；e) 表面涂覆工艺；f) 磷化处理工艺； 5 可靠性工程5.1 概述产品的可靠性是产品质量的重要组成部分，它是对产品在投入使用时无故障工作能力的度量，作为质量就是生命的军工产品，

29、其产品可靠性至关重要。5.2 可靠性、维修性、保障性设计在设计过程中，充分运用可靠性、维修性、保障性等工程设计技术，确保系统的可靠性及维修性、保障性满足系统指标和有关国军标要求。采取的具体措施如下：a) 所有零、部件和整件尽量采用标准件、通用件，对系统所选用的材料及各元器件进行优选，提高各分部件的可靠性；b) 采用模块化设计，缩短维修时间；c) 各种分部件、零部件在排列和布局上具有较好的可拆卸性及可操作性，尽可能借助于简单通用的工具即可快速拆卸；d) 各种接插座具有防差错措施及识别标记；e) 部分重要设备、部件提供备件，并提供常规的维修工具；f) 结构安装件大量采用标准件和通用件。g) 进行必

30、要的试验验证，不断改进设计，提高产品的可靠性。ZFD-12自发电系统是一种车载移动式电站。因原动机为汽车载车发动机，所以自发电系统主要考虑轴带防水发电机、电子调速系统和安装支架的可靠性，维修性、保障性要求。依据GJB368-87装备维修性通用规范、GJB450-80装备研制与生产可靠性通用大纲对ZFD-12自发电系统进行可靠性，维修性、保障性分析和论证。采用关键件的选型，关键技术的运用。确保可靠性、维修性指标达到设计要求。整个系统的设计和实施过程按照下面模式对整个开发设计、试制、试验、验证过程进行全过程进行监控。进行可靠性、维修性、保障性 “三性”设计军代表参与研制过程的设计、试验的监督满足任

31、务书设计要求试验验证5.6 维修性预计分析要提高自发电系统的任务完车能力，即自发电系统的可用性维修是一种手段，系统一旦发生故障能快速修好，恢复规定的功能，从而提高自发电系统的可用性。我们主要从设计上遵循“简化维修的工作，减少维修工作量及停机时间”的原则。从设计上进行考虑，达到MTTR£ 3h的要求。恢复故障主要包括：故障定位、故障隔离、分解、更换、再装、调试、检测。a) 可换性分析发电机的易损件，如电压调节器，旋转整流器,采用模块式，一旦出现故障，立即更换即可。电压调节器安放在汽车的驾驶室，旋转整流器安装在电机的轴端，拆装更换极为方便。b) 可达性分析电机的连接线两头套上印有标记的热塑塑料套