城軌調(diào)車機(jī)車柴油機(jī)與變扭器匹配特性研究

李連凱 劉 軍 楊大偉

(中車資陽機(jī)車有限公司 四川 資陽 641300)

0 概述

城軌調(diào)車機(jī)車的功率范圍在300 kW～600 kW左右，絕大部分采用液力傳動。相對于電力傳動，液力傳動采購成本和維護(hù)成本更低；相對于機(jī)械傳動，液力傳動具有力矩自動適應(yīng)性、液力制動、帶負(fù)載起動及限矩保護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。液力傳動城軌調(diào)車機(jī)車柴油機(jī)和變扭器選型主要考慮兩者功率輸入輸出和轉(zhuǎn)速輸入輸出，很少分析兩者的動力性和經(jīng)濟(jì)性的匹配性能。如果兩者動力性和經(jīng)濟(jì)性匹配較差，液力傳動的優(yōu)點(diǎn)就得不到充分發(fā)揮，甚至導(dǎo)致燃料消耗增加，生產(chǎn)率降低[1-2]。但目前沒有對城軌調(diào)車機(jī)車類似的相關(guān)研究及應(yīng)用。某城軌調(diào)車機(jī)車采用直列式6缸CAT C18柴油機(jī)、額定功率為470 kW、采用渦輪增壓和電子控制、進(jìn)氣系統(tǒng)采用ATAAC冷卻方式、缸徑145.0 mm、行程183.0 mm，下文針對城軌調(diào)車機(jī)車柴油機(jī)及變扭器匹配性進(jìn)行研究分析，并應(yīng)用到機(jī)車牽引特性計(jì)算分析當(dāng)中。

1 特性曲線

1.1 CAT C18型柴油機(jī)萬有特性曲線

柴油機(jī)扭矩Me、功率Pe和燃油消耗率ge均隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速而變化，這一特性稱之為柴油機(jī)速度特性，柴油機(jī)特性曲線可以通過試驗(yàn)臺測試獲得。根據(jù)供應(yīng)商提供的相關(guān)參數(shù)，以柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，將柴油機(jī)燃油消耗率、扭矩和功率繪制在同一坐標(biāo)系中，得到CAT C18型柴油機(jī)萬有特性曲線[3]，如圖1所示。

圖1 CAT C18型柴油機(jī)萬有特性曲線

由圖1可知，功率隨轉(zhuǎn)速升高而升高，燃油消耗率在1 300 r/min時(shí)最低、扭矩在1 300 r/min時(shí)最大。要使柴油機(jī)工作性能最好，需要保證機(jī)車啟動時(shí)柴油機(jī)的扭矩值盡量在最大點(diǎn)，在正常工作時(shí)柴油機(jī)的燃油消耗率盡量在最低點(diǎn)。

1.2 變扭器原始特性曲線

變扭器利用工作液體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和工作輪葉片流道的工作液體流動，實(shí)現(xiàn)能量傳遞和轉(zhuǎn)換。根據(jù)外部載荷大小的不同，工作液體沖擊導(dǎo)輪的方向和夾角不同，渦輪力矩和轉(zhuǎn)速也不同。這種載荷自適應(yīng)特性能夠保證機(jī)車在復(fù)雜負(fù)載條件下穩(wěn)定工作[4]。變扭器原始特性數(shù)據(jù)如表1所示。

在變扭器葉片傾角、葉片型式和有效圓直徑一定的情況下，力矩系數(shù)λ、效率η和變扭系數(shù)K與轉(zhuǎn)速比存在一定的規(guī)律，這種采用無因次特性參數(shù)所表示的曲線叫做原始特性曲線。根據(jù)變扭器試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表1)，以轉(zhuǎn)速比為共同橫坐標(biāo)，將變扭系數(shù)、力矩系數(shù)和效率繪制在同一坐標(biāo)系中，得到變扭器原始特性曲線，如圖2所示。

表1 變扭器原始特性數(shù)據(jù)

圖2 變扭器原始特性曲線

由圖2看出：效率曲線呈倒拋物線，隨著轉(zhuǎn)速比i的增加，逐步增加到最高效率點(diǎn)，隨后又隨著轉(zhuǎn)速比i的增加，逐步降低。將效率為75%水平橫線上方的區(qū)域，即效率≥75%的區(qū)域定義為高效率區(qū)。效率為75%水平橫線與效率拋物線相交于a點(diǎn)和b點(diǎn)，這2個交點(diǎn)對應(yīng)的橫坐標(biāo)臨界轉(zhuǎn)速比分別為i=0.25和i=0.68，即當(dāng)變扭器工作轉(zhuǎn)速比i范圍為0.25～0.68時(shí)，變扭器處于高效率工作狀態(tài)。

2 匹配特性評價(jià)

2.1 繪制共同工作特性曲線

將CAT C18型柴油機(jī)萬有特性曲線和變扭器原始特性曲線結(jié)合起來，判定共同工作匹配特性。

變扭器輸入扭矩與輸入轉(zhuǎn)速n(該車輸入轉(zhuǎn)速與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速相同)、力矩系數(shù)λ、工作油重度γ(常數(shù))有效工作圓直徑D有如下關(guān)系。

M=λ×γ×n2×D5

(1)

力矩系數(shù)λ與轉(zhuǎn)速比i為變扭器原始特性，對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。為評估機(jī)車在啟動工況時(shí)(i=0)的啟動性能以及高效率區(qū)經(jīng)濟(jì)性能(i=0.25～0.68)。由表1讀取轉(zhuǎn)速比i=0.25和i=0.68時(shí)對應(yīng)的力矩系數(shù)分別為λ0.25=0.684×10-3和λ0.68=0.583×10-3(近似取得)，i=0時(shí)對應(yīng)力矩系數(shù)為啟動工況時(shí)的特殊狀態(tài)，變扭器i=0時(shí)對應(yīng)的力矩系數(shù)為λ0=0.799×10-3。

將3個力矩系數(shù)和CAT C18型柴油機(jī)不同轉(zhuǎn)速，分別代入式(1)，以柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，分別繪制i=0、i=0.25和i=0.68這3條負(fù)載的拋物線，同時(shí)將圖1中CAT C18型柴油機(jī)扭矩、燃油消耗率繪制到同一個表中，形成以柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)、以柴油機(jī)扭矩、泵輪輸入扭矩和燃油消耗率為縱坐標(biāo)的變扭器和柴油機(jī)共同工作特性曲線，如圖3所示。

圖3 變扭器和柴油機(jī)共同工作特性曲線

2.2 匹配特性評價(jià)

柴油機(jī)與變扭器匹配性能優(yōu)劣，主要通過啟動時(shí)的動力性能和高效率區(qū)間的燃油經(jīng)濟(jì)性來判斷，即在啟動時(shí)具有最大扭矩，在高效率區(qū)間工作時(shí)具有最低燃油消耗率[5]。

在機(jī)車啟動時(shí)，為了保證動力性能，應(yīng)使其能夠獲得最大轉(zhuǎn)矩，也就是i=0的拋物線應(yīng)通過柴油機(jī)最大扭矩點(diǎn)。從圖 3可以看出，雖然i=0的拋物線并未通過柴油機(jī)最大扭矩點(diǎn)，但其與扭矩曲線交點(diǎn)對應(yīng)的柴油機(jī)扭矩為2 600 N·m(圖3中b點(diǎn))，為柴油機(jī)最大扭矩2 800 N·m(圖3中a點(diǎn))的92.8%，以此判定，啟動動力性能良好。

為保證柴油機(jī)常規(guī)作業(yè)時(shí)具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，在變扭器高效率工作區(qū)間，燃油消耗率應(yīng)處于柴油機(jī)最低水平。從圖 3可以看出，燃油消耗率的最低點(diǎn)(圖3中c點(diǎn))位于i=0.25負(fù)載拋物線和i=0.7負(fù)載拋物線之間，由此可以判定燃油經(jīng)濟(jì)性能良好。

3 牽引性能評價(jià)

城軌調(diào)車機(jī)車用戶要求機(jī)車牽引5 000 t時(shí)，速度達(dá)到20 km/h；機(jī)車牽引2 000 t時(shí)，速度達(dá)到30 km/h。在確定了柴油機(jī)和變扭器的匹配關(guān)系滿足要求以后，結(jié)合機(jī)車總體參數(shù)，評價(jià)機(jī)車牽引性能。

3.1 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CAT C18型柴油機(jī)自由端驅(qū)動后變速箱和直流發(fā)電機(jī)，動力輸出端驅(qū)動液力傳動箱(內(nèi)含變扭器)，經(jīng)過萬向軸、輪對驅(qū)動裝置，最終驅(qū)動機(jī)車運(yùn)行。城軌調(diào)車機(jī)車傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—輪對驅(qū)動裝置；2—萬向軸；3—液力傳動箱；4—CAT C18型柴油機(jī)；5—直流發(fā)電機(jī)；6—后變速箱。圖4 城軌調(diào)車機(jī)車傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 機(jī)車牽引特性曲線

機(jī)車牽引特性曲線是反應(yīng)機(jī)車在不同機(jī)車速度v(km/h)下，對應(yīng)的機(jī)車牽引力F(kN)曲線。

機(jī)車速度v為

(2)

式(2)中：n為CAT C18型柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；it為機(jī)車總轉(zhuǎn)速比，取14.7；D為機(jī)車輪徑，取0.84 m。

機(jī)車牽引力F為

(3)

機(jī)車平直道牽引運(yùn)行總阻力Ft為

(4)

式(4)中：G1為機(jī)車質(zhì)量，為52 t；ω1為機(jī)車運(yùn)行單位阻力，N/kN；G2為被牽引貨車質(zhì)量，計(jì)算時(shí)，分別牽引2 000 t和5 000 t；ω2為被牽引貨車運(yùn)行單位阻力，N/kN。

ω1=2.93+0.007 3×v+0.000 271×v2

(5)

ω2=0.92+0.004 8×v+0.000 125×v2

(6)

以機(jī)車速度為橫坐標(biāo)，繪制機(jī)車牽引性能曲線，如圖5所示。

圖5 機(jī)車牽引性能曲線

由圖5可以看出，機(jī)車速度20 km/h，機(jī)車牽引力點(diǎn)a在機(jī)車牽引5 000 t速度20 km/h的阻力a′ 的上方；機(jī)車速度30 km/h，機(jī)車牽引力點(diǎn)b在機(jī)車牽引2 000 t速度30 km/h時(shí)阻力b′ 的上方。由此可以判定該機(jī)車牽引性能滿足要求。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)共同工作曲線，依據(jù)柴油機(jī)與變扭器匹配評價(jià)原則，判定城軌調(diào)車機(jī)車柴油機(jī)和變扭器匹配特性，滿足啟動動力性能要求和高效率區(qū)運(yùn)行時(shí)的低燃油消耗率的要求，匹配特性良好。

(2)根據(jù)扭矩與轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合變扭器工作特性，轉(zhuǎn)換為機(jī)車牽引力與機(jī)車速度對應(yīng)關(guān)系，同時(shí)考慮用戶牽引要求，繪制牽引特性曲線。根據(jù)特性曲線判定城軌調(diào)車機(jī)車匹配的動力系統(tǒng)滿足用戶的牽引要求。