淺析液力傳動裝置在軌道交通上的應用

劉金林，范曉望，趙遠征

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中機試驗裝備股份有限公司，吉林 長春 130103)

1 引 言

內(nèi)燃動車組常以動力包或柴油發(fā)動機為動力源，與之匹配發(fā)電機、變流器、牽引電機或變速箱等，形成不同的驅(qū)動方式，主要有3種類型：電力驅(qū)動、液壓傳動和液力傳動。在碳達峰和碳中和的浪潮下，我國已逐步淘汰內(nèi)燃動車組。但在東歐及拉丁美洲，機械傳動型內(nèi)燃動車組憑借其簡單、可靠、制造及應用成本低廉的優(yōu)勢，仍舊在軌道交通領域占有一席之地。動力包與變速箱組合構成動力傳動系統(tǒng)時，往往會帶來較大的振動和沖擊，沖擊較大時會造成動力包柴油機熄火。采用液力變矩器能夠有效減少機械傳動帶來的振動，提高傳動效率。

2 液力傳動裝置

2.1 液力傳動裝置構成

常規(guī)汽車的變速箱由機械換擋機構、液力換擋機構和液力變矩器組成[1]。軌道交通用液力傳動裝置與汽車用變速箱具有相似的結構，也包含齒輪組和變矩器。以公司研制的中美洲內(nèi)燃動車組為例，其液力傳動裝置主要組成及特點：(1)4速變速箱；(2)第一擋為機械齒輪與變矩器的混合；(3)自動換擋；(4)集成式換向裝置，帶中立位，允許以最高車速進行反拖；(5)集成式傳動油熱交換器。

2.2 液力傳動牽引控制

內(nèi)燃動車組啟動時，柴油發(fā)動機提供動力，該動力通過萬向軸傳遞給變速箱，再由液力變矩器提供啟動牽引力。隨著車速提升，通過第一擋機械齒輪傳遞至輪對的發(fā)動機扭矩占比逐漸增加。機械齒輪之間的切換由電磁閥控制，電磁閥通過液壓方式使變速箱內(nèi)部的離合器動作。中美洲內(nèi)燃動車組牽引特性曲線見圖1。

圖1 中美洲內(nèi)燃動車組牽引特性曲線

從牽引特性曲線能夠清晰地看出液力傳動裝置產(chǎn)生的牽引力與速度之間的對應關系。牽引力曲線共有4段，分別與變速箱內(nèi)4組齒輪相對應，不同的牽引力間存在階梯差。牽引力的階梯差是造成動車組振動和沖擊的主要原因，在牽引控制時需引起足夠的重視。

為了盡可能地減輕動車組運行中的沖擊，在液力傳動及牽引控制匹配設計中，采用牽引級位更多的司控器。中美洲內(nèi)燃動車組根據(jù)控制要求，采用七級牽引的司控器，司控器輸出信號分別對應為A、B、C，根據(jù)二進制原則，共有8位(0%為空擋)，如表1所示。

表1 七級牽引司控器輸出信號

2.3 液力制動

列車制動力由輔助裝置、發(fā)動機摩擦和液力制動裝置共同提供。動力包控制器采集這3個部件的當前轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)，并對動力包在任一時刻的最大可能制動力進行計算。動力包控制器將計算得出的實際制動力發(fā)送給車輛制動控制單元。

制動力發(fā)揮的大小來自車輛的司控器施加的制動級位。根據(jù)所需的制動力，制動優(yōu)先通過輔助裝置和發(fā)動機摩擦來完成。如果這樣無法達到要求，那么液力制動就會啟動。輔助裝置和發(fā)動機摩擦扭矩的制動力可以利用柴油發(fā)動機來調(diào)節(jié)。通過增加或減少噴油量，柴油發(fā)動機可以對輔助裝置和發(fā)動機摩擦進行補償。

液力制動由液力變矩器產(chǎn)生，通過注油量來調(diào)節(jié)，可以在車輛制動工況下作無磨耗制動，與電動車組中的再生制動類似。液力變矩器結構如圖2所示。

P-泵輪；L-導輪；T-渦輪圖2 液力變矩器結構簡圖

液力變矩器的循環(huán)圈內(nèi)充滿液體，內(nèi)燃動車組在靜止狀態(tài)下，液體也是靜止的。當列車啟動時，動力包發(fā)動機通過差速裝置帶動泵輪旋轉(zhuǎn)，泵輪內(nèi)葉片帶動液力變矩器內(nèi)液體流動，流動的液體帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，液力傳動裝置對外輸出轉(zhuǎn)矩。當列車在低速工況下制動時，液力變矩器內(nèi)液體反向流動，流動的液體反向拖動渦輪旋轉(zhuǎn)，在導輪的作用下壓入泵輪。液體在流動過程中會沖擊渦輪，渦輪吸收液體動能，并產(chǎn)生熱能。

制動力的響應速度取決于諸多因素，例如變速箱制動器的實際狀態(tài)、發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速、實際車速以及輔助裝置實際功率等。

3 試 驗

3.1 部件試驗

液力傳動裝置與柴油發(fā)動機組裝在試驗臺上，在額定功率20%、40%……100%下進行多次運轉(zhuǎn)試驗，從最低轉(zhuǎn)速上升至額定輸出轉(zhuǎn)速，評估裝置輸出轉(zhuǎn)矩特性、液力制動扭矩和換擋速率。液力傳動裝置試驗臺如圖3所示。

圖3 液力傳動裝置試驗臺

3.2 整車試驗

液力傳動裝置裝車完畢后，在試驗線路驗證動車組的牽引能力和制動能力。在驗證牽引性能時，分別在空載和滿載工況下，自牽引1擋至7擋逐一試驗。進行制動性能試驗時，分別記錄液力傳動裝置的實際制動力發(fā)揮值，制動力開始退出速度點和制動力完全退出速度點。

4 結 語

列車運抵用戶現(xiàn)場后，在運營線路上進行型式試驗，并開展了2000km運用考核試驗。該液力傳動裝置工作正常，升降擋跟隨積極，目前已穩(wěn)定運行三年，幾乎零故障。