雙模式動力—傳動系統的設計研究

李海濱

（北京二七軌道交通裝備公司，北京100072）

在鋼軌打磨列車運用中，需要以較高的行駛速度從一個作業區段轉移到另外一個作業區段；在打磨作業時，要求列車行駛速度恒定，打磨砂輪與鋼軌表面接觸穩定，才能獲得較高的表面打磨質量。為此，GMC96B型鋼軌打磨列車的動力車中設置了兩種牽引運行工況模式，即高速行駛和低恒速打磨運行模式，并配置了相應的動力—傳動系統。高速行駛模式的動力—傳動系統中有兩套柴油機、液力傳動箱及萬向軸驅動系統，每套驅動一個轉向架內3組動軸的車軸齒輪箱，兩套機組可以同時工作，也可以單獨工作牽引列車行駛，互為備份，保證列車通過區間時高速行駛的可靠性和加速能力。

列車進行了綜合作業性能試驗，其中包括最大自牽引速度、加速能力、持續運行、坡道起動試驗等［1］。各項試驗表明，動力—傳動系統設計和制造達到技術規格書及鐵道標準、國家標準的相關要求。

1 動力—傳動系統的組成

1.1 動力—傳動系統的主要組成

動力車中動力傳動系統總體布置如圖1如示。

動力裝置為CAT3152B型柴油機，在標準工況下，柴油機額定功率為1 500 k W。柴油機輸入液力傳動箱的牽引功率，由傳動箱內變矩器的吸收功率特性決定；額定吸收功率為1 250 k W，輸入轉速為1 760 r／min。有兩套動力傳動機組，相對車體中心線對稱布置，分別稱為I、II號柴油機和液力傳動箱。附屬系統中，設置有冷卻系統為柴油機高溫水、低溫水和液力傳動油散熱裝置，柴油機的進、排氣裝置等。

高速行駛模式下牽引工作的主要機組由柴油機、輸入萬向軸、液力傳動箱、第1輸出萬向軸、轉向架輪對的3組車軸齒輪箱及相連的2組第2輸出萬向軸組成，驅動輪對旋轉。

低恒速作業模式下牽引工作主要機組由II號柴油機經過輸入萬向軸、II號液力傳動箱的輸入軸后，通過萬向軸驅動分動箱，安裝有驅動低恒速液壓系統的2組軸向柱塞變量泵；液壓系統的4組液壓馬達每2組安裝在1組減速箱上，經過與液力傳動箱之間的萬向軸，分別驅動轉向架內的車軸齒輪箱，驅動輪對旋轉。恒低速液壓系統還包括控制閥、油箱、板式熱交換器等部件。采用變量泵、馬達液壓系統，軸柱塞液壓泵最大排量V＝180 c m3、額定轉速2 100 r／min。軸向柱塞液壓馬達的最大排量V＝160 c m3、最大轉速為3 200 r／min。

圖1 鋼軌打磨列車動力車動力傳動系統原理圖

由II號機組驅動的分動箱是由1組輸入軸、2組輸出軸組及相關齒輪、箱體組成機械傳動箱。驅動低恒速液壓傳動系統中的2組軸向柱塞液壓泵及1組冷卻風扇液壓泵。

設置2組減速箱。由2組液壓馬達驅動的輸入軸、中間軸、輸出軸、驅動風缸和撥套機構、齒形離合器及箱體等組成。配置液壓馬達驅動到車軸齒輪箱的速比，滿足低恒速作業時在平直道上最高運行速度為15 km／h的要求，用兩級齒輪傳動實現較大的減速比，實現大扭矩、低轉速的牽引特性。內部設置齒形離合器，實現兩種牽引傳動方式的轉換，只能在選定的“高速行駛”或“打磨作業”工況下運行。

2 主要技術參數

3 設計研究的主要問題

3.1 高速行駛工況牽引性能

高速行駛工況時，由柴油機發出功率的驅動液力傳動箱，通過液力變矩器自動適應外界坡道、阻力的變化形成牽引特性，柴油機輸入液力傳動箱功率為N1，驅動冷卻風扇的輔助功率為Nf；柴油機的總功率為Nd＝N1＋Nf。

液力傳動箱的輸入功率N1由L520液力傳動箱內的變矩器的流體循環流道及葉柵幾何形狀、變矩器泵輪轉速決定，當變矩器循環流道及葉柵幾何形狀固定不變時，與變矩器泵輪轉速nb的三次方成正比，即N1∝nb3，也與柴油機的轉速n1的三次方成正比，即nb＝izn1（iz為傳動箱內的增速齒輪對的齒數比）。柴油機無級調速，從最低轉速600 r／min至最高轉速1 767 r／min，液力傳動箱的輸入功率從49 k W上升到1 250 k W。

當給定的柴油機轉速n1不變時，液力傳動箱的輸出轉速和扭矩特性，即動力車的牽引特性由變矩器內部流體由泵輪沖擊渦輪、導輪葉柵的流動內特性來自動適應外載變化的牽引特性，M2n2為常數，由液力傳動箱輸出軸經過萬向軸、車軸齒輪箱齒輪的機械傳動比驅動輪對，成為動力車的牽引力Fk、速度vk，兩者的乘積為常數。L520rz U2型液力傳動箱中有啟動變矩器和運轉變矩器分別工作在列車運行的低速區段和高速區段，傳動箱的控制系統自動檢測輸出軸轉速與輸入軸轉速進行比較，超過換檔點時，啟動變矩器排空液力傳動油、運轉變矩器開始充油工作；兩個變矩器的輸入扭矩曲線、輸出扭矩曲線在換檔點上盡可能相交，換檔平穩。

圖2 動力－傳動機組聯合試驗

圖3 L520rz U2型液力傳動箱試驗特性

在動力車制造中，進行CAT3512B型柴油機和L520rz U2型液力傳動箱聯合工作試驗。在柴油機至液力傳動箱輸出軸之間由扭矩儀測量柴油機至傳動箱的輸入扭矩M1′、轉速n1′，由電渦流測功電機吸收液力傳動箱的輸出功率，改變測功電機的扭矩，模擬列車上坡或下坡的阻力變化，即可以測試得到液力傳動箱的輸出扭矩M2′、轉速n2′，從而可以確認動力車高速行駛工況下的牽引特性。在試驗臺上液力傳動箱工作油溫度、變矩器充油壓力與傳動箱裝車工作條件相同，傳動箱額定輸入轉速為1 767 r／min、額定輸入功率為1 250 k W，測試液力傳動箱輸入轉速n1′和功率N1′、輸出轉速n2′和功率值N2′，換算為無因次的相對輸入功率N1′／N11、變矩比M2′／M21、輸出效率η在隨泵輪和渦輪轉速比變化nt／nb1的曲線［2］。試驗表明：（1）液力傳動箱性能實測點輸入功率的允許誤差為±3%，輸出效率的誤差為－2%，變矩器中葉輪制造精度高，流動特性一致，對于保證動力車上裝用雙機組時有較好的牽引特性一致性非常重要。（2）由啟動變矩器至運轉變矩器換檔工作或返回時性能穩定，沒有牽引力跳躍，也沒有換檔的往復震蕩，雙機組換檔一致性好。（3）液力傳動箱輸出轉速為零時，相對起動牽引力（即變矩比）大，可以使動力車具有較高的起動牽引力和較好的起動加速性能。動力—傳動機組聯合試驗如圖2，L520rz U2型液力傳動箱試驗特性如圖3所示。

對首列96頭鋼軌打磨列車在京承線進行了坡道起動和作業性能試驗，坡度為19.8‰。列車在上坡道方向停車，在高速行駛工況起動，動力車兩組柴油機—液力傳動箱及相關機組運轉，柴油機升速、列車緩解后平穩地起動加速，沒有發生任何空轉。轉向架的輪對成組驅動，對單個輪對的空轉有抑制作用，有利于提高實際黏著性能。進行平直段線路加速試驗，雙柴油機—液力傳動箱機組運轉，由列車靜止狀態起動后加速至100 km／h，加速時間為2 min 15 s，最高運行速度為100.7 km／h。

3.2 低恒速打磨作業工況的牽引特性

低恒速作業工況模式下，柴油機保持轉速為1 720 r／min不變，驅動變量液壓泵，通過司機操縱臺上的旋鈕設定行駛速度值和行車方向，作為打磨列車運行的起動條件；速度值設定后，電流值確定，液壓系統的RC控制器輸出脈沖寬度調制信號PWM，調節變量泵和變量馬達的排量，控制行車速度，在速度急速增高或降低時，要控制液壓系統動作平緩無沖擊。

低恒速液壓傳動系統采用斜盤結構的軸向柱塞變量泵，通過電氣控制改變斜盤的傾角，從而調節泵的排量，使泵的輸出流量可在零到最大值間調整；根據列車的前進、后退方向，泵的兩個工作油口在高低壓間轉換，對應不同的液流方向。柱塞變量泵內設有壓力切斷閥限制系統壓力，每個高壓側配有溢流閥，在出現壓力瞬間增大的情況下防止系統壓力過載。液壓馬達為斜軸式軸向柱塞變量馬達，控制改變斜盤的傾角，可以調節馬達的排量，從零到大可以無級調節。馬達有左右兩個旋轉方向，對應列車不同的運行方向，馬達上的兩個工作油口均為高壓油口。液壓系統適應線路坡道起伏變化，液壓馬達工作在由馬達工況和下坡時由輪對反驅動的泵工況，兩種工況之間適應線路起伏自動轉速，實現列車牽引、制動的平穩、恒速運行。

控制系統用CAN總線的接口實現與液壓系統控制器（RCKQ）通訊，司機操作旋鈕給定電流，控制液壓泵、馬達電磁閥的電流—排量特性實現馬達轉速的給定，由泵、馬達自動調整系統排量來適應坡度變化時速度恒定，液壓系統的參數在司機室內觸摸屏顯示。

打磨作業時，低恒速走行系統要適應作業線路的最大坡度為33‰；具有雙向作業能力，最高作業速度不低于15 km／h，在12‰的坡道上打磨速度不小于10 km／h；打磨速度可調范圍3～15 km／h，作業時一般為4～7 km／h；最適宜的行駛速度在8 km／h左右。

在京承線進行坡道試驗，坡度為19.8‰，實際打磨運行速度為7 km／h，計算預期牽引特性和實際試驗有很好的符合性。進一步提高坡道作業加速能力和速度，并提高低恒速精度的穩定性。為此，將柴油機轉速提升到1 720 r／min，液壓系統功率提高到510 k W以上，在20‰坡道上打磨作業速度可以達到8～10 km／h；采用閉環控制方式，提高恒速精度的穩定性。

3.3 兩種運行模式的轉換

實現打磨列車的“高速行駛”和“低恒速打磨作業”兩種工況切換的關鍵是控制減速箱中齒形離合器的“脫齒”、“合齒”。

在減速箱中設置了齒形離合器，主要由輸出花鍵軸、外齒套、內齒圈、撥套機構及驅動風缸組成。外齒套可以在輸出軸上滑動。傳動系統工作在低恒速作業工況，內齒圈和外齒套嚙合，液壓馬達驅動的輸入軸齒輪與輸出軸齒輪嚙合，驅動輸出軸旋轉。在高速行駛工況，內齒圈脫開，輸入軸與輸出軸傳動中斷，切斷液壓馬達驅動的輸入軸與輸出軸齒輪傳動鏈，防止輸出軸在車軸齒輪箱的帶動下反向增速旋轉而造成燒損。齒形采用漸開線花鍵，沿齒長有1°30′斜度，使離合器嚙合方便，工作中齒面受力時，利用其產生的軸向力將離合器的外齒套推緊而不致退出。

在調試過程中發現，外齒套和內齒圈合齒時，要解決在“齒頂齒”狀態下“合齒”進入低恒速作業工況；脫開時，要克服沿齒長方向斜度的摩擦力、形成齒向間隙才能順暢脫開。因此，設計了對液壓馬達微量充油程序，使液壓馬達產生微量的正反向旋轉，在嚙合間隙內微量盤轉減速箱輸入軸至內齒圈，消除“齒頂齒”，并形成齒向間隙，驅動風缸撥動內齒套與內齒圈適時閉合齒形離合器的“合齒”或“脫齒”。

兩種工況轉換中，從驅動風缸兩個止點位置設置磁性接近開關，通過風缸位置取出位置信號，在微機顯示屏上顯示“合齒”或‘脫齒”，分別對應“打磨作業”、“高速行駛”兩種工況；同時形成電氣連鎖控制，只有在“合齒”后，低恒速液壓系統才能增加液壓泵排量加載、液力傳動箱不得充油；在“脫齒”后，液力傳動箱內變矩器才能充油，而低恒速液壓系統泵馬達被鎖定，不得有加載的任何工作油排量。

4 結束語

根據鋼軌打磨列車技術規格的要求和使用特點，動力車采用了雙動力—傳動機組，采用液力傳動方式滿足高速行駛牽引性能的需要，采用液壓傳動方式滿足低恒速作業牽引性能的需要，使GM96B型鋼軌打磨列車能以較高的運行速度進行長大區段轉場作業，提高了鋼軌打磨列車運用效率。

設計制造了減速箱，實現大扭矩、低轉速牽引特性和兩種傳動方式的轉換；采用液壓系統微量充油盤車的方法，消除“齒頂齒”，實現兩種傳動方式轉換迅速、可靠。

進行動力—傳動機組聯合試驗，驗證了車組高速行駛牽引特性，在出廠運行試驗中驗證了低恒速作業運行牽引特性，達到技術規格書和相關技術標準的要求。

［1］李海濱，唐松柏.GMC96B型鋼軌打磨列車試驗研究［J］.鐵道技術監督，2011，（12）：38－44.

［2］北方交通大學，上海鐵道學院.內燃機車液力傳動［M］.北京：中國鐵道出版社，1980.