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(yè)區(qū)段轉(zhuǎn)移到另外一個作業(yè)區(qū)段；在打磨作業(yè)時，要求列車行駛速度恒定，打磨砂輪與鋼軌表面接觸穩(wěn)定，才能獲得較高的表面打磨質(zhì)量。為此，GMC96B型鋼軌打磨列車的動力車中設(shè)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(yīng)的動力—傳動系統(tǒng)。高速行駛模式的動力—傳動系統(tǒng)中有兩套柴油機(jī)、液力傳動箱及萬向軸驅(qū)動系統(tǒng)，每套驅(qū)動一個轉(zhuǎn)向架內(nèi)3組動軸的車軸齒輪箱，兩套機(jī)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(qū)間時高速行駛的可靠性和加速能力。

列車進(jìn)行了綜合作業(yè)性能試驗，其中包括最大自牽引速度、加速能力、持續(xù)運行、坡道起動試驗等［1］。各項試驗表明，動力—傳動系統(tǒng)設(shè)計和制造達(dá)到技術(shù)規(guī)格書及鐵道標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

1 動力—傳動系統(tǒng)的組成

1.1 動力—傳動系統(tǒng)的主要組成

動力車中動力傳動系統(tǒng)總體布置如圖1如示。

動力裝置為CAT3152B型柴油機(jī)，在標(biāo)準(zhǔn)工況下，柴油機(jī)額定功率為1 500 k W。柴油機(jī)輸入液力傳動箱的牽引功率，由傳動箱內(nèi)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(zhuǎn)速為1 760 r／min。有兩套動力傳動機(jī)組，相對車體中心線對稱布置，分別稱為I、II號柴油機(jī)和液力傳動箱。附屬系統(tǒng)中，設(shè)置有冷卻系統(tǒng)為柴油機(jī)高溫水、低溫水和液力傳動油散熱裝置，柴油機(jī)的進(jìn)、排氣裝置等。

高速行駛模式下牽引工作的主要機(jī)組由柴油機(jī)、輸入萬向軸、液力傳動箱、第1輸出萬向軸、轉(zhuǎn)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(qū)動輪對旋轉(zhuǎn)。

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

圖1 鋼軌打磨列車動力車動力傳動系統(tǒng)原理圖

由II號機(jī)組驅(qū)動的分動箱是由1組輸入軸、2組輸出軸組及相關(guān)齒輪、箱體組成機(jī)械傳動箱。驅(qū)動低恒速液壓傳動系統(tǒng)中的2組軸向柱塞液壓泵及1組冷卻風(fēng)扇液壓泵。

設(shè)置2組減速箱。由2組液壓馬達(dá)驅(qū)動的輸入軸、中間軸、輸出軸、驅(qū)動風(fēng)缸和撥套機(jī)構(gòu)、齒形離合器及箱體等組成。配置液壓馬達(dá)驅(qū)動到車軸齒輪箱的速比，滿足低恒速作業(yè)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(xiàn)較大的減速比，實現(xiàn)大扭矩、低轉(zhuǎn)速的牽引特性。內(nèi)部設(shè)置齒形離合器，實現(xiàn)兩種牽引傳動方式的轉(zhuǎn)換，只能在選定的“高速行駛”或“打磨作業(yè)”工況下運行。

2 主要技術(shù)參數(shù)

3 設(shè)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(jī)發(fā)出功率的驅(qū)動液力傳動箱，通過液力變矩器自動適應(yīng)外界坡道、阻力的變化形成牽引特性，柴油機(jī)輸入液力傳動箱功率為N1，驅(qū)動冷卻風(fēng)扇的輔助功率為Nf；柴油機(jī)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(nèi)的變矩器的流體循環(huán)流道及葉柵幾何形狀、變矩器泵輪轉(zhuǎn)速決定，當(dāng)變矩器循環(huán)流道及葉柵幾何形狀固定不變時，與變矩器泵輪轉(zhuǎn)速nb的三次方成正比，即N1∝nb3，也與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速n1的三次方成正比，即nb＝izn1（iz為傳動箱內(nèi)的增速齒輪對的齒數(shù)比）。柴油機(jī)無級調(diào)速，從最低轉(zhuǎn)速600 r／min至最高轉(zhuǎn)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(dāng)給定的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n1不變時，液力傳動箱的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩特性，即動力車的牽引特性由變矩器內(nèi)部流體由泵輪沖擊渦輪、導(dǎo)輪葉柵的流動內(nèi)特性來自動適應(yīng)外載變化的牽引特性，M2n2為常數(shù)，由液力傳動箱輸出軸經(jīng)過萬向軸、車軸齒輪箱齒輪的機(jī)械傳動比驅(qū)動輪對，成為動力車的牽引力Fk、速度vk，兩者的乘積為常數(shù)。L520rz U2型液力傳動箱中有啟動變矩器和運轉(zhuǎn)變矩器分別工作在列車運行的低速區(qū)段和高速區(qū)段，傳動箱的控制系統(tǒng)自動檢測輸出軸轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，超過換檔點時，啟動變矩器排空液力傳動油、運轉(zhuǎn)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(wěn)。

圖2 動力－傳動機(jī)組聯(lián)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(jìn)行CAT3512B型柴油機(jī)和L520rz U2型液力傳動箱聯(lián)合工作試驗。在柴油機(jī)至液力傳動箱輸出軸之間由扭矩儀測量柴油機(jī)至傳動箱的輸入扭矩M1′、轉(zhuǎn)速n1′，由電渦流測功電機(jī)吸收液力傳動箱的輸出功率，改變測功電機(jī)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(zhuǎn)速n2′，從而可以確認(rèn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速n1′和功率N1′、輸出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)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(zhuǎn)變矩器換檔工作或返回時性能穩(wěn)定，沒有牽引力跳躍，也沒有換檔的往復(fù)震蕩，雙機(jī)組換檔一致性好。（3）液力傳動箱輸出轉(zhuǎn)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(jī)組聯(lián)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(jìn)行了坡道起動和作業(yè)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(jī)—液力傳動箱及相關(guān)機(jī)組運轉(zhuǎn)，柴油機(jī)升速、列車緩解后平穩(wěn)地起動加速，沒有發(fā)生任何空轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)向架的輪對成組驅(qū)動，對單個輪對的空轉(zhuǎn)有抑制作用，有利于提高實際黏著性能。進(jìn)行平直段線路加速試驗，雙柴油機(jī)—液力傳動箱機(jī)組運轉(zhuǎn)，由列車靜止?fàn)顟B(tài)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(yè)工況的牽引特性

低恒速作業(yè)工況模式下，柴油機(jī)保持轉(zhuǎn)速為1 720 r／min不變，驅(qū)動變量液壓泵，通過司機(jī)操縱臺上的旋鈕設(shè)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(shè)定后，電流值確定，液壓系統(tǒng)的RC控制器輸出脈沖寬度調(diào)制信號PWM，調(diào)節(jié)變量泵和變量馬達(dá)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(tǒng)動作平緩無沖擊。

低恒速液壓傳動系統(tǒng)采用斜盤結(jié)構(gòu)的軸向柱塞變量泵，通過電氣控制改變斜盤的傾角，從而調(diào)節(jié)泵的排量，使泵的輸出流量可在零到最大值間調(diào)整；根據(jù)列車的前進(jìn)、后退方向，泵的兩個工作油口在高低壓間轉(zhuǎn)換，對應(yīng)不同的液流方向。柱塞變量泵內(nèi)設(shè)有壓力切斷閥限制系統(tǒng)壓力，每個高壓側(cè)配有溢流閥，在出現(xiàn)壓力瞬間增大的情況下防止系統(tǒng)壓力過載。液壓馬達(dá)為斜軸式軸向柱塞變量馬達(dá)，控制改變斜盤的傾角，可以調(diào)節(jié)馬達(dá)的排量，從零到大可以無級調(diào)節(jié)。馬達(dá)有左右兩個旋轉(zhuǎn)方向，對應(yīng)列車不同的運行方向，馬達(dá)上的兩個工作油口均為高壓油口。液壓系統(tǒng)適應(yīng)線路坡道起伏變化，液壓馬達(dá)工作在由馬達(dá)工況和下坡時由輪對反驅(qū)動的泵工況，兩種工況之間適應(yīng)線路起伏自動轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)列車牽引、制動的平穩(wěn)、恒速運行。

控制系統(tǒng)用CAN總線的接口實現(xiàn)與液壓系統(tǒng)控制器（RCKQ）通訊，司機(jī)操作旋鈕給定電流，控制液壓泵、馬達(dá)電磁閥的電流—排量特性實現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的給定，由泵、馬達(dá)自動調(diào)整系統(tǒng)排量來適應(yīng)坡度變化時速度恒定，液壓系統(tǒng)的參數(shù)在司機(jī)室內(nèi)觸摸屏顯示。

打磨作業(yè)時，低恒速走行系統(tǒng)要適應(yīng)作業(yè)線路的最大坡度為33‰；具有雙向作業(yè)能力，最高作業(yè)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(diào)范圍3～15 km／h，作業(yè)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(jìn)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(yù)期牽引特性和實際試驗有很好的符合性。進(jìn)一步提高坡道作業(yè)加速能力和速度，并提高低恒速精度的穩(wěn)定性。為此，將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速提升到1 720 r／min，液壓系統(tǒng)功率提高到510 k W以上，在20‰坡道上打磨作業(yè)速度可以達(dá)到8～10 km／h；采用閉環(huán)控制方式，提高恒速精度的穩(wěn)定性。

3.3 兩種運行模式的轉(zhuǎn)換

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

在減速箱中設(shè)置了齒形離合器，主要由輸出花鍵軸、外齒套、內(nèi)齒圈、撥套機(jī)構(gòu)及驅(qū)動風(fēng)缸組成。外齒套可以在輸出軸上滑動。傳動系統(tǒng)工作在低恒速作業(yè)工況，內(nèi)齒圈和外齒套嚙合，液壓馬達(dá)驅(qū)動的輸入軸齒輪與輸出軸齒輪嚙合，驅(qū)動輸出軸旋轉(zhuǎn)。在高速行駛工況，內(nèi)齒圈脫開，輸入軸與輸出軸傳動中斷，切斷液壓馬達(dá)驅(qū)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(zhuǎn)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(chǎn)生的軸向力將離合器的外齒套推緊而不致退出。

在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，外齒套和內(nèi)齒圈合齒時，要解決在“齒頂齒”狀態(tài)下“合齒”進(jìn)入低恒速作業(yè)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(shè)計了對液壓馬達(dá)微量充油程序，使液壓馬達(dá)產(chǎn)生微量的正反向旋轉(zhuǎn)，在嚙合間隙內(nèi)微量盤轉(zhuǎn)減速箱輸入軸至內(nèi)齒圈，消除“齒頂齒”，并形成齒向間隙，驅(qū)動風(fēng)缸撥動內(nèi)齒套與內(nèi)齒圈適時閉合齒形離合器的“合齒”或“脫齒”。

兩種工況轉(zhuǎn)換中，從驅(qū)動風(fēng)缸兩個止點位置設(shè)置磁性接近開關(guān)，通過風(fēng)缸位置取出位置信號，在微機(jī)顯示屏上顯示“合齒”或‘脫齒”，分別對應(yīng)“打磨作業(yè)”、“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(tǒng)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(nèi)變矩器才能充油，而低恒速液壓系統(tǒng)泵馬達(dá)被鎖定，不得有加載的任何工作油排量。

4 結(jié)束語

根據(jù)鋼軌打磨列車技術(shù)規(guī)格的要求和使用特點，動力車采用了雙動力—傳動機(jī)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(yè)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(jìn)行長大區(qū)段轉(zhuǎn)場作業(yè)，提高了鋼軌打磨列車運用效率。

設(shè)計制造了減速箱，實現(xiàn)大扭矩、低轉(zhuǎn)速牽引特性和兩種傳動方式的轉(zhuǎn)換；采用液壓系統(tǒng)微量充油盤車的方法，消除“齒頂齒”，實現(xiàn)兩種傳動方式轉(zhuǎn)換迅速、可靠。

進(jìn)行動力—傳動機(jī)組聯(lián)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(yè)運行牽引特性，達(dá)到技術(shù)規(guī)格書和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)監(jiān)督，2011，（12）：38－44.

［2］北方交通大學(xué)，上海鐵道學(xué)院.內(nèi)燃機(jī)車液力傳動［M］.北京：中國鐵道出版社，1980.