大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)及其優(yōu)化研究

謝洪波，郭關(guān)柱

（1. 成都鐵路局 工務(wù)處機(jī)械設(shè)備科，四川 成都 610081；2. 中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司研究院，云南 昆明 650215）

大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)及其優(yōu)化研究

謝洪波1，郭關(guān)柱2

（1. 成都鐵路局 工務(wù)處機(jī)械設(shè)備科，四川 成都 610081；2. 中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司研究院，云南 昆明 650215）

介紹大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)常用的雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，分析該系統(tǒng)的組成及功能，并開(kāi)展?fàn)恳阅軠y(cè)試。針對(duì)牽引力不足和牽引效率低的缺點(diǎn)，提出采用2套液力變矩器傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)1輛大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)優(yōu)化方案，開(kāi)展了優(yōu)化后的雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)性能計(jì)算和牽引試驗(yàn)。結(jié)果表明，優(yōu)化后的雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)牽引性能好，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出700 kW時(shí)，其牽引能力與原系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出1 000 kW時(shí)相當(dāng)；發(fā)動(dòng)機(jī)輸出850 kW時(shí)，其施工作業(yè)能力與原系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出1 000 kW時(shí)相當(dāng)。

鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)；雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)；閉式靜液壓系統(tǒng)；液力變矩器；牽引能力

0 引言

大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)通常需要具有兩項(xiàng)基本功能：一是能夠自行或牽引其他設(shè)備快速往返于施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)與車(chē)輛段之間；二是能夠完成鐵路養(yǎng)護(hù)等施工任務(wù)。隨著鐵路養(yǎng)護(hù)施工作業(yè)速度要求的提高，鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)逐漸向大型化和重型化發(fā)展，而采用雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)1輛大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)變得越來(lái)越普遍[1-2]。

大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)會(huì)安裝有多組執(zhí)行不同功能的液壓機(jī)構(gòu)，并為這些機(jī)構(gòu)配備供油系統(tǒng)及動(dòng)力裝置。采用閉式靜液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)走行的雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，能夠兼顧利用為液壓機(jī)構(gòu)配置的供油系統(tǒng)，無(wú)需單獨(dú)再配置供油系統(tǒng)，可節(jié)約安裝空間和制造成本，但閉式靜液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效率低，高速牽引走行時(shí)燃油消耗率過(guò)高、牽引效率較低。

采用液力變矩器的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)具有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是低速時(shí)變矩比和牽引力較大；二是高速自行時(shí)液力變矩器鎖閉為機(jī)械傳動(dòng)，傳動(dòng)效率較高。缺點(diǎn)是高速自行鎖閉為機(jī)械傳動(dòng)后，2套動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)1輛大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)時(shí)，高速牽引條件下難于實(shí)現(xiàn)同步控制[3]。

為了解決2套動(dòng)力系統(tǒng)的同步控制問(wèn)題，提出一種新的控制模式，在2套傳動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)，前1套液力變矩器設(shè)定為鎖閉狀態(tài)，后1套設(shè)定為非機(jī)械鎖定的液力驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)運(yùn)行方向相反時(shí)，則前后2套液力變矩器的設(shè)定模式互換。采用新的動(dòng)力傳動(dòng)方案后，在低速作業(yè)狀態(tài)下，走行所消耗的功率較小，使用1套液力變矩器驅(qū)動(dòng)大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)的走行即可，通過(guò)控制離合器和分動(dòng)箱，將另1套液力變矩器與動(dòng)力源斷開(kāi)，另1套動(dòng)力源則用于驅(qū)動(dòng)液壓源向施工作業(yè)機(jī)械提供液壓動(dòng)力[4-5]。

1 基于閉式靜液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成及功能

基于閉式靜液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)采用雙機(jī)組閉式靜液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式，單套動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、分動(dòng)箱、液壓泵組、液壓馬達(dá)、離合器、走行減速箱、車(chē)軸齒輪箱、轉(zhuǎn)向架、車(chē)軸及輪對(duì)等組成（見(jiàn)圖1），其中液壓泵組的部分液壓源提供給施工作業(yè)機(jī)械。

圖1 基于閉式靜液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的單套動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)原理

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與分動(dòng)箱直接連接并提供動(dòng)力，分動(dòng)箱的輸出端安裝有液壓泵組。一部分液壓泵組向走行減速箱的輸入液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，通過(guò)車(chē)軸齒輪箱驅(qū)動(dòng)車(chē)軸和輪對(duì)，用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架走行；另一部分液壓泵組則負(fù)責(zé)向施工作業(yè)機(jī)械提供液壓動(dòng)力。

2套相同的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)安裝在1輛大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)上，實(shí)現(xiàn)雙動(dòng)力傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

高速自行或牽引其他車(chē)輛時(shí)，施工作業(yè)機(jī)械不消耗動(dòng)力，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的全部動(dòng)力用于驅(qū)動(dòng)車(chē)軸及輪對(duì)走行。施工作業(yè)時(shí)，大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)走行速度較低，走行所消耗動(dòng)力較少，主要?jiǎng)恿τ糜隍?qū)動(dòng)施工作業(yè)。

1.2 系統(tǒng)性能研究與分析

如圖1所示，采用6臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)1套走行減速箱，經(jīng)走行減速箱減速后變?yōu)?個(gè)輸出點(diǎn)，每個(gè)輸出點(diǎn)分別與轉(zhuǎn)向架車(chē)軸齒輪箱連接，經(jīng)車(chē)軸齒輪箱減速后驅(qū)動(dòng)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)走行[6-7]。

選取柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率為500 kW；車(chē)輪直徑為0.92 m；車(chē)軸齒輪箱傳動(dòng)比為3.73；走行減速箱傳動(dòng)比為1.77；車(chē)軸齒輪箱傳動(dòng)效率為0.98；走行減速箱機(jī)械傳動(dòng)效率為0.98；液壓馬達(dá)最小和最大排量分別為32 mL/r和160 mL/r；液壓馬達(dá)啟動(dòng)時(shí)，最大輸出力矩為相同壓力下額定輸出力矩的85%；液壓泵組出口最高壓力為35 MPa。基于理論計(jì)算，得到1套動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)能夠輸出的最大輪周起動(dòng)牽引力為59.4 kN，2套走行系統(tǒng)同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)能夠輸出的最大輪周起動(dòng)牽引力為118.8 kN。

雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)1輛大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)高速走行時(shí)，減去發(fā)電、冷卻和散熱等消耗功率，2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出總功率約856 kW。考慮車(chē)軸齒輪箱的機(jī)械傳動(dòng)效率為0.88；走行減速箱的機(jī)械傳動(dòng)效率為0.90；液壓泵的最小排量為0，最大排量為165 mL/r；供油壓力為35 MPa時(shí)，液壓泵的機(jī)械效率為0.90，容積效率為0.96；液壓馬達(dá)的機(jī)械效率為0.90，容積效率為0.92；液壓系統(tǒng)的容積效率約為0.95?；诶碚撚?jì)算，得到車(chē)軸及車(chē)輪輸出的最大輪周牽引功率約為397.9 kW。

將2套動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)安裝在1輛大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)上，在中國(guó)鐵道科學(xué)研究院環(huán)行試驗(yàn)線試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：最大牽引力為116 kN，牽引功率實(shí)測(cè)值在380～400 kW變化，測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相近。

研究結(jié)果表明：基于閉式靜液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)常用的基本功能，但傳動(dòng)效率及最大牽引力不足，牽引效率較低。

2 雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

鑒于閉式靜液壓驅(qū)動(dòng)的雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)不足，提出采用液力變矩器驅(qū)動(dòng)的雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化方案。

2.1 優(yōu)化方案

優(yōu)化后的雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)采用液力變矩器驅(qū)動(dòng)走行，系統(tǒng)主要由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、彈性聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸、液力變矩器、分動(dòng)箱、泵驅(qū)動(dòng)齒輪箱、離合器、車(chē)軸齒輪箱、轉(zhuǎn)向架、車(chē)軸及輪對(duì)等組成（見(jiàn)圖3），其中驅(qū)動(dòng)施工作業(yè)機(jī)械的液壓泵組通過(guò)離合器（一）與泵驅(qū)動(dòng)齒輪箱連接。

圖2 牽引性能試驗(yàn)結(jié)果

牽引工況下，2臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出均為350 kW，離合器（一）脫開(kāi)且離合器（二）鎖閉，通往施工作業(yè)機(jī)械的液壓泵組與泵驅(qū)動(dòng)齒輪箱脫開(kāi)，全部動(dòng)力通過(guò)液力變矩器及其他傳動(dòng)部件輸出到車(chē)軸及輪對(duì)上，實(shí)現(xiàn)雙動(dòng)力同時(shí)驅(qū)動(dòng)大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)牽引走行。

施工作業(yè)時(shí)，1臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出350 kW，用于驅(qū)動(dòng)大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)慢速走行；另外1臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出500 kW，離合器（二）脫開(kāi)，離合器（一）鎖閉，該柴油機(jī)輸出的全部動(dòng)力消耗于液壓泵組，用于驅(qū)動(dòng)施工作業(yè)機(jī)械作業(yè)。

圖3 優(yōu)化后動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)組成原理

2.2 性能分析

相比原閉式靜液壓驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，優(yōu)化后系統(tǒng)在牽引工況下通過(guò)2套液力變矩器驅(qū)動(dòng)牽引走行，作業(yè)工況通過(guò)1套液力變矩器驅(qū)動(dòng)走行，另外1套動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)為施工作業(yè)機(jī)械提供動(dòng)力。

牽引工況：2套動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)消耗的總功率為700 kW，考慮泵驅(qū)動(dòng)齒輪箱傳動(dòng)效率為0.975；分動(dòng)箱傳動(dòng)效率為0.975；車(chē)軸齒輪箱傳動(dòng)效率為0.950；液力變矩器傳動(dòng)效率為0.900；車(chē)輪直徑為0.920 m。計(jì)算得出：2套動(dòng)力系統(tǒng)能夠輸出的最大輪周起動(dòng)牽引力為134.6 kN，在平直線路驅(qū)動(dòng)質(zhì)量190 t大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)的自行速度能夠達(dá)到100 km/h，車(chē)軸及車(chē)輪輸出的最大輪周牽引功率約為382.3 kW。

作業(yè)工況：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出給2套動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的總功率為850 kW，其中有350 kW通過(guò)液力變矩器傳遞給車(chē)軸及輪對(duì)走行，另有500 kW經(jīng)泵驅(qū)動(dòng)齒輪箱驅(qū)動(dòng)液壓泵組，輸出到施工作業(yè)機(jī)械進(jìn)行施工作業(yè)。

將該動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)安裝在質(zhì)量190 t的大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)上，在昆明鐵路局所屬滬昆鐵路線進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：在平直線路上自行速度100 km/h時(shí)，車(chē)輛還有剩余加速度；最大牽引力實(shí)測(cè)值達(dá)140 kN；正向運(yùn)行時(shí)，前后2套液力變矩器分別設(shè)定為鎖閉狀態(tài)和非鎖閉狀態(tài)，運(yùn)行方向相反時(shí)，前后2套液力變矩器的設(shè)定模式互換，能夠有效解決2套液力變矩器驅(qū)動(dòng)1輛大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)高速自行時(shí)的同步問(wèn)題。

3 結(jié)論

研究了采用閉式靜液壓系統(tǒng)的雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)1輛大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)的性能，針對(duì)該系統(tǒng)最大牽引力及傳動(dòng)效率不足的缺點(diǎn)，提出具有同樣功能的采用2套液力變矩器驅(qū)動(dòng)的雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化方案，開(kāi)展了新的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)性能研究。研究結(jié)果表明：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)總功率1 000 kW時(shí)，基于閉式靜液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的最大牽引力為116 kN，最大牽引功率約400 kW；

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)總功率700 kW時(shí)，采用2套液力變矩器驅(qū)動(dòng)的雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的最大牽引力為140 kN，最大牽引功率約382 kW；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)總功率850 kW時(shí)，該動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的施工作業(yè)性能與1 000 kW的基于閉式靜液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的雙動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)性能相當(dāng)。

[1] 肖增斌，王曉剛．我國(guó)鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械行業(yè)的發(fā)展與思考[J]．中國(guó)鐵路，2015(1)：8-10．

[2] 許建明．鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)及展望[J].中國(guó)鐵路，2014(11)：5-8．

[3] 謝洪波，郭關(guān)柱．大型鐵路養(yǎng)護(hù)車(chē)自行與附掛動(dòng)力學(xué)差異性試驗(yàn)研究[J]．中國(guó)鐵路，2017(1)：66-70．

[4] 王曉方．除雪車(chē)功能及主要參數(shù)設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2006，185(12)：24-25．

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責(zé)任編輯 高紅義

Research on Dual Power Transmission System of Large-scale Railway Maintenance Vehicle and Its Optimization

XIE Hongbo1，GUO Guanzhu2
（1. Department of Mechanical Equipment，Track Maintenance Division，Chengdu Railway Administration，Chengdu Sichuan 610081，China；2. CRCC High-tech Equipment Corporation Limited，Kunming Yunnan 650215，China）

This paper introduces the common dual power transmission system of large-scale railway maintenance vehicle, analyzes its composition, functions and its traction performance test. Lack of tractive force and traction eff ciency, it proposes the power transmission optimization plan which suggests one largescale railway maintenance vehicle with two hydraulic converter transmission systems, and calculates the performance of the optimized dual power transmission performance and tests its traction. The result shows that the performance of optimized dual power transmission system is good. When the output of the engine is 700 kW, its tractive power equals to 1 000 kW output of the engine for the original system; when the output of the engine is 850 kW, its work capacity corresponds to the 1 000 kW output in the past.

railway maintenance vehicle；dual power transmission system；closed-type hydrostatic system；hydraulic converter；tractive ability

U216.6

A

1001-683X（2017）04-0068-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.04.068

2016-11-17

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2011G017-E）

謝洪波（1973—），男，工程師。

郭關(guān)柱（1973—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士。E-mail：guoguanzhu_616@126.com