城軌調車機車柴油機與變扭器匹配特性研究

李連凱 劉 軍 楊大偉

(中車資陽機車有限公司 四川 資陽 641300)

0 概述

城軌調車機車的功率范圍在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成本更低；相對于機械傳動，液力傳動具有力矩自動適應性、液力制動、帶負載起動及限矩保護等諸多優點。液力傳動城軌調車機車柴油機和變扭器選型主要考慮兩者功率輸入輸出和轉速輸入輸出，很少分析兩者的動力性和經濟性的匹配性能。如果兩者動力性和經濟性匹配較差，液力傳動的優點就得不到充分發揮，甚至導致燃料消耗增加，生產率降低[1-2]。但目前沒有對城軌調車機車類似的相關研究及應用。某城軌調車機車采用直列式6缸CAT C18柴油機、額定功率為470 kW、采用渦輪增壓和電子控制、進氣系統采用ATAAC冷卻方式、缸徑145.0 mm、行程183.0 mm，下文針對城軌調車機車柴油機及變扭器匹配性進行研究分析，并應用到機車牽引特性計算分析當中。

1 特性曲線

1.1 CAT C18型柴油機萬有特性曲線

柴油機扭矩Me、功率Pe和燃油消耗率ge均隨著柴油機轉速而變化，這一特性稱之為柴油機速度特性，柴油機特性曲線可以通過試驗臺測試獲得。根據供應商提供的相關參數，以柴油機轉速為橫坐標，將柴油機燃油消耗率、扭矩和功率繪制在同一坐標系中，得到CAT C18型柴油機萬有特性曲線[3]，如圖1所示。

圖1 CAT C18型柴油機萬有特性曲線

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

1.2 變扭器原始特性曲線

變扭器利用工作液體的旋轉運動和工作輪葉片流道的工作液體流動，實現能量傳遞和轉換。根據外部載荷大小的不同，工作液體沖擊導輪的方向和夾角不同，渦輪力矩和轉速也不同。這種載荷自適應特性能夠保證機車在復雜負載條件下穩定工作[4]。變扭器原始特性數據如表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λ、效率η和變扭系數K與轉速比存在一定的規律，這種采用無因次特性參數所表示的曲線叫做原始特性曲線。根據變扭器試驗數據(見表1)，以轉速比為共同橫坐標，將變扭系數、力矩系數和效率繪制在同一坐標系中，得到變扭器原始特性曲線，如圖2所示。

表1 變扭器原始特性數據

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，隨著轉速比i的增加，逐步增加到最高效率點，隨后又隨著轉速比i的增加，逐步降低。將效率為75%水平橫線上方的區域，即效率≥75%的區域定義為高效率區。效率為75%水平橫線與效率拋物線相交于a點和b點，這2個交點對應的橫坐標臨界轉速比分別為i=0.25和i=0.68，即當變扭器工作轉速比i范圍為0.25～0.68時，變扭器處于高效率工作狀態。

2 匹配特性評價

2.1 繪制共同工作特性曲線

將CAT C18型柴油機萬有特性曲線和變扭器原始特性曲線結合起來，判定共同工作匹配特性。

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

M=λ×γ×n2×D5

(1)

力矩系數λ與轉速比i為變扭器原始特性，對應關系如圖2所示。為評估機車在啟動工況時(i=0)的啟動性能以及高效率區經濟性能(i=0.25～0.68)。由表1讀取轉速比i=0.25和i=0.68時對應的力矩系數分別為λ0.25=0.684×10-3和λ0.68=0.583×10-3(近似取得)，i=0時對應力矩系數為啟動工況時的特殊狀態，變扭器i=0時對應的力矩系數為λ0=0.799×10-3。

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

圖3 變扭器和柴油機共同工作特性曲線

2.2 匹配特性評價

柴油機與變扭器匹配性能優劣，主要通過啟動時的動力性能和高效率區間的燃油經濟性來判斷，即在啟動時具有最大扭矩，在高效率區間工作時具有最低燃油消耗率[5]。

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

為保證柴油機常規作業時具有較好的燃油經濟性，在變扭器高效率工作區間，燃油消耗率應處于柴油機最低水平。從圖 3可以看出，燃油消耗率的最低點(圖3中c點)位于i=0.25負載拋物線和i=0.7負載拋物線之間，由此可以判定燃油經濟性能良好。

3 牽引性能評價

城軌調車機車用戶要求機車牽引5 000 t時，速度達到20 km/h；機車牽引2 000 t時，速度達到30 km/h。在確定了柴油機和變扭器的匹配關系滿足要求以后，結合機車總體參數，評價機車牽引性能。

3.1 傳動系統結構

CAT C18型柴油機自由端驅動后變速箱和直流發電機，動力輸出端驅動液力傳動箱(內含變扭器)，經過萬向軸、輪對驅動裝置，最終驅動機車運行。城軌調車機車傳動系統結構如圖4所示。

1—輪對驅動裝置；2—萬向軸；3—液力傳動箱；4—CAT C18型柴油機；5—直流發電機；6—后變速箱。圖4 城軌調車機車傳動系統結構

3.2 機車牽引特性曲線

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

機車速度v為

(2)

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

機車牽引力F為

(3)

機車平直道牽引運行總阻力Ft為

(4)

式(4)中：G1為機車質量，為52 t；ω1為機車運行單位阻力，N/kN；G2為被牽引貨車質量，計算時，分別牽引2 000 t和5 000 t；ω2為被牽引貨車運行單位阻力，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)

以機車速度為橫坐標，繪制機車牽引性能曲線，如圖5所示。

圖5 機車牽引性能曲線

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

4 結論

(1)根據共同工作曲線，依據柴油機與變扭器匹配評價原則，判定城軌調車機車柴油機和變扭器匹配特性，滿足啟動動力性能要求和高效率區運行時的低燃油消耗率的要求，匹配特性良好。

(2)根據扭矩與轉速對應關系，結合變扭器工作特性，轉換為機車牽引力與機車速度對應關系，同時考慮用戶牽引要求，繪制牽引特性曲線。根據特性曲線判定城軌調車機車匹配的動力系統滿足用戶的牽引要求。