液力傳動(dòng)裝置工作原理及其在軌道交通上的應(yīng)用

劉艷丹

摘 要：現(xiàn)代軌道交通系統(tǒng)建設(shè)需要兼顧運(yùn)力、綠色化、安全性，一些傳統(tǒng)的技術(shù)方法經(jīng)優(yōu)化后仍可發(fā)揮作用，包括液力傳動(dòng)裝置在內(nèi)。文章首先對(duì)該裝置的構(gòu)成、工作原理、特點(diǎn)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上分析其應(yīng)用的具體形式和不足，最后展望軌道交通中液力傳動(dòng)裝置應(yīng)用優(yōu)化思路，為后續(xù)軌道交通建設(shè)、液力傳動(dòng)裝置的應(yīng)用提供少許參考。

關(guān)鍵詞：液力傳動(dòng)裝置 工作原理 軌道交通 儲(chǔ)能系統(tǒng)

1 前言

軌道交通（Rail Transit）是指運(yùn)營(yíng)車輛需要在特定軌道上行駛的一類交通工具或運(yùn)輸系統(tǒng)，具有運(yùn)量大、速度快、班次密、安全舒適、準(zhǔn)點(diǎn)率高、全天候、運(yùn)費(fèi)低和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，一般包括國(guó)家鐵路系統(tǒng)、城際軌道交通和城市軌道交通等。我國(guó)對(duì)軌道交通建設(shè)的重視力度較多，截止2023年末，全國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程突破1萬公里，為各地民眾出行提供了便利。從技術(shù)角度出發(fā)，盡管電力機(jī)車是未來核心發(fā)展方向，但液力傳動(dòng)裝置憑借其自身特點(diǎn)，在軌道交通中仍有一定的應(yīng)用空間[1]。分析其工作原理、在軌道交通上的應(yīng)用情況以及可行的優(yōu)化思路，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2 液力傳動(dòng)裝置以及其工作原理

2.1 液力傳動(dòng)裝置

液力傳動(dòng)裝置是一種發(fā)現(xiàn)、應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)的傳動(dòng)裝置，被認(rèn)為是液體傳動(dòng)的一種具體形式，一般以若干終端部件組成非剛性連接結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)換設(shè)施，將來自動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。與液壓傳動(dòng)不同，液力傳動(dòng)依賴的是液體的動(dòng)能實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和傳遞，而非液體壓力[2]。一般液力傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)見圖1：

按圖1所示，液力傳動(dòng)裝置的機(jī)構(gòu)可拆解為輸出部分、輸入部分、軸承和泵輪等工作單元。按照其功能屬性的差別，應(yīng)大致分為液力耦合器、液力變矩器和液力機(jī)械元件三大類。傳動(dòng)元件可分為液力機(jī)械、液力元件，液力元件可分為液力變矩器、液力耦合器，液力機(jī)械裝置由機(jī)械傳動(dòng)裝置、液力傳動(dòng)裝置組成共同形成，具有變矩性能方面的優(yōu)勢(shì)，也能借助液體發(fā)揮動(dòng)能轉(zhuǎn)換作用[3]。

作為工作系統(tǒng)的核心，液力傳動(dòng)裝置包括用以輸送能量的泵輪、用以輸出能量的渦輪以及用以實(shí)現(xiàn)液體導(dǎo)流的導(dǎo)輪三個(gè)部分。泵輪能夠?qū)?dòng)力系統(tǒng)提供的動(dòng)能傳輸至液力傳動(dòng)裝置處，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)換。渦輪將液體蘊(yùn)含的能量以動(dòng)能實(shí)現(xiàn)輸出，導(dǎo)輪對(duì)液體的流向進(jìn)行引導(dǎo)，提升其對(duì)作業(yè)單元的沖擊效果避免能量的非必要損失[4]。

2.2 液力傳動(dòng)裝置的工作原理

液力傳動(dòng)裝置的工作原理比較固定，其基本流程為：

以內(nèi)燃機(jī)或其他動(dòng)力設(shè)施作為動(dòng)力源，也即原動(dòng)機(jī)，以電能、燃料提供能量實(shí)現(xiàn)原動(dòng)機(jī)作業(yè)，主要作用于原動(dòng)機(jī)內(nèi)的動(dòng)力裝置產(chǎn)生機(jī)械能，機(jī)械能帶動(dòng)液力傳動(dòng)裝置的泵輪快速、持續(xù)旋轉(zhuǎn)，由泵輪實(shí)現(xiàn)動(dòng)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，液力傳動(dòng)裝置內(nèi)的液體在泵輪的作用下完成能量的蓄積，并在導(dǎo)輪的引導(dǎo)下來，沖擊目標(biāo)物渦輪，持續(xù)作為載體將蓄積的能量提供給渦輪，渦輪在沖擊下按照固定方向持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的輸出（以動(dòng)能形式），完成能量的傳遞。該過程見圖2：

大部分液力傳動(dòng)裝置的工作原理與此相同，也有少數(shù)液力傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)上存在一定特殊性，工作形式略有不同，但基本原理是不變的，均重視借助液體發(fā)揮能量轉(zhuǎn)化的作用。

2.3 液力傳動(dòng)裝置特點(diǎn)

液力傳動(dòng)裝置特點(diǎn)集中在五個(gè)方面，一是自動(dòng)適應(yīng)性較好，二是具有防振隔振作用，三是啟動(dòng)性較理想，四是具有限矩保護(hù)價(jià)值，五是變矩器效率較低。

因傳動(dòng)裝置以液體作為能量轉(zhuǎn)換的載體，在系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)出現(xiàn)改變后，泵輪和渦輪的參數(shù)對(duì)應(yīng)改變，其調(diào)速過程是柔性的，能夠借助液體可塑性較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)適應(yīng)動(dòng)力源的參數(shù)波動(dòng)，自適應(yīng)方面的優(yōu)勢(shì)比較突出。同時(shí)，這種非剛性的調(diào)速工作模式，也能改善軌道車輛的行駛舒適性，使零部件之間的摩擦、碰撞問題得到應(yīng)對(duì)，能夠提升裝置的使用壽命，實(shí)現(xiàn)限矩保護(hù)。此外，按照現(xiàn)有研究，液力傳動(dòng)裝置的可調(diào)性較強(qiáng)，可以根據(jù)軌道交通的運(yùn)作目標(biāo)、參數(shù)要求，實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)的高度契合，以減少非必要的能量損失，提升機(jī)械能的轉(zhuǎn)換質(zhì)量，優(yōu)化裝置啟動(dòng)性。但由于裝置工作依賴液體傳動(dòng)，其變矩器可控性不強(qiáng)，進(jìn)而出現(xiàn)變矩器效率較低的問題。

3 液力傳動(dòng)裝置在軌道交通上的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用方式

液力傳動(dòng)裝置在軌道交通上的應(yīng)用廣泛，包括內(nèi)燃機(jī)車和軌道養(yǎng)護(hù)車輛工作系統(tǒng)等，其基本應(yīng)用方式也大多相似或相同。一般可分為三個(gè)步驟：

一是分析車輛的動(dòng)力需求，據(jù)此確定液力傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)方式，重點(diǎn)指標(biāo)為動(dòng)力需求，據(jù)此進(jìn)行牽引計(jì)算，確定功率水平，尤其是額定功率，以確定動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)能水平能夠?qū)崿F(xiàn)車輛驅(qū)動(dòng)。需要注意的是，即便額定功率較低，車輛也可行駛，但速度、可控性不足，不能滿足軌道交通預(yù)期的運(yùn)力水平。該工作需要通過一般資料收集統(tǒng)計(jì)、模擬分析等方式逐步完成[5]。

二是液力傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)、制造、裝備。根據(jù)早期工作結(jié)果，確定裝置的具體規(guī)格擬定要求、完成制造和裝備，也可以根據(jù)市場(chǎng)信息直接采買符合條件的液力傳動(dòng)裝置。

三是調(diào)試。完成液力傳動(dòng)裝置的安裝后，通過實(shí)驗(yàn)的方式分析其性能，評(píng)估是否存在參數(shù)異常的情況。調(diào)試工作是液力傳動(dòng)裝置在軌道交通中應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，早期需求分析和采買、安裝工作大多是流程化的，出現(xiàn)異常的可能性并不高。調(diào)試環(huán)節(jié)很大程度上決定了裝置存在的問題、隱患能否得到察覺。以某軌道交通車輛使用的液力傳動(dòng)裝置（簡(jiǎn)稱C裝置）為例，對(duì)其調(diào)試工作進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

調(diào)試工作主要集中于三個(gè)方面，即壓力調(diào)試、換向調(diào)試以及同步性調(diào)試，分別分析C裝置的穩(wěn)定性、安全性以及可操作性。以電壓調(diào)試為例，采用限壓調(diào)試法，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的節(jié)流閥進(jìn)行參數(shù)控制，關(guān)閉其中若干節(jié)流閥（最少1個(gè)，不超過最大節(jié)流閥數(shù)目）、開放若干節(jié)流閥（最少1個(gè)，不超過最大節(jié)流閥數(shù)目），觀察C裝置內(nèi)壓力值變化，并逐次增加關(guān)閉的節(jié)流閥數(shù)目、減少開放的節(jié)流閥數(shù)目，評(píng)估參數(shù)值變化是否帶有匹配性，二者完成比例，表明C裝置的工作能力無異常，不存在密閉性、工作能力上的問題。換向調(diào)試以及同步性調(diào)試也按固定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，直到調(diào)試完成。

3.2 應(yīng)用問題

液力傳動(dòng)裝置應(yīng)用于軌道交通，具有自適應(yīng)能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益較高的優(yōu)勢(shì)，但應(yīng)用的問題也比較突出，其中的核心問題在于總體能量轉(zhuǎn)化效率不高。一般在60%～90%之間，大部分液力傳動(dòng)裝置的能量轉(zhuǎn)換效率在75%左右，隨著使用時(shí)間增加，可能小范圍下降，達(dá)到70%左右，設(shè)計(jì)比較精巧的液力傳動(dòng)裝置，能量轉(zhuǎn)換能力較強(qiáng)，可達(dá)到95%甚至更高水平，但此類裝置的設(shè)計(jì)往往比較復(fù)雜，增加了應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)成本，不能最大化發(fā)揮液力傳動(dòng)裝置的優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，軌道交通中液力傳動(dòng)裝置應(yīng)用還存在其他問題，包括環(huán)境影響、控制精度不高、維護(hù)成本較高、應(yīng)用領(lǐng)域狹窄等。環(huán)境破壞是現(xiàn)代機(jī)械技術(shù)、各類動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展、應(yīng)用的直接負(fù)面影響。目前液力傳動(dòng)裝置使用油液大多含有一些污染性揮發(fā)物，大范圍應(yīng)用對(duì)大氣、水體均有一定破壞性。且大部分油液不能回收再利用、環(huán)保價(jià)值不高。

從工作效率、控制精度角度出發(fā)，軌道交通中液力傳動(dòng)裝置應(yīng)用效益雖有起伏，但大體較低，這與控制工作有關(guān)，傳統(tǒng)工作模式下，人工進(jìn)行液力傳動(dòng)裝置控制，即便其自適應(yīng)能力較高，操作指令下達(dá)和適應(yīng)參數(shù)調(diào)整依然存在時(shí)間差，參數(shù)波動(dòng)難以避免出現(xiàn)能耗損失，進(jìn)而降低液力傳動(dòng)裝置的工作效率。尤其是內(nèi)燃機(jī)車等自重較大的軌道車輛，損耗不容忽視。部分學(xué)者提出了智能控制、智能感知的作業(yè)思路，如以智能監(jiān)控的方式了解該裝置的工作情況，尤其是輸出功率的變化，以評(píng)估裝置最佳作業(yè)參數(shù)，作為后續(xù)管理的依據(jù)。可在液力傳動(dòng)裝置的輸入一端、輸出一端分別放置傳感器，利用傳感器實(shí)時(shí)收集系統(tǒng)的作業(yè)態(tài)勢(shì)，并作記錄。液力傳動(dòng)裝置較強(qiáng)的自適應(yīng)性，客觀降低了其可控能力，尤其是人員操作的便捷性，不利于了解該裝置的工作情況。出于提升裝置工作效益的目標(biāo)，可以借助傳感器收集所獲信息，實(shí)時(shí)組織輸入、輸出情況的對(duì)照，分析輸入?yún)?shù)不變情況下輸出參數(shù)下降的具體原因，如液體類別、液體總量、其他動(dòng)力參數(shù)的波動(dòng)等，作為改進(jìn)依據(jù)，受到各種因素影響，其思路尚未廣泛用于實(shí)踐。

維護(hù)成本方面，軌道交通中液力傳動(dòng)裝置的應(yīng)用方式比較固定，其結(jié)構(gòu)和技術(shù)原理也幾乎是相同的，部分設(shè)施使用的元器件壽命較短。一方面軌道交通工具、內(nèi)燃機(jī)車的動(dòng)能較大，制動(dòng)活動(dòng)、啟停管理等，均會(huì)直接損傷液力傳動(dòng)裝置中的部件，盡管液體降低了其損耗水平，精密的結(jié)構(gòu)仍需要投入較多精力進(jìn)行維護(hù)管理，成本偏高。軌道交通中液力傳動(dòng)裝置應(yīng)用領(lǐng)域狹窄的問題由來已久，一方面軌道交通車輛對(duì)該裝置的需求比較固定，而其他車輛往往需要以能耗更小、效率更高的動(dòng)力系統(tǒng)提供支持，不能廣泛使用液力傳動(dòng)裝置。另一方面，該裝置正在逐步被其他工作結(jié)構(gòu)替代，發(fā)展前景有限。在內(nèi)燃軌道車輛之外的其他場(chǎng)合、車輛中適用性不高，限制了其優(yōu)勢(shì)發(fā)揮，未來也應(yīng)加以關(guān)注。

4 結(jié)論

總體來看，軌道車輛液力傳動(dòng)系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足之處。在未來的發(fā)展中，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，相信液力傳動(dòng)系統(tǒng)將會(huì)在軌道車輛領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。同時(shí)，為了更好地適應(yīng)市場(chǎng)需求和環(huán)境保護(hù)要求，研發(fā)更加高效、環(huán)保的液力傳動(dòng)技術(shù)也顯得尤為重要。因此，建議在未來的研究中，可以從以下幾個(gè)方面入手：

1. 提高傳動(dòng)效率：通過優(yōu)化葉輪設(shè)計(jì)、改善油液品質(zhì)等方式提高液力傳動(dòng)的效率，降低能耗和排放。

2. 研發(fā)環(huán)保型液力傳動(dòng)技術(shù)：研究使用生物可降解油液、回收再利用廢舊油液等環(huán)保技術(shù)，降低對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

3. 智能化控制：結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)液力傳動(dòng)系統(tǒng)的智能化控制，提高車輛的自動(dòng)化水平和運(yùn)行效率。

4. 降低維護(hù)成本：通過簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高零部件壽命等方式降低液力傳動(dòng)的維護(hù)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

5. 拓展應(yīng)用領(lǐng)域：研究將液力傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于更多類型的軌道車輛和特殊場(chǎng)合，拓展其應(yīng)用范圍和市場(chǎng)前景。

綜上所述，軌道車輛液力傳動(dòng)作為一種成熟的傳動(dòng)形式，在未來仍有很大的發(fā)展空間和應(yīng)用潛力。希望本文的介紹和分析能對(duì)相關(guān)人士有所幫助和啟發(fā)。

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