機車傳動裝置

柴油機車和燃氣輪機車上用於變換車輪和原動機的轉速比和轉矩比以傳遞動力的裝置。車輪轉速確定機車速度，車輪轉矩產生機車牽引力。機車應充分利用原動機的最大功率以獲得最大可能的牽引力。機車的理想牽引特性略呈雙曲線關係。機車傳動裝置有三類：機械傳動裝置、液力傳動裝置和電力傳動裝置。

基本介紹

• 中文名：機車傳動裝置

原理

牽引力與速度成反比，在起動(速度等於零)時具有最大值。機車前進和後退這兩個方向的牽引性能要基本相同。但是機車柴油機的扭矩-轉速特性和機車牽引力-速度特性完全不同。柴油機不能在負載下啟動；在轉速等於零時沒有任何扭矩；在最高轉速下才能達到最大功率值；轉速愈低，功率也愈低；低於一定轉速時即不能穩定工作，甚至熄火停車。此外，機車柴油機不能逆轉。因此，柴油機曲軸不能和機車車輪直接連線，兩者之間必須有一傳動裝置作為媒介滿足機車牽引要求。燃氣輪機也不能逆轉，低速時功率較小，為了提高機車的起動牽引和加速的能力，也要有傳動裝置。

機車傳動裝置

簡介

用機械方式變換機車動輪和原動機（柴油機）的轉速比和轉矩比以傳遞動力的裝置。柴油機經過主離合器與多檔位的齒輪變速箱相連，變速箱的輸出軸通過萬向軸和車軸齒輪箱連線（或通過曲拐和連桿），驅動機車車輪。啟動柴油機時，先將主離合器脫開。柴油機工作平穩後,閉合主離合器,使機車起動。隨著機車速度的加快，柴油機轉速也成正比地上升。到柴油機轉速上升到接近最高轉速時，必須及時換接齒輪變速箱的下一檔位，以減小變速箱輸出軸和輸入軸的轉速比。換檔時，先降低柴油機轉速。換檔完成後，再提高柴油機轉速以增加機車速度，直至柴油機又達到最高轉速，再換接到下一檔位。柴油機在每一變速檔位下的轉速與機車速度成正比，它的功率也就基本上與機車速度成正比，因而柴油機幾乎總是不能發揮它的全部功率的潛力。機車牽引曲線只能呈階梯形，階梯的級數等於變速的檔位數。級數越多，功率的利用越好，但傳動裝置也越複雜、越重、越貴。柴油機車的機械傳動裝置一般為4～5級。

主離合器的摩擦副在機車起動過程中相對滑轉。產生磨耗和發熱。變速箱在換檔同步的接合過程中，換檔齒輪難免發生撞擊，換檔離合器會滑轉磨耗。機械傳動裝置在換檔時又有牽引力中斷的缺點。所以機械傳動裝置儘管效率高於其他種類的傳動裝置，仍只用在小功率的機車上,用於柴油機車的機械傳動裝置卻不超過400千瓦。

燃氣輪機車的機械傳動裝置用兩級變速，但未取得成功。這一方面是因為機車功率大、離合器不適用，一方面是由於機車車輪發生空轉時使燃氣輪機的葉輪超速旋轉會帶來危害。

分類

液力傳動裝置

利用原動機驅動離心泵，使獲得能量的工作液體（機車用油）衝擊渦輪從而驅動車輪來實現傳遞動力的裝置。1902年德國的費廷格提出了液力循環元件（液力耦合器和液力變扭器）的方案，即將泵輪和渦輪組合在同一殼體內，工作液體在殼體內循環流動。採用這種元件大大提高了液力傳動裝置的效率。液力傳動首先用於船舶。1932年製成第一台約60千瓦的液力傳動柴油動車。

液力耦合器有相對布置的一個泵輪和一個渦輪。泵輪軸和渦輪軸的扭矩相等。渦輪轉速略低於泵輪轉速，二者轉速之比即為液力耦合器的效率。液力耦合器用於機車主傳動時，效率約為97%。液力變扭器除泵輪和渦輪外，還有固定的導向輪。渦輪與泵輪的扭矩之比稱變扭比，轉速比越小則變扭比越大。在同樣的泵輪轉速下，渦輪轉速越低則渦輪扭矩越大。因此機車速度越低則牽引力越大，機車起動時的牽引力最大。液力變扭器的效率只在最佳工況下達到最大值。現代機車用的液力變扭器效率可達90%～91%。但當轉速比低於或高於最佳工況時,效率曲線即呈拋物線形狀下降。為使機車在常用速度範圍內都有較高的傳動效率，機車的液力傳動裝置一般採用不止一個簡單的液力變扭器。機車液力傳動裝置如梅基特羅型、克虜伯型、蘇里型、SRM型、ΓΤК型等，都是將一個液力變扭器與某種機械傳動裝置結合使用。福伊特型則是採用 2～3個液力變扭器(最佳工況點的轉速比一般並不相同)或液力耦合器(圖1),利用充油和排油換檔，在各種機車速度下都使當時效率最佳的那一液力循環元件充油工作。換檔時，前一元件排油和後一元件充油有一段重疊時間，所以換檔過程中的機車牽引力只是稍有起伏而不中斷。和其他類型相比，福伊特型液力傳動裝置的重量較大，但有結構簡單、可靠性較高的優點。到60年代，經驗證明：對於1500千瓦以上的液力傳動裝置，福伊特型較為適用。中國機車所用的液力傳動裝置都是這一類型的。

大功率增壓柴油機車的液力傳動裝置都不用液力耦合器，但燃氣輪機車的液力傳動裝置則用一個啟動變扭器，並在高速時用一個液力耦合器。

液力循環元件傳遞功率P的能力也像其他液力機械一樣，與工作液體重度r的一次方、泵輪轉速n的三次方和元件尺寸D的五次方成正比，即P∝rnD。在柴油機車上,為了減小傳動裝置的尺寸,柴油機都不直接驅動液力循環元件的泵輪,而是通過一對增速齒輪,在軸承和其他旋轉件容許線速度的限制範圍內，儘可能提高泵輪轉速。燃氣輪機車由於轉速很高，所以用一級甚至兩級減速齒輪來驅動泵輪。同一種傳動裝置，只要改變這種齒輪的增速比或減速比，即可在經濟合理的範圍內套用於不同功率的機車。

液力傳動裝置通常包括一組使輸出軸能改變轉向的換向齒輪和離合器機構。輸出軸通過適當的機械部件(萬向軸和車軸齒輪箱,或曲拐和連桿等)驅動機車車輪。液力傳動系統還可包括一組工況機構，使機車具有兩種最高速度，在高速檔有較高的行車速度，在低速檔有較高的效率和較大的起動牽引力和加速能力。因此同一機車既可用於客運，也可用於貨運，或者既可用於調車，也可用作小運轉機車。而當調車工況的最高速度定得較低時，機車在起動和低速運行時的牽引力可以超過同功率的電力傳動柴油調車機車。

1965年出現的液力換向柴油調車機車，傳動裝置有兩組液力變扭器，每個行車方向各用一組，換向動作也用充油排油的方式來完成。當機車正在某一方向行駛時改用另一方向的液力變扭器充油工作，由於變扭器的渦輪轉向與泵輪相反，對機車即起制動作用。機車換向不必先停車。只要司機改換行車方向手把的位置，機車即可自動地完成從牽引狀態經過制動、停車，又立即改換行車方向的全部過程。

液力傳動裝置不用銅,重量輕,成本低,可靠性高,維修量少，並具有隔振、無級調速和恆功率特性好等優點，因而得到廣泛採用。聯邦德國和日本的柴油機車全部採用液力傳動。

電力傳動裝置

把機車原動機的動力變換成電能，再變換成機械能以驅動車輪而實現傳遞動力的裝置。電力傳動裝置按發展的順序有直-直流電力傳動裝置、交-直流電力傳動裝置、交-直-交流電力傳動裝置、交－交流電力傳動裝置四種。它們所用的牽引發電機、變換器（指整流器、逆變器、循環變頻器等）和牽引電動機類型各不相同。

直-直流電力傳動裝置

1906年美國製造的150千瓦汽油動車最先採用了直-直流電力傳動裝置。1965年以前，世界各國單機功率75～2200千瓦的電傳動機車都採用這種電力傳動裝置。這是因為同步牽引發電機無法高效變流，異步牽引電動機難於變頻調速，只能採用直流電機。直－直流電力傳動原理是基於直流電機是一種電能和機械能的可逆換能器，其原理見圖 2。原動機G為柴油機,通過聯軸器驅動直流牽引發電機ZF，後者把柴油機軸上的機械能變換成可控的直流電能,通過電線傳送給1台或多台串並聯或全並聯接線的直流牽引電動機ZD，直流牽引電動機將電能變換成轉速和轉矩都可調節的機械能，經減速齒輪驅動機車動輪，實現牽引。此外設有自控裝置。自控裝置由既對柴油機調速又對牽引發電機調磁的聯合調節器、牽引發電機磁場和牽引電動機磁場控制裝置等組成,用來保證直-直流電力傳動裝置接近理想的工作特性。

交－直流電力傳動裝置

直流牽引發電機受整流子限制,不能製造出大功率電力傳動裝置。60年代前期,美國發明大功率矽二極體和可控矽，為製造大功率的電力傳動裝置準備了條件。1965年法國研製成 1765千瓦交-直流電力傳動裝置，它是世界各國單機功率 700～4400千瓦機車普遍採用的電力傳動裝置。

交-直流和直-直流電力傳動原理相似。由圖3可以看出兩者差異在於柴油機 G驅動同步牽引發電機TF，經矽二極體整流橋ZL，把增頻三相交流電變換成直流電，事實上TF和ZL組成等效無整流子直流電機。其餘部分和自控裝置主要工作原理與直-直流電力傳動裝置相同。

交-直-交流電力傳動裝置

異步牽引電動機結構簡單，體積小，工作可靠，在變頻調壓電源控制下，能提供優良調速性能。聯邦德國於 1971年研製成實用的交-直-交流電力傳動裝置，如圖4所示。 　

交-直-交流電力傳動原理如下：柴油機 G驅動同步牽引發電機TF，產生恆頻可調壓三相交流電（柴油機恆速時），經矽整流橋ZL變換成直流電，再經過可控矽逆變器 N（具有分諧波調製功能）再將直流電逆變成三相變頻調壓交流電，通過三根電線傳輸給多台全並聯接線的異步牽引電動機AD。AD將交流電能變換成轉速和轉矩可調的機械能,驅動機車動軸,實現牽引。它的自控裝置由聯合調節器以及對同步牽引發電機磁場、變換器、異步牽引電動機作脈衝、數模或邏輯控制的裝置組成，從而提供接近理想的工作特性。

交－交流電力傳動裝置

交-直-交變頻調壓電能經二次變換，降低了傳動裝置的效率，而且逆變器用可控矽需要強迫關斷，對主電路技術有較高的要求。為提高效率,在交-交流電力傳動裝置中採用了自然關斷可控矽相控循環變頻器（圖5）。60～70年代，美國在重型汽車上，蘇聯在電力機車上都採用了交-交流電力傳動裝置。不過美國用的是異步牽引電動機牽引，蘇聯用的是同步牽引電動機牽引。

交-交流電力傳動原理如圖5所示。柴油機G驅動同步牽引發電機TF,發出增頻可調壓交流電，經相控循環變頻器FB變換成可變頻調壓的三相交流電（降頻），輸給多台全並聯接線的異步牽引電動機AD。AD將交流電能變換成轉速和轉矩可調的機械能，驅動動輪實現牽引。它的自控裝置也是由聯合調節器、脈衝、數模、邏輯電路等裝置構成（但對可控矽導通程式要求嚴格），同樣能保證優良的工作特性。