（光学工程专业论文）液力传动机车不停车换工况档系统的可行性研究.pdf

北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文 摘要 液力传动机车不停车换工况档系统的可行性研究 摘要 本文是在校横向课题“液力机车不停车换工况档系统”的研制过 程中完成的。文章分析了国内外液力传动机车的发展现状，提出将现 代测试技术和控制技术应用到液力传动内燃机车上，研制不停车换工 况档系统，以明显改善液力机车的牵引性能。文中首先介绍了“液力 机车不停车换工况档系统”的总体功能、基本结构和工作方式，然后 介绍了进行模拟试验用的试验装置的设计，最后介绍了在试验台上进 行的调试工作及所做的实验结果。综合考虑对系统功能实现过程的分 终速度。它不能实现当前铁路重载货运和高速客运的的要求。在大量 调研的基础上，认为通过在液力机车上使用不停车自动换工况档系统， 可以使机车在运行中能够将液力换档和工况换档相结合运用，使机车 的牵引曲线由原来的两个高效区变为三个高效区，机车可在起动范围 内实现较高的效率和较大的起动牵引力及运转范围内实现较高的最终 速度，更好地发挥机车的牵引性能。系统的基本原理是：在液力传动 装置的工况箱里有两个齿形离合器，它由一个外齿轮和二个内齿轮组 成，二个内齿轮分居于外齿轮的两侧，通过不同的外齿轮与相应的内 齿轮相啮合，实现工况换档。在现有机构的控制下，只有在停车时才 能实现工况转换。而自动换工况档系统是通过测控系统来检测和调整 内、外齿轮的相对运动，在达到换档条件时，自动控制驱动装置，改 变外齿轮的啮合位置，实现工况换档。 该系统是由北方交通大学和北京二七机车厂合作研制的，目前已 经完成该课题的第一部分：模拟试验部分，基本实现了预定的功能扩 主题词：自动换档、测试技术、控制技术、试验台设计、变频调速 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o n p r e s e n t s r e s u l to ft h er e s e a r c h p r o j e c t ，“n o n s t o p p i n g g e a r c h a n g i n g s y s t e m o f d i e s e l - h y d r a u l i c l o c o m o t i v e ( d r m ) a f t e rt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so f t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nd i i lh a s b e e n i n v e s t i g a t e d a n d a n a l y z e d w e f o u n dt h a tt h e n o n s t o p p i n gg e a r c h a n g i n gs y s t e mc a ng r e a t l yi m p r o v e t h et r a c t i o np e r f o r m a n c eo fd i l lw i t h h e l p o fm o d e mm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l t e c h n o l o g y i n v o l v e di nt h i s d i s s e r t a t i o n f i r s t l y , w eo u t l i n et h eo v e r a l lf u n c t i o no ft h es y s t e m ，i t sb a s i c s t r u c t u r ea n d o p e r a t i o np r o c e d u r es e c o n d l y , w ed e s i g nt h es i m u l a t e d t e s tr i g f o ri t f i n a l l y , as e r i e so fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nm a d ea n dt h es y s t e mh a s b e e ni m p r o v e db a s e do nt h er e s u l ta n a l y s i s t h ed a t ao ft h e s ee x p e r i m e n t s a n da n a l y s i so f t h er e s u l t sp r o v et h a tt h es y s t e mi sv a l i da n df e a s i b l e t h em a i nd i s a d v a n t a g eo f t h ee x i s t i n gd i e s e l - h y d r a u l i cl o c o m o t i v el i e s i nt h ep o o rt r a c t i o np e r f o r m a n c ei ni t sl o w s p e e dr a n g ei nt h er u n n i n gm o d e ， i et h et r a c t i o ne f f o r ta n do v e r a l le f f i c i e n c ya r en o ts a t i s f a c t o r y o nt h eo t h e r h a n d ，t h el o c o m o t i v ec a nn o tr e a c hd e s i r e dt o ps p e e dl i m i td u et oi n a d e q u a t e e f f i c i e n c ya n d t r a c t i o ne f f o r t w i t ht h en o n s t o p p i n gg e a rc h a n g i n gs y s t e m , t h ed h lc a nh a v et h r e e h i g h e f f i c i e n c ys p e e dr a n g e sr a t h e rt h a no n l yt w o ，i e t h ed h l c a nw o r ki n s h u n t i n gm o d et og e th i g hp e r f o r m a n c et h a nc h a n g eo v e rt ot h er u n n i n g m o d ew h e nh a u l i n gap a s s e n g e rt r a i nt h eg e a rc h a n g i n gm e c h a n i s mi s c a r r i e do u tb yt w o g e a rc l u t c h e s , e a c hc o m p n s i n ga ni n n e rg e a ra n da no u t e r g e a r o n l y o n ec l u t c hi s e n g a g e da t at i m et og i v eac e r t a i n r a t i o b y c h a n g i n go v e rc l u t c h ，t h eo t h e rr a t i oc a nb eg i v e n u s i n gm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o lt e c h n o l o g y , t h es p e e da n dp h a s ed i f f e r e n c eo ft h ei n n e ra n do u t e r g e a r s t ob e e n g a g e d a r em o n i t o r e da n d s y c h r o n i z e df o rs m o o t he n g a g i n g t h e d e v e l o p m e n t o ft h e s y s t e mf o r m s a j o i n a dp r o j e c t b e t w e e n 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文 a b s t r a c t n o r t h e r n j i a o t o n gu n i v e r s i t y a n db e o i n ge r q il o c o m o t i v ef a c t o r y a t p r e s e n tw e h a v ea l r e a d yc o m p l e t e dt h ef i r s tp h a s eo ft h er e s e a r c ht a s k s i m u l a t e dt e s ta n df u l f i l l e dt h es c h e d u l ef u n c t i o n k e yw o r d s ：a u t o m a t i cs h i f t ，d e t e c t i n gt e c h n o l o g y , c o n t r o lt e c h n o l o g y ， t e s tr i gd e s i g n , s p w m n l 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1l 开发不停车换工况档系统的意义 从1 9 3 2 年和1 9 3 4 年起，液力传动装置先后在内燃动车和内燃机车 上开始得到应用，6 0 多年来，尤其是自液力换向传动装置用于内燃机 车以来，由于液力传动内燃机车具有良好的牵引经济特性、质量小、 造价低、结构简单、维修保养方便、换向迅速、操纵方便、运用可靠 等特点，得到了广泛的使用。 近年来伴随着电力传动内燃机车的蓬勃发展，液力传动内燃机车 受到了严峻的挑战，面临着生死存亡的抉择。根据资料，从性能、造 价、运用和维修等方面，对内燃机车的电力传动和液力传动做了比较， 认为电力传动有如下的优越性：总效率较高；实现起动牵引力所需的 功率较小；柴油机功率利用较好；不消耗于牵引列车的部分能量可以 用于列车的供电；较有效的动力制动。因而三相牵引传动装置是铁路 运输中最先进的传动装置。与之相比，液力传动装置的使用范围将受 到限制，它适用于中、小功率内燃机车( 调车用内燃机车和工业用内燃 机车) 上。1 0 0 0 k w 以下中、小功率液力传动内燃机车在牵引能力、作业 效率、轮周效率、可靠性、适应性和价格等方面都优于同功率等级的 电力传动内燃机车或与之相当。特别是液力换向传动装置易于做到具 有很低的机车持续速度，便于设置工况机构，换向迅速，操作方便， 因而它特别适用于调车及小运转内燃机车。在我国目前技术条件下， 液力传动内燃机车的价格比同功率、同轴式电力传动内燃机车要低2 0 左右，国内冶金、石化等主要工矿企业根据自己的工作特点和多年的 实践经验，推荐采用液力传动内燃机车。 尽管液力传动装景有其应用的前景，但必须看到它的不足，液力 传动内燃机车与电力传动内燃机车相比，突出的不足表现在牵引特性 上：在运转工况下，液力机车起动范围的效率和牵引力不够高；在调 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文第一章绪论 车工况下，液力机车达不到更高的最终速度。 8 0 年代初，国外微机上车在机车车辆领域引起了一场技术革命， 随后，电子技术、检测技术、微机应用技术在国内外内燃机车上得到 了广泛的应用如“柴油发电机组的恒功率励磁控制系统”、“机车故 障诊断系统”、“超速防护系统”等，都显著地提高了机车的技术经济 效益和安全性能。随着薪技术、新装备不断上车，内燃机车正向着大 功率、现代化的方向发展。经过大量的调查和研究，我们想把现代的 电子技术、检测技术、控制技术、微机应用技术应用到液力机车工况 换档上，使机车牵引性能得到改善，于是着手调研开发运行中自动换 工况档系统的可行性。在液力传动装置的工况箱里有一个齿形离合器， 它由一个外齿轮和两个内齿轮组成，通过外齿轮与不同的内齿轮相啮 合，实现工况换档。在现在的液力机车使用过程中，只有在停车时才 能进行工况档的转换，而自动换工况档系统是通过测控系统来检测和 调整内、外齿轮的相对运动，在达到换档条件时，自动控制驱动装置， 实现换工况档。 该系统的使用，使机车在运行中自动进行液力换档和工况换档， 提高液力传动装置的工作效率，使液力机车的牵引特性曲线由原来的 两个高效区变为三个高效区，充分发挥机车的牵引能力，实现较高的 起动效率、较大的起动牵引力及较高的最终速度。该项技术的使用将 明显改善目前的液力传动内燃机车的性能，扩大机车牵引的高效区， 使工况转换动作迅速、自动进行。该项技术的成功应用必将拓宽液力 传动机车的使用范围，带来很大的经济效益和社会效益。 l2 国内外发展现状 德国是世界上最早发展液力传动内燃机车的国家，西德v o i t h 公司 研制的液力传动装置代表着国际先进水平，该公司于9 0 年代着手开发 液力传动机车运行中换工况档装置，现已制成多种型号的该装置，如 装有可控工况档的l 2 r 4 s u 2 型液力传动装置，它是如下实现运行中换档 2 i ! 查笙望查兰垫垫量皇兰三里兰堕堡主兰垡笙塞：兰二里些兰 的：柴油机转速、涡轮转速和传动装置输出轴转速，均用感应传感器 采集数据。通过电子数字控制装置和微机控制装置不仅可以利用充排 油实现液力变矩器的换档，而且也可以在机车运行时使液力工况箱的 内、外齿轮达到同步，实现工况换档，即会自动地从慢档换到快档， 或从快档换到慢档。在换档过程中，牵引力中断大约4 5 秒钟。这种 样机传动装置已在法国铁路的y 8 0 0 0 型机车上运用若干年了，考核试验 表明，这种传动装置是非常出色的。 我国1 9 5 8 年试制了7 3 6 千瓦内燃机车液力传动装置，至今已拥有一 批较有实力的液力传动内燃机车的生产厂家，如资阳内燃机车厂、四 方内燃机车厂、北京二七内燃机车厂和济南内燃机车厂等，国产液力 传动内燃机车的类型也比较齐全。近些年来，国产液力机车采用了液 力换向、高效变矩器、电换档和p c 机控制等十多项新技术，机车的牵 引性能、换向性能、经济性、可靠性和耐久性等方面均有了长足的进 步。目前生产单位已提出对诸如不停车换工况档系统等新技术的需求， 但还没在刊物上看到国内有关科研单位着手开发该系统的信息。该课 题研究追踪国际先进水平，在国内尚属首次进行。 1 3 本论文立题 现在内燃机车生产厂家已提出对运行中自动工况换档系统的需 求，我校同北京二七机车厂合作解决这个问题。该课题关系到机车结 构性能、结构改造和测控技术应用，而机车是一个可靠性和安全性要 求很高的复杂系统，系统实际应用风险大、费用高，因而开发工况换 档系统必须做科学、客观、详尽的可行性分析。“液力机车不停车自动 换工况档系统”的课题共分为三个阶段完成： 第一期可行性研究和模拟试验 进行液力机车不停车换工况档系统的可靠性分析。设计换档试验 台，测试和调控待啮合齿轮的运动状态，当达到换档条件时使齿轮相 啮合。利用摄像和频闪观测的方法，检查测控系统的工作情况。 1 北方交通大学机械与电气工程学院磺士学位论文第一章绪论 第二期台架试验 用液力换向变速箱或e q 2 0 2 7 变速箱( 带液力制动) 进行试验，确 定变矩器的部分充油特性，进行测控系统、驱动装置的调试和改造。 第三期装车试验 “液力机车不停车自动换工况档系统”在机车上的具体实现。 本论文完成的内容是围绕课题的前期工作进行的，论文完成时， 第一期的工作已经结束，基本达到了预定的要求。论文中研究解决的 关键问题为： ( 1 ) 测试系统。准确可靠地测量齿轮的转速和转速变化率、相位。 ( 2 ) 控制系统。调整主、被动齿轮达到同步，从而实现运行中齿 轮啮合。 ( 3 ) 驱动装置。在换工况档时，驱动外齿轮滑动，实现工况平稳 转换。 ( 4 ) 试验台设计。为试验的进行提供物质条件。 4 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文第二章系统的功能和结构 第二章系统的功能与结构 不停车换工况档系统使用的意义在于充分利用液力传动装置的高 效区，明显地改善机车的牵引特性，下面分析系统使用前、后的机车 牵引特性。( 以g k l e 型机车为例) 2l 机车的牵引特性 机车的牵引特性是指牵引力随速度变化的曲线，它有预期牵引特 性和实测牵引特性两种。预期牵引特性是设计机车时根据理论参数计 算、绘制的。由于数据取值的不够准确和机组工况的复杂性，预期牵 引特性仅供参考使用。实测牵引特性是以牵引热工试验为基础，并对 运行中的机车进行调查后整理确定的因而符合运用机车的实际情 况，是牵引计算的原始依据之一。预期牵引特性中计算所用公式、参 数如下： f m t f 。 v 一1 8 8 5 1 0 3 d c o v，= ，= 5 0 0 d j ： 式中， 矗为涡轮转矩( n m ) ，蚺为涡轮转速( r m i n ) ( 由柴油机和 变矩器联合工作输出特性曲线查得) ；i ：、玎为机械传动部分总传动比 及效率；d 为机车动轮直径( m ) ；f 为机车牵引力( k n ) ；v 为机车 速度( k i n h ) ： 本文中所用的g k l e 型机车的牵引特性曲线是实测牵引特性曲 线，资料来源于北京二七机车厂。 下面我们分析系统使用前、后的机车牵引特性。 不停车换工况档系统适用于带有工况箱的液力传动机车，它的传 动装置主要由液力元件组、齿轮传动机构和工况齿轮箱等组成，液力 元件组的组成有两种形式：一是由可以液力换向的四个变矩器组成： 二是由两个变矩器和一个液力制动器组成。我们研究的重点是工况箱 北方交通大学机辕与电气工程学院硕士学位论文第二章系统的功能和结掏 1 4 9 c r t j 图2 1 液力抉向机车传动装置简图 6 变矩器轴a 交矩器轴b 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文第二章系统的功能和结构 部分，如图2 1 液力机车传动装置简图所示，在工况箱里通过外齿轮与 调车内齿轮或运转内齿轮相结合，实现两个工况档位，即调车工况档 和运转工况档。目前该工况档的变换只能在停车时进行，机车开动前 就要根据将要运行的情况选择工况档，一经开动不能换档，只能工作 在调车工况或运转工况。图2 2 为调车工况牵引特性曲线，图2 3 为运 转工况牵引特性曲线。从这两幅牵引特性曲线图中可以明显地看出其 调车工况、起动变矩器工作调车工况、运转变矩器工作 图2 2 调车工况的牵引特性曲线 一运转工况、起动变矩器工作 一一运转工况、运转变矩器工作 图2 - 3 运转工况牵引特性曲线 7 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文第二章系统的功能和结构 牵引特性的缺陷：在调车工况下最终速度较低。在运转工况下起 动牵引力小、效率低。这就是我们萌发研制不停车换工况档系统的主 要背景，该系统是使机车在运行中，通过测控系统的作用，使工况箱 中外齿轮与原结合的内齿轮脱开，监测外齿轮和另一内齿轮的相对相 位、速度，通过必要的调控，使两者在运行中安全结合。如图2 - 4 所示 的不停车换工况档机车可以实现的牵引曲线，通过液力换档和工况换 档相结合的使用，机车可实现四种牵引过程。因此我们可以根据实际 运行和负载情况，选择牵引过程，这样可以实现既有较大的起动牵引 力、较高的起动效率，又有较高的运行最终速度，使机车能够多拉快 跑。 调车工况、起动变矩器工作 一运转工况、起动变矩器工作 调车工况、运转变矩器工作 一运转工况、运转变矩器工作 图2 - 4 不停车换工况档机车牵引曲线图 2 2 系统的组成与功能 系统主要由三部分组成，即测试部分、控制部分、换档操纵部分 ( 如图2 5 所示) 。下面具体介绍各部分的结构与功能。 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文第二章系统的功能量旦! ! 塑 2 2 1 测试部分 该部分的功能是测试内、外齿轮的运动参数，由传感器来完成对 齿轮的运动信号的拾取。传感器好比全系统的眼睛，它是实现自动检 测和自动控制的首要环节，如果没有传感器对原始信息进行精确的、 可靠的获得和转换，则一切测量和控制都是不可能实现的，因此，合 理优选传感器是全系统的一个关键问题。随着电子技术和检测技术的 迅速发展，传感器的类型越来越丰富，我们根据实际使用要求选择传 感器。 内外 齿齿 图2 - 5 系统结构示意图 ( 1 ) 传感器的选择 传感器的选择标准：要实时测得转速在3 0 0 f r a i n - - 1 0 0 0 r m i n 范围内的 内、外齿轮的转速、转速变化率和相位信息。工作可靠、便于安装、 结构简单、精度高及经济性好。目前可选用的传感器主要有以下几 类： 测速发电机。它分为直流交流两种，直流测速发电机的输出电 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文第二章系统的功能和结构 压和转速有较好的线性关系，并且直流的极性能反映转向。交流测速 发电机的输出频率与转速严格对应。 光电式速度传感器。它分为透射式和反射式，由带孔的遮光 盘、发光元件和受光元件组成。光电式速度传感器的输出脉冲数与车 轮转速成正比，使用时要注意避免环境光的干扰，宜用红外波段。 电磁感应式速度传感器。它输出的正弦交变电压的频率与车轮 转速成正比。 霍尔式速度传感器。它输出的脉冲数与车轮转速成正比。 在这几类测速传感器中，测速发电机价格比较贵，且它只能测得 转速，不能获得所需相位信息。光电式、电磁式和霍尔式传感器的输 出信号都包含了速度、加速度和相位的信息，其中光电式传感器虽然 测量精度高，且能检测到零转速，但易受油、雾、灰尘等介质及环境 光的影响，对使用环境要求较高，安装轴向尺寸较长。电磁感应式传 感器在速度低时，由于感应电势小，将不能准确地测得机车速度，且 其测试精度受齿轮齿数限制。霍尔速度传感器则弥补了以上各种传感 器的不足，它的优点在于灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小、 耐高温、无触点、无火花、抗污染、抗干扰能力强，耐受恶劣环境， 低速时仍能正常工作，且安装较方便，尤其是它的价格非常便宜，更 使它具有较大的优势。目前霍尔传感器己广泛应用于非电量测量、自 动控制等各个领域。霍尔传感器是用方波脉冲计数的方法进行速度测 量，采用数字化信息处理技术，使速度测量更准确、更可靠，是目前 国内外普遍采用的测速技术。 ( 2 ) 霍尔传感器原理 霍尔速度传感器是是由霍尔元件和磁钢片盘组成，它是利用霍尔 效应实现磁电转换的一种传感器，霍尔效应是导电材料中的电流与磁 场相互作用而产生电动势的物理效应。霍尔元件是根据霍尔效应原理 1 0 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文 第二章系统的功能和结构 设计制造的一种半导体( 如锗、硅等) 元件，如图2 - 6 所示，矩形霍尔 元件薄片致于磁通密度为b 的磁场中，当在薄片两侧a 1 、a 2 输入电流 ，时，则薄片另外两侧b l 、b 2 便会产生一个电势u 。( 称霍尔电势) ， 这一现象称为霍尔效应。当磁通方向与霍尔薄片垂直时，则有 u f k o i i 式中，为霍尔常数，即霍尔元件的灵敏度。 图2 - 6 霍尔效应原理示意图 近年来，已经研制出应用霍尔效应对电量( 如高电压、大电流) 及非电量( 如转速、位置) 检测的集成传感器，并获得了理想的效 果，在本系统中是应用霍尔集成电路( 其原理如图2 7 所示) 完成检测 图2 7 霍尔集成电路原理图 l l 路板 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文第二章系统的功能和结构 的。系统中，将个磁钢片均匀地贴在圆盘( 由非导磁性材料制做 的) 的某一圆周上，该盘与待测齿轮保持固定的位置关系，同步转动 ( 见图2 8 ) 。当磁钢片转至与霍尔元件较近时，距霍尔元件表面 3 8 m m 时( 主要由磁钢片的磁场强度和霍尔元件的感知能力决定) ， 霍尔元件可以探到霍尔电势，霍尔电势经放大、整形后，将触发晶体 管导通，由开路集电极输出与齿轮转角相对应的数字信号。随着齿轮 的转动，霍尔传感器就输出频率随转速变化的脉冲信号，根据输出的方 波可计算出内、外齿轮的相位、速度和加速度。 磁钢片盘 霍尔探头 图2 - 8 霍尔测速原理图 片 ( 3 ) 霍尔测速的特点： 免维护性 霍尔传感器利用霍尔空间磁效应原理，使动轮和传感器之间没有 直接的连接，是非接触性测速。非接触性和无摩擦、无直接的机械性 冲击及霍尔元件的高可靠性和永磁铁等因素，决定了霍尔传感器具有 免维护性。 低成本 过去由于内燃机车上没有电子处理设备，如果安装霍尔传感器必 须配上电子处理设备，这样成本就很高。而如今，内燃机车上都已经 安装了电子处理设备，这就给霍尔传感器在内燃机车上的安装使用提 1 2 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文 第二章系统的功能和结构 供了充分的条件，安装成本大大地降低了。由于免维护性，维修成本 也大幅度地减少。 高精度和高可靠性 霍尔传感器提供了稳定的方波脉冲，用方波脉冲计数的方法进行 速度测量，采用数字化信息处理技术，使速度测量更准确、更可靠， 为计算齿轮的运动信息提供了可靠的保证。如可以采用频率周期法 ( 简称f t 法) 测量传感器的输出频率，计算速度。 222 控制部分 ( 1 ) 控制器 选用运算速度快、精度高、抗干扰能力强的单片机作为控制器， 它具有如下优点： 可靠性好。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗干扰 能力优于一般通用c p u ；程序指令及常数表格固化在r o m 中，不易 破坏；多信号通道在一个芯片内，可靠性好。 易扩展。片内具有计算机正常运行必须的部件，片外有供扩展 用的总线及并行、串行输入输出管脚，很容易构成各种规模的计算机 系统。 控制功能强。为了满足工业控制的要求，单片机的指令系统中 有极丰富的传送指令、逻辑运算指令、条件分支转移指令、i o 口逻辑 操作以及位处理操作指令，因而单片机在逻辑控制、开关量控制及顺 序控制中得到广泛应用。 ( 2 ) 调速方法 两种调速方式的分析 分析液力传动装置的组成及性能，调节待啮合内齿轮转速的方法 有两种方式：利用柴油发动机调速和利用变矩器调速。 首先谈用柴油机调速。柴油机是变矩器泵轮的动力机，泵轮的转 速随柴油机转速的变化而变化。以降速为例，随着柴油机转速的降低 1 3 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文 第二章系统的功能和结构 泵轮转速脚。也降低，变矩器的泵轮力矩、涡轮力矩坼减少很多， 传递功率也明显减少，而变矩器的最高效率仅稍有降低。这样可以有 效地调节制动力，控制齿轮转速变化。再者用变矩器调速。变矩器是 利用其内部充满的矿物油来传递能量的，充油量决定了变矩器的循环 工作流量，充油量的多少影响着变矩器的传动功率和效率，所以可以 通过控制充油量来调节内齿轮的转速。 在换档需要调速的瞬时，柴油机通过变矩器、齿轮机构和内齿轮 相连，此时内、外齿轮已经脱开，柴油机负载很小，根据机车柴油机 的特性，难以稳定地将内齿轮的转速调整到3 0 0 r m i n - 1 0 0 0 r m i n 之间的 莱一转速。所以在本系统中不能采用柴油机调速。下面分析变矩器的 特性，说明可以用变矩器实现内齿轮调速。 变矩器外特性 调速措施的关键是利用变矩器的部分充油特性。 液力变矩器的基本形式是由三个同轴线的、带叶片的轮子一泵 轮、涡轮及导轮所组成。工作时，变矩器内充满液体，动力机驱动泵 轮旋转，液体也随之高速旋转，流向涡轮，高速旋转的液体就带动涡 轮旋转，再经涡轮轴带动工作机械运转。流出涡轮的工作液体，经固 定在机座上不动的导轮导向后再流回泵轮，进行不断循环。 变矩器是一种传动机械，它的外部特性就是指泵轮轴上力矩、转 速和涡轮轴上力矩、转速之间的关系曲线。一般所谈的变矩器外特性 是指变矩器最常用的牵引工况特性，位于变矩器全外特性曲线图( 图 2 1 1 ) 的第一象限。在这种工况下，能量的传递由变矩器的泵轮轴输 入，由涡轮轴输出，涡轮力矩坼的方向与涡轮转向一致，在涡轮转速 o u t m 。的范围内，鸣一m 。都具有正值，涡轮带动工作机械工作，所 以称为牵引工况。 牵引工况并不是变矩器的唯一工况，某些工作机械的变矩器还会 出现下面两种工况：一为涡轮反向旋转制动工况，此时涡轮回转方向 1 4 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文 第二章系统的功能和结构 与泵轮转向相反( 图2 1 1 的第二象限) 。二为涡轮超越工况，涡轮回 转方向与泵轮的转向相同，但涡轮转速。，大于牵引工况下的最大转速 ，。，此时涡轮力矩j j l 4 的方向已改变( 图2 一l l 的第四象限) 。在这 两种工况下，涡轮都要由外部输入力矩，实质上己转变为输入能量的 “泵轮”了。而液流作用于涡轮的力矩方向与涡轮转向相反，因而对 与涡轮相连的、并强迫涡轮回转的工作机械来说，它是制动力矩。 变矩器的牵引工况、涡轮反转制动工况和涡轮超越工况，组成了 变矩器的全部工况，三种工况下的特性组成了变矩器的完整特性曲 线，称为全外特性图。 h f n - m # 0 d 0 。翁r 埘 码例 弋 、fi 4 ， 7 、上 _ _ _ 一 li mr 型， j j ? j d ， 甜，d膏、 上j 删羽 “ i 窿 弋 f j 2 “ 、 、 t 0 口j 月 5 0t 弛 口“”05 n0 抽 p d r i i 一 u r 图2 - 1 i 变矩器全外特性曲线图 ( a ) 离心涡轮变矩器 ( b ) 轴流涡轮变矩器( c ) 向心涡轮变矩器 变矩器调速的实现 当降速换工况档时，调车内齿轮需要加速；当升速换工况档时， 1 5 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文第二章系统的功能和结构 运转内齿轮需要减速。在调整内齿轮速度时，对非液力换向的传动装 置，采用起动变矩器充油使内齿轮速度增加，液力制动器充油使内齿 轮速度降低；对液力换向传动装置，采用前进方向的起动变矩器充油 使内齿轮速度增加，后退方向的起动变矩器充油使内齿轮速度减少。 速度调节的快慢由充油量控制。前进方向的起动变矩器工作在牵引工 况( 第一象限) ，后退方向的起动变矩器工作在涡轮反转制动工况 ( 第二象限) 。变矩器在涡轮反转制动工况的工作特性比牵引工况的 工作特性更难以预先计算，因为其液体流动情况与牵引工况时的相差 极大，必须用试验的方法来确定。 变矩器通常都是在全充油工况下工作，并应尽量防止混入空气， 以避免变矩器性能变坏。当变矩器的输入功率不能调节或调节范围不 够大时，可以改变充油量来调节变矩器的特性。变矩器在部分充油工 况下工作时，由于减少了循环流量，混入了大量的空气，破坏了原来 的流动状态，致使传动功率和效率都大大降低，所以可以通过控制充 油量来调节内齿轮的转速。 当用起动变矩器为内齿轮加速、减速时，会产生很大的加速力或 制动力，用“部分充油”的方法可以降低和调节内齿轮的加速度或减 速度。变矩器充油量的调节有以下三种基本方法，即调节进油量、调 节排油量或同时调节进、排油量。分析g k l e 型机车的油路结构，认 为采用改变液压油路的a 向泄流阀( b 向泄流阀) 背压的方法调节充 油量最容易实现。 充油量对变矩器特性的影响需要做具体的试验验证总结其变化 规律。变矩器的部分充油特性试验将在本课题的第二阶段一一台架试 验中进行。 ( 3 ) 控制过程 控制部分的功能主要是调控齿轮运动状态。系统的控制器8 0 9 8 单 片机负责接收齿轮的运动信号，并按控制规则输出调整信号，调整齿 1 6 i ! 查銮望盔兰垫塑兰皇皇三堡兰堕婴主兰垡堕奎 整三童墨堕塑型韭塑丝塑 轮的运动状态。调控过程中主要是利用变矩器的部分充油特性，通过 调换工作的变矩器、调整变矩器的充油量，改变传动装置的瞬时传动 比，使齿轮的运动按一定的规律变化，逐渐地达到换档条件。 当系统接到换档命令时，首先要区分是需要液力换档还是工况换 档，如要进行液力换档，则按现有的液力换档机制进行：如要进行工 况换档，则按图2 1 0 进行工作，系统详细工作步骤见表2 1 所示( 以 g k l e 型机车为例) 。 圜一图帼一 马圈墁 图2 1 0 换工况档工作简图 系统的工作过程如下： 接到换工况档命令后，首先将正在工作的运转变矩器排油至 空，然后脱开工况档。此时齿形离合器各齿轮的转动状态为： 升速时外齿轮转速u 。； 调车内齿轮转速。自调车 。自调车= “外； 运转内齿轮转速u 自运转 u 自运转= 丽6 7 翼m 州 降速时外齿轮转速甜。； 运转内齿轮转速。自运转“自运转= 。外； 调车内齿轮转速车 车= 罟嚆 脱档后，因为机车的运行惯性很大，外齿轮保持u 。做匀速运动； 此时柴油机的主手柄位置不变，内齿轮的运动由变矩器控制。 1 7 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文第二章系统的功能和结构 工况档位脱开后，按调控措施，控制器开始调控起动变矩器的 充油量，改变变矩器的有效传动比，调整内齿轮的运动状态。升速换 档时，调整运转内齿轮转速由i o 。磊o l 。外降为“外；降速换档时，调整 o uj ) 调车内齿轮转速由罢。百3 5 m 外升为外。 当控制器判断出齿形离合器符合换档条件时，马上将起动变矩 器排油，同时控制驱动装置动作。换档后立即给原来工作的运转变矩 器充油，机车恢复正常行驶。 表2 - 1 系统换档步骤 档位工作部件换档测试参数换档动作 i 档 起动变矩器、i 档换手柄位置、机起动变矩器排油，运转变矩 调车工况齿轮 i i 档车速度器充油。 i i 档运转变矩器、 手柄位置、机先运转变矩器排油，再脱档； ( f ) 调车工况齿轮 档换 车速度、外齿 然后反转起动变矩器适量充 i i i 档运转变矩器、 i i i 档 轮和运转内齿油，调整运转内齿轮的运 运转工况齿轮 轮的运动参数动；最后反转起动变矩器排 油挂档，运转变矩器充 油。 【i i 档换 手柄位置、机先运转变矩器排油，再脱档； 档 车速度、外齿然后正转起动变矩器适量充 轮和调车内齿油，调整调车内齿轮的运 i i 档运转变矩器、 轮的运动参数动；最后起动变矩器排油， ( i )调车工况齿轮 挂档，运转变矩器充油。 i 档起动变矩器、 档换 手柄位置、机车起动变矩器充油 i 档 速度 运转变矩器排油 调车工况齿轮 2 2 3 换档操纵机构 操纵机构必须安全可靠，对它的主要要求是：首先要严格保证机 车只有在满足换工况档的条件下才能执行换工况档，以保证齿形离合 器不发生意外的撞击、打齿；其次是在运行中离合器绝对不会自行脱 开；三是换档要准确、平稳无冲击。 1 8 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文第二章系统的功能和结构 目前g k l e 型机车上是采用手动纯机械换档，由于不停车换工况 档系统要求换档反应快、动作迅速，纯机械手动换档机构己不能满足 要求。为了便于实现电控、自动换工况档，需要在原机械换档机构中 附加气动或液压系统。在液力机车上已有气动系统和液压系统需要的 动力装置( 液压泵和空气压缩机) 和工作介质( 压力油和压缩空 气) ，具备附加气动系统或液压系统的物质条件。因气动系统和液压 系统的工作介质性质不同，气动系统和液压系统各具有特点。 针对我们的使用要求，认为液压系统的不足在于：液压传动在工 作过程中常有能量损失( 摩擦损失、泄漏损失等) ，因液压传动易泄 漏，为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，所以价格较 高，且工作时受温度变化影响大。 气动系统的优点在于： ( 1 ) 工作介质提取和处理方便。气压传动工作压力低( 一般不超 过1 m p a ) ，工作介质提取容易，用后排人大气，处理方便不需设置 回收管道和容器；介质清洁，管道不易堵塞，不存在介质变质及补充 等问题。 ( 2 ) 阻力损失和泄漏较小。在压缩空气的输送过程中，阻力损失 较小( 一般仅为油路的千分之一) 。外泄漏不会象液压传动那样，造 成压力明显降低和严重污染。 ( 3 ) 动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需o 0 2 s - - 0 0 3 s 即可建 立起所需的压力和速度。 ( 4 ) 工作介质不会因温度变化影响传动及控制性能。成本低廉， 由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工 精度要求，制造容易，成本较低。 经比较，我们认为气动系统更适于换档操纵装置，并且考虑北京 二七机车厂生产的e q 2 0 2 7 传动箱中风动换向的使用技术比较成熟，所 以在系统中选用气动换档操纵装置。即将原有的换工况档机械操纵机 1 9 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文第二章系统的功能和氅塑 构加以改动，附加气动元件，构成气动回路，利用电空阀控制风缸动 作，实现档位自动转换( 参考e q 2 0 2 7 机械式换向机构) 。换档操纵机 构由我们和二七机车厂协作完成，其结构及原理如下。它有五个组成 部分：即换档离合器、活塞杆及换档风缸部分、活塞杆止动部分、手 动换档、中间位插销。( 见图2 1 2 、图2 1 3 所示) ( 1 ) 换档离合器 液力机车工况箱的齿形离舍器的内、外齿轮，开始啮合端的齿形 都倒成圆角，以减少换档舍齿时发生“齿顶齿”现象的机率，而且沿 齿长方向都制成1 。3 0 的斜度，使开始啮合端齿厚大于另一端齿厚， 这样的结构无论哪一侧齿面工作，所产生的轴向力都将使内、外齿轮 紧紧地合在一起而不会脱开，起自锁作用。 拨叉3 可以绕销轴4 摆动，当拨叉向一个方向摆动时，就能操纵 两边的齿形离合器“此开彼合”；而当拨叉向相反的方向摆动时，两 边的齿形离合器的开、合状态就与前相反。 l 一运转内齿轮l 一调车内齿轮2 外齿轮3 拨权4 一销轴2 l 一活塞套简 5 一风缸6 一活塞1 4 一拐臂1 5 、1 6 、1 7 、1 8 、2 5 、2 6 、2 7 一杠杆2 2 弹簧 图2 1 2 换挡机构示意图 柏 q 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文 纂二章系统的功能和结构 图2 - 1 3 换榜擞纵机构 2 l l 一活塞杆 2 圆螺母 3 节流堵 4 密封圈。 5 o 形密封圈 6 活塞 7 弹簧 8 锁栓 9 插销座 l o - 销。 l l 一插销帽 1 2 盖 1 3 - - 上盖 1 4 - - 销轴 1 5 、1 7 、1 8 、2 5 、 2 6 、2 7 一杠杆 1 6 一垫 l 卜轴承 2 0 - - - 销轴 2 1 - - 活塞 2 2 一弹簧 2 3 弹簧托 2 4 一螺栓 2 8 一手动轴 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文第二章系统的功能和结构 ( 2 ) 活塞杆及换档风缸 活塞6 的外圆面上有一环形槽，槽内装有密封圈5 ，用来阻止活塞 两边空气的相互泄漏。风缸上下两端与活塞杆之间均装有橡胶密封圈 4 。活塞杆端部装有一个带矩形孔的拨头，通过它与拐臂球头连接。图 2 1 2 和图2 1 3 所示的情况是活塞处于风缸的中间位置，这时两侧的齿 形离合器均处于脱开的状态。在工况齿轮箱正常运转时，活塞6 不是 处于上极端位( 对应于调车工况档位) ，就是处于下极端位( 对应于 运转工况档位) 。活塞杆粗细不一，粗的部分与密封圈4 紧紧密封， 而细的部分则与密封圈之间有间隙。 换工况档时( 以运转工况换为调车工况为例) ，将机车控制风缸 的压缩空气由换档操纵机构的调车工况进风口进入，经下节流堵3 引 入活塞6 的下方，推动活塞向上移动。这时活塞上方的空气同时经由 上密封圈与活塞杆之间的间隙和上节流堵小孔逸出，活塞移动速度较 快，活塞杆的拨头带动拨叉水平摆动，使需要脱开的外齿轮迅速移 开。当活塞处于风缸的中间位置时，控制风缸的风压即被自动切断， 换档风缸两端节流堵均与大气相通，即活塞两边的压力都是大气压， 活塞停止运动，外齿轮处于中间位置，这时检测、调整将要啮合的内 齿轮的运动。在满足换档条件下，重复上述充气动作，推动活塞继续 向上移动，将外齿轮推向另一个内齿轮。当齿形离合器即将合上时， 上活塞杆粗的部分与密封圈接触，使活塞上方的空气不能再从此逸 出，而只能通过上节流堵3 逸出，空气逸出的速度变慢，在活塞上方 产生背压，使活塞上移的速度减慢，亦即外齿轮缓慢地向另一内齿轮 靠拢，然后合上，从而保证了换档的平稳，不会产生冲击。 当需要由调车工况换到运转工况时，控制风缸的压缩空气由换档 操纵机构的运转工况进风口进入，上节流堵3 此时成了排气口，活塞 移动的快慢过程与运转工况换为调车工况时相同。 ( 3 ) 活塞杆止动部分 2 2 北方交通大学机械与电气工程学院硕士学位论文 第二章系统的功能和结构 换档动作完成后，控制风缸的风压即被自动切断，换档风缸两端 节流堵均与大气相通，即活塞两边的压力都是大气压。此后，活塞的 位置是由操纵机构的止动部分( 图2 _ 1 2 ) 来维持的。活塞杆的上端连有 一套杠杆2 5 、2 6 、2 7 、1 7 、1 5 ，再通过杠杆1 8 连到一个可左、右滑动 的活塞2 1 上，这就是止动部分。 当活塞移到某一端后，对应的齿形离合器处于啮合位置；活塞移 到中间位时，左、右齿形离合器均处于脱开的位置；由于止动装置弹 簧2 2 的作用，使机车在运行过程中，不会由于振动或其它外来原因引 起活塞位置的改变，否则将造成恶性事故。有了这套止动装置，活塞 在偶然外力的作用下要离开原来的位置，就必须压缩弹簧2 2 ，如果克 服不了弹簧阻力，也就不可能改变活塞位置，也就是说止动装置可以 保证齿形离合器不会由于偶然的外力影响而改变原有开、合状态。 ( 4 ) 手动换档 当自动换档系统发生故障时，可以利用手动轴2 8 ( 图2 1 3 ) ，在 露于体外的轴端上装换档专用扳手，用来改变风缸活塞的位置，使相 应的换档离合器开、合。 ( 5 ) 中间位插销 当机车无动力回送时，或双机牵引中有一台机组发生故障时，应 将不工作机组的换档机构置于中间位，以使两边的内、外齿离合器均 不啮合，即将涡轮输出轴与工况箱的输出轴脱开。用换档专用扳手5 使换档机构的指针处于调车工况和运转工况中间，然后拧开插销盖1 2 ( 图2 1 3 ) ，将插销帽l l 旋转9 0 。，使定位