李连凯 刘 军 杨大伟

(中车资阳机车有限公司 四川 资阳 641300)

0 概述

城轨调车机车的功率范围在300 kW～600 kW左右，绝大部分采用液力传动。相对于电力传动，液力传动采购成本和维护成本更低；相对于机械传动，液力传动具有力矩自动适应性、液力制动、带负载起动及限矩保护等诸多优点。液力传动城轨调车机车柴油机和变扭器选型主要考虑两者功率输入输出和转速输入输出，很少分析两者的动力性和经济性的匹配性能。如果两者动力性和经济性匹配较差，液力传动的优点就得不到充分发挥，甚至导致燃料消耗增加，生产率降低[1-2]。但目前没有对城轨调车机车类似的相关研究及应用。某城轨调车机车采用直列式6缸CAT C18柴油机、额定功率为470 kW、采用涡轮增压和电子控制、进气系统采用ATAAC冷却方式、缸径145.0 mm、行程183.0 mm，下文针对城轨调车机车柴油机及变扭器匹配性进行研究分析，并应用到机车牵引特性计算分析当中。

1 特性曲线

1.1 CAT C18型柴油机万有特性曲线

柴油机扭矩Me、功率Pe和燃油消耗率ge均随着柴油机转速而变化，这一特性称之为柴油机速度特性，柴油机特性曲线可以通过试验台测试获得。根据供应商提供的相关参数，以柴油机转速为横坐标，将柴油机燃油消耗率、扭矩和功率绘制在同一坐标系中，得到CAT C18型柴油机万有特性曲线[3]，如图1所示。

图1 CAT C18型柴油机万有特性曲线

由图1可知，功率随转速升高而升高，燃油消耗率在1 300 r/min时最低、扭矩在1 300 r/min时最大。要使柴油机工作性能最好，需要保证机车启动时柴油机的扭矩值尽量在最大点，在正常工作时柴油机的燃油消耗率尽量在最低点。

1.2 变扭器原始特性曲线

变扭器利用工作液体的旋转运动和工作轮叶片流道的工作液体流动，实现能量传递和转换。根据外部载荷大小的不同，工作液体冲击导轮的方向和夹角不同，涡轮力矩和转速也不同。这种载荷自适应特性能够保证机车在复杂负载条件下稳定工作[4]。变扭器原始特性数据如表1所示。

在变扭器叶片倾角、叶片型式和有效圆直径一定的情况下，力矩系数λ、效率η和变扭系数K与转速比存在一定的规律，这种采用无因次特性参数所表示的曲线叫做原始特性曲线。根据变扭器试验数据(见表1)，以转速比为共同横坐标，将变扭系数、力矩系数和效率绘制在同一坐标系中，得到变扭器原始特性曲线，如图2所示。

表1 变扭器原始特性数据

图2 变扭器原始特性曲线

由图2看出：效率曲线呈倒抛物线，随着转速比i的增加，逐步增加到最高效率点，随后又随着转速比i的增加，逐步降低。将效率为75%水平横线上方的区域，即效率≥75%的区域定义为高效率区。效率为75%水平横线与效率抛物线相交于a点和b点，这2个交点对应的横坐标临界转速比分别为i=0.25和i=0.68，即当变扭器工作转速比i范围为0.25～0.68时，变扭器处于高效率工作状态。

2 匹配特性评价

2.1 绘制共同工作特性曲线

将CAT C18型柴油机万有特性曲线和变扭器原始特性曲线结合起来，判定共同工作匹配特性。

变扭器输入扭矩与输入转速n(该车输入转速与柴油机转速相同)、力矩系数λ、工作油重度γ(常数)有效工作圆直径D有如下关系。

M=λ×γ×n2×D5

(1)

力矩系数λ与转速比i为变扭器原始特性，对应关系如图2所示。为评估机车在启动工况时(i=0)的启动性能以及高效率区经济性能(i=0.25～0.68)。由表1读取转速比i=0.25和i=0.68时对应的力矩系数分别为λ0.25=0.684×10-3和λ0.68=0.583×10-3(近似取得)，i=0时对应力矩系数为启动工况时的特殊状态，变扭器i=0时对应的力矩系数为λ0=0.799×10-3。

将3个力矩系数和CAT C18型柴油机不同转速，分别代入式(1)，以柴油机转速为横坐标，分别绘制i=0、i=0.25和i=0.68这3条负载的抛物线，同时将图1中CAT C18型柴油机扭矩、燃油消耗率绘制到同一个表中，形成以柴油机转速为横坐标、以柴油机扭矩、泵轮输入扭矩和燃油消耗率为纵坐标的变扭器和柴油机共同工作特性曲线，如图3所示。

图3 变扭器和柴油机共同工作特性曲线

2.2 匹配特性评价

柴油机与变扭器匹配性能优劣，主要通过启动时的动力性能和高效率区间的燃油经济性来判断，即在启动时具有最大扭矩，在高效率区间工作时具有最低燃油消耗率[5]。

在机车启动时，为了保证动力性能，应使其能够获得最大转矩，也就是i=0的抛物线应通过柴油机最大扭矩点。从图 3可以看出，虽然i=0的抛物线并未通过柴油机最大扭矩点，但其与扭矩曲线交点对应的柴油机扭矩为2 600 N·m(图3中b点)，为柴油机最大扭矩2 800 N·m(图3中a点)的92.8%，以此判定，启动动力性能良好。

为保证柴油机常规作业时具有较好的燃油经济性，在变扭器高效率工作区间，燃油消耗率应处于柴油机最低水平。从图 3可以看出，燃油消耗率的最低点(图3中c点)位于i=0.25负载抛物线和i=0.7负载抛物线之间，由此可以判定燃油经济性能良好。

3 牵引性能评价

城轨调车机车用户要求机车牵引5 000 t时，速度达到20 km/h；机车牵引2 000 t时，速度达到30 km/h。在确定了柴油机和变扭器的匹配关系满足要求以后，结合机车总体参数，评价机车牵引性能。

3.1 传动系统结构

CAT C18型柴油机自由端驱动后变速箱和直流发电机，动力输出端驱动液力传动箱(内含变扭器)，经过万向轴、轮对驱动装置，最终驱动机车运行。城轨调车机车传动系统结构如图4所示。

1—轮对驱动装置；2—万向轴；3—液力传动箱；4—CAT C18型柴油机；5—直流发电机；6—后变速箱。图4 城轨调车机车传动系统结构

3.2 机车牵引特性曲线

机车牵引特性曲线是反应机车在不同机车速度v(km/h)下，对应的机车牵引力F(kN)曲线。

机车速度v为

(2)

式(2)中：n为CAT C18型柴油机转速，r/min；it为机车总转速比，取14.7；D为机车轮径，取0.84 m。

机车牵引力F为

(3)

机车平直道牵引运行总阻力Ft为

(4)

式(4)中：G1为机车质量，为52 t；ω1为机车运行单位阻力，N/kN；G2为被牵引货车质量，计算时，分别牵引2 000 t和5 000 t；ω2为被牵引货车运行单位阻力，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)

以机车速度为横坐标，绘制机车牵引性能曲线，如图5所示。

图5 机车牵引性能曲线

由图5可以看出，机车速度20 km/h，机车牵引力点a在机车牵引5 000 t速度20 km/h的阻力a′ 的上方；机车速度30 km/h，机车牵引力点b在机车牵引2 000 t速度30 km/h时阻力b′ 的上方。由此可以判定该机车牵引性能满足要求。

4 结论

(1)根据共同工作曲线，依据柴油机与变扭器匹配评价原则，判定城轨调车机车柴油机和变扭器匹配特性，满足启动动力性能要求和高效率区运行时的低燃油消耗率的要求，匹配特性良好。

(2)根据扭矩与转速对应关系，结合变扭器工作特性，转换为机车牵引力与机车速度对应关系，同时考虑用户牵引要求，绘制牵引特性曲线。根据特性曲线判定城轨调车机车匹配的动力系统满足用户的牵引要求。