[科普中国]-液力传动内燃机车

简介

内燃机车有液力传动，电传动和机械传动等类型，其中电传动内燃机车应用最广泛，液力传动内燃机车次之，无论何种内燃机车的传动特性都符合牛马特征，所谓牛马特征就像骑自行车，人不能直接驱动车轮，需要链条作为传动机构把人发出的力变成自行车前进的动力，这就是牛马特征。

所有带轮子的工具都符合这一特征，都要靠传动机构传递动力。液力传动内燃机车的道理和自动变速器一样，与自动挡汽车的道理类似，但是又不完全一样。

对于液力传动内燃机车，柴油机发出的动力传递到液力变速器的液压油中，液压油通过液力涡轮，液力变矩器和液力耦合器等原件将能量传递到车轮，变成驱动车轮的动力。

液力传动装置液力传动装置是以液体为工作介质以液体的动能来实现能量传递的装置，常见的有液力耦合器、液力变矩器和液力机械元件。

液力传动元件主要有液力元件和液力机械两大类。液力元件有液力耦合器和液力变矩器；液力机械装置是液力传动装置与机械传动装置组合而成的，因此，它既具有液力传动变矩性能好的特点，又具有机械传动效率高的特征。

液力传动装置主要由三个关键部件组成，即泵轮、涡轮、导轮。

泵轮：能量输入部件，它能接受原动机传来的机械能并将其转换为液体的动能；

涡轮：能量输出部分，它将液体的动能转换为机械能而输出；

导轮：液体导流部件，它对流动的液体导向，使其根据一定的要求，按照一定的方向冲击泵轮的叶片。

液力耦合器液力耦合器是由泵轮和涡轮组成的。泵轮与主动轴相连，涡轮与从动轴相接。如果不计机械损失，则液力耦合器的输入力矩与输出力矩相等，而输入与输出轴转速不相等。因工作介质是液体，所以泵轮和涡轮之间属非刚性连接。

液力变矩器液力变矩器主要由泵轮、涡轮、导轮等构成。泵轮、涡轮分别与主动轴、从动轴连接，导轮则与壳体固定在一起不能转动。当液力变矩器工作时，因导轮对液体的作用，而使液力变矩器输入力矩与输出力矩不相等。当传动比小时，输出力矩大，输出转速低；反之，输出力矩小而转速高。它可以随着负载的变化自动增大或减小输出力矩与转速。因此，液力变矩器是一个无级力矩变换器。

泵轮与变矩器外壳连为一体，是主动元件；涡轮通过花键与输出轴相连，是从动元件；导轮置于泵轮和涡轮之间，通过单向离合器及导轮轴套固定在变速器外壳上。

发动机启动后，曲轴通过飞轮带动泵轮旋转，因旋转产生的离心力使泵轮叶片间的工作液沿叶片从内缘向外缘甩出；这部分工作液既具有随泵轮一起转动的园周向的分速度，又有冲向涡轮的轴向分速度。这些工作液冲击涡轮叶片，推动涡轮与泵轮同方向转动。

从涡轮流出工作液的速度可以看为工作液相对于涡轮叶片表面流出的切向速度与随涡轮一起转动的圆周速度的合成。当涡轮转速比较小时，从涡轮流出的工作液是向后的，工作液冲击导轮叶片的前面。因为导轮被单向离合器限定不能向后转动，所以导轮叶片将向后流动的工作液导向向前推动泵轮叶片，促进泵轮旋转，从而使作用于涡轮的转矩增大。

随着涡轮转速的增加，圆周速度变大，当切向速度与圆周速度的合速度开始指向导轮叶片的背面时，变矩器到达临界点。当涡轮转速进一步增加时，工作液将冲击导轮叶片的背面。因为单向离合器允许导轮与泵轮一同向前旋转，所以在工作液的带动下，导轮沿泵轮转动方向自由旋转，工作液顺利地回流到泵轮。当从涡轮流出的工作液正好与导轮叶片出口方向一致时，变矩器不产生增扭作用（这时液力变矩器的工况称为液力偶合工况）。

液力耦合器其实是一种非刚性联轴器，液力变矩器实质上是一种力矩变换器。它们所传递的功率大小与输入轴转速的3次方、与叶轮尺寸的5次方成正比。传动效率在额定工况附近较高：耦合器约为96～98.5%，变矩器约为85～92%。偏离额定工况时效率有较大的下降。根据使用场合的要求，液力传动可以是单独使用的液力变矩器或液力耦合器;也可以与齿轮变速器联合使用,或与具有功率分流的行星齿轮差速器（见行星齿轮传动）联合使用。与行星齿轮差速器联合组成的常称为液力-机械传动。

液力传动装置的整体性能跟它与原动机的匹配情况有关。若匹配不当便不能获得良好的传动性能。因此，应对总体动力性能和经济性能进行分析计算，在此基础上设计整个液力传动装置。为了构成一个完整的液力传动装置，还需要配备相应的供油、冷却和操作控制系统。

优缺点液力传动内燃机车结构紧凑重量相对较轻，相同重量的电传动内燃机车与液力传动内燃机车相比，液力传动内燃机车的功率更大，速度更快，载量也更多，缺点是传动效率较低，油耗大，因为液体的流动是随意的，传递动力的过程中会因为流动的随意性损失一部分能量，而且液体在流动过程中自身也损失一部分动能，所以比电传动内燃机车效率低很多，一般来说电传动机车效率可达90%，而液力传动的机车只有83.3%，所以液力传动的机车经济性较差，也成为其保有量远不及电传动机车的重要原因。

发展状况国内我国液力传动内燃机车的设计发展要追溯到建国后的1959年，中国第一台液力传动内燃机车是青岛四方机车厂制造的卫星型机车，由于那时中国自己没有设计机车的技术，所以卫星型机车因为没有达到预计的设计目标，加上故障率高，质量不过关，所以很快就报废了。

后来在此基础上通过大量改进，尤其攻克了柴油机曲轴淬火技术后于1964年设计出了东方红1型内燃机车并进行批量生产，但是中国机车技术过于薄弱，早期东方红1型内燃机车的性能依然不可靠，故障率高。

鉴于此，铁路部门在1966年小批量进口了德国汉寿尔工厂的NY5，NY6，NY7三种型号的液力传动内燃机车，功率从4000马力到5000马力不等，共34台，统称大马力。后来经过实际运用证实，三种车型均性能卓著可靠，整车工艺超前，十分的坚固耐用，故障率极低，核心技术非常先进，只不过由于功率太大，跑的太快，加上液力传动效率低，所以个个都是油老虎，中国那时候根本用不起，后来这些车作为首长专列用车保养的都很好，因为不怎么用的原因。

经过在中国近半个世纪的运用，只剩NY6，NY5和NY7全部报废。引入NY系列机车，对中国自主设计液力传动内燃机车起到了不可磨灭的作用，中国经过拆解消化技术，在1977年设计出北京型液力传动内燃机车，功率1500千瓦，作为中短途客运用车，机车性能虽然有了大幅度提高，但是相比NY系列，还是非常落后的，已经基本全部报废淘汰。1

国外在北美洲，大部分的内燃机车（特别是大功率的机车）都是采用电传动。欧洲则以液力传动内燃机车较多。