液力傳動裝置工作原理及其在軌道交通上的應用

劉艷丹

摘 要：現代軌道交通系統建設需要兼顧運力、綠色化、安全性，一些傳統的技術方法經優化后仍可發揮作用，包括液力傳動裝置在內。文章首先對該裝置的構成、工作原理、特點進行分析，在此基礎上分析其應用的具體形式和不足，最后展望軌道交通中液力傳動裝置應用優化思路，為后續軌道交通建設、液力傳動裝置的應用提供少許參考。

關鍵詞：液力傳動裝置 工作原理 軌道交通 儲能系統

1 前言

軌道交通（Rail Transit）是指運營車輛需要在特定軌道上行駛的一類交通工具或運輸系統，具有運量大、速度快、班次密、安全舒適、準點率高、全天候、運費低和節能環保等優點，一般包括國家鐵路系統、城際軌道交通和城市軌道交通等。我國對軌道交通建設的重視力度較多，截止2023年末，全國城市軌道交通運營里程突破1萬公里，為各地民眾出行提供了便利。從技術角度出發，盡管電力機車是未來核心發展方向，但液力傳動裝置憑借其自身特點，在軌道交通中仍有一定的應用空間[1]。分析其工作原理、在軌道交通上的應用情況以及可行的優化思路，具有一定的現實意義。

2 液力傳動裝置以及其工作原理

2.1 液力傳動裝置

液力傳動裝置是一種發現、應用時間較長的傳動裝置，被認為是液體傳動的一種具體形式，一般以若干終端部件組成非剛性連接結構為轉換設施，將來自動力系統的動能轉換為機械能。與液壓傳動不同，液力傳動依賴的是液體的動能實現能量轉換和傳遞，而非液體壓力[2]。一般液力傳動裝置的結構見圖1：

按圖1所示，液力傳動裝置的機構可拆解為輸出部分、輸入部分、軸承和泵輪等工作單元。按照其功能屬性的差別，應大致分為液力耦合器、液力變矩器和液力機械元件三大類。傳動元件可分為液力機械、液力元件，液力元件可分為液力變矩器、液力耦合器，液力機械裝置由機械傳動裝置、液力傳動裝置組成共同形成，具有變矩性能方面的優勢，也能借助液體發揮動能轉換作用[3]。

作為工作系統的核心，液力傳動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現液體導流的導輪三個部分。泵輪能夠將動力系統提供的動能傳輸至液力傳動裝置處，實現機械能和動能的轉換。渦輪將液體蘊含的能量以動能實現輸出，導輪對液體的流向進行引導，提升其對作業單元的沖擊效果避免能量的非必要損失[4]。

2.2 液力傳動裝置的工作原理

液力傳動裝置的工作原理比較固定，其基本流程為：

以內燃機或其他動力設施作為動力源，也即原動機，以電能、燃料提供能量實現原動機作業，主要作用于原動機內的動力裝置產生機械能，機械能帶動液力傳動裝置的泵輪快速、持續旋轉，由泵輪實現動能向機械能的轉換，液力傳動裝置內的液體在泵輪的作用下完成能量的蓄積，并在導輪的引導下來，沖擊目標物渦輪，持續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轉動，實現機械能的輸出（以動能形式），完成能量的傳遞。該過程見圖2：

大部分液力傳動裝置的工作原理與此相同，也有少數液力傳動裝置設計上存在一定特殊性，工作形式略有不同，但基本原理是不變的，均重視借助液體發揮能量轉化的作用。

2.3 液力傳動裝置特點

液力傳動裝置特點集中在五個方面，一是自動適應性較好，二是具有防振隔振作用，三是啟動性較理想，四是具有限矩保護價值，五是變矩器效率較低。

因傳動裝置以液體作為能量轉換的載體，在系統動力參數出現改變后，泵輪和渦輪的參數對應改變，其調速過程是柔性的，能夠借助液體可塑性較強的優勢適應動力源的參數波動，自適應方面的優勢比較突出。同時，這種非剛性的調速工作模式，也能改善軌道車輛的行駛舒適性，使零部件之間的摩擦、碰撞問題得到應對，能夠提升裝置的使用壽命，實現限矩保護。此外，按照現有研究，液力傳動裝置的可調性較強，可以根據軌道交通的運作目標、參數要求，實現與發動機的高度契合，以減少非必要的能量損失，提升機械能的轉換質量，優化裝置啟動性。但由于裝置工作依賴液體傳動，其變矩器可控性不強，進而出現變矩器效率較低的問題。

3 液力傳動裝置在軌道交通上的應用

3.1 應用方式

液力傳動裝置在軌道交通上的應用廣泛，包括內燃機車和軌道養護車輛工作系統等，其基本應用方式也大多相似或相同。一般可分為三個步驟：

一是分析車輛的動力需求，據此確定液力傳動裝置的設計方式，重點指標為動力需求，據此進行牽引計算，確定功率水平，尤其是額定功率，以確定動力系統的動能水平能夠實現車輛驅動。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期的運力水平。該工作需要通過一般資料收集統計、模擬分析等方式逐步完成[5]。

二是液力傳動裝置的設計、制造、裝備。根據早期工作結果，確定裝置的具體規格擬定要求、完成制造和裝備，也可以根據市場信息直接采買符合條件的液力傳動裝置。

三是調試。完成液力傳動裝置的安裝后，通過實驗的方式分析其性能，評估是否存在參數異常的情況。調試工作是液力傳動裝置在軌道交通中應用的關鍵環節之一，早期需求分析和采買、安裝工作大多是流程化的，出現異常的可能性并不高。調試環節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裝置（簡稱C裝置）為例，對其調試工作進行簡單分析。

調試工作主要集中于三個方面，即壓力調試、換向調試以及同步性調試，分別分析C裝置的穩定性、安全性以及可操作性。以電壓調試為例，采用限壓調試法，對系統內的節流閥進行參數控制，關閉其中若干節流閥（最少1個，不超過最大節流閥數目）、開放若干節流閥（最少1個，不超過最大節流閥數目），觀察C裝置內壓力值變化，并逐次增加關閉的節流閥數目、減少開放的節流閥數目，評估參數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。換向調試以及同步性調試也按固定標準進行，直到調試完成。

3.2 應用問題

液力傳動裝置應用于軌道交通，具有自適應能力強、經濟效益較高的優勢，但應用的問題也比較突出，其中的核心問題在于總體能量轉化效率不高。一般在60%～90%之間，大部分液力傳動裝置的能量轉換效率在75%左右，隨著使用時間增加，可能小范圍下降，達到70%左右，設計比較精巧的液力傳動裝置，能量轉換能力較強，可達到95%甚至更高水平，但此類裝置的設計往往比較復雜，增加了應用的經濟成本，不能最大化發揮液力傳動裝置的優勢。

同時，軌道交通中液力傳動裝置應用還存在其他問題，包括環境影響、控制精度不高、維護成本較高、應用領域狹窄等。環境破壞是現代機械技術、各類動力系統發展、應用的直接負面影響。目前液力傳動裝置使用油液大多含有一些污染性揮發物，大范圍應用對大氣、水體均有一定破壞性。且大部分油液不能回收再利用、環保價值不高。

從工作效率、控制精度角度出發，軌道交通中液力傳動裝置應用效益雖有起伏，但大體較低，這與控制工作有關，傳統工作模式下，人工進行液力傳動裝置控制，即便其自適應能力較高，操作指令下達和適應參數調整依然存在時間差，參數波動難以避免出現能耗損失，進而降低液力傳動裝置的工作效率。尤其是內燃機車等自重較大的軌道車輛，損耗不容忽視。部分學者提出了智能控制、智能感知的作業思路，如以智能監控的方式了解該裝置的工作情況，尤其是輸出功率的變化，以評估裝置最佳作業參數，作為后續管理的依據?？稍谝毫鲃友b置的輸入一端、輸出一端分別放置傳感器，利用傳感器實時收集系統的作業態勢，并作記錄。液力傳動裝置較強的自適應性，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，可以借助傳感器收集所獲信息，實時組織輸入、輸出情況的對照，分析輸入參數不變情況下輸出參數下降的具體原因，如液體類別、液體總量、其他動力參數的波動等，作為改進依據，受到各種因素影響，其思路尚未廣泛用于實踐。

維護成本方面，軌道交通中液力傳動裝置的應用方式比較固定，其結構和技術原理也幾乎是相同的，部分設施使用的元器件壽命較短。一方面軌道交通工具、內燃機車的動能較大，制動活動、啟停管理等，均會直接損傷液力傳動裝置中的部件，盡管液體降低了其損耗水平，精密的結構仍需要投入較多精力進行維護管理，成本偏高。軌道交通中液力傳動裝置應用領域狹窄的問題由來已久，一方面軌道交通車輛對該裝置的需求比較固定，而其他車輛往往需要以能耗更小、效率更高的動力系統提供支持，不能廣泛使用液力傳動裝置。另一方面，該裝置正在逐步被其他工作結構替代，發展前景有限。在內燃軌道車輛之外的其他場合、車輛中適用性不高，限制了其優勢發揮，未來也應加以關注。

4 結論

總體來看，軌道車輛液力傳動系統具有許多優點，但也存在一些不足之處。在未來的發展中，隨著技術的不斷進步和應用經驗的積累，相信液力傳動系統將會在軌道車輛領域發揮更加重要的作用。同時，為了更好地適應市場需求和環境保護要求，研發更加高效、環保的液力傳動技術也顯得尤為重要。因此，建議在未來的研究中，可以從以下幾個方面入手：

1. 提高傳動效率：通過優化葉輪設計、改善油液品質等方式提高液力傳動的效率，降低能耗和排放。

2. 研發環保型液力傳動技術：研究使用生物可降解油液、回收再利用廢舊油液等環保技術，降低對環境的負面影響。

3. 智能化控制：結合現代傳感器技術和人工智能技術，實現液力傳動系統的智能化控制，提高車輛的自動化水平和運行效率。

4. 降低維護成本：通過簡化系統結構、提高零部件壽命等方式降低液力傳動的維護成本，提高經濟效益。

5. 拓展應用領域：研究將液力傳動技術應用于更多類型的軌道車輛和特殊場合，拓展其應用范圍和市場前景。

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

參考文獻：

[1]李華柏，粟慧龍，邵瑞. 軌道交通能量互饋式交流牽引傳動綜合測試系統的設計 [J]. 自動化技術與應用，2024，43（01）： 125-128.

[2]哈彥梅，錢靖，杜亞林，等. 永磁同步電機在軌道交通車輛傳動系統中的直接轉矩控制方式研究 [J]. 中國設備工程，2023，（11）： 142-144.

[3]劉詩驄. 地鐵車輛傳動變位斜齒輪彎曲疲勞壽命預測與優化[D]. 北京：北京建筑大學，2023.

[4]田富文. 輪軌黏著效應下軌道交通車輛傳動系統動力學及疲勞可靠性研究[D].重慶：重慶交通大學，2023.

[5]劉金林，范曉望，趙遠征. 淺析液力傳動裝置在軌道交通上的應用 [J]. 工程與試驗，2022，62 （02）： 129-130.