液力传动装置工作原理及其在轨道交通上的应用

刘艳丹

摘 要：现代轨道交通系统建设需要兼顾运力、绿色化、安全性，一些传统的技术方法经优化后仍可发挥作用，包括液力传动装置在内。文章首先对该装置的构成、工作原理、特点进行分析，在此基础上分析其应用的具体形式和不足，最后展望轨道交通中液力传动装置应用优化思路，为后续轨道交通建设、液力传动装置的应用提供少许参考。

关键词：液力传动装置 工作原理 轨道交通 储能系统

1 前言

轨道交通（Rail Transit）是指运营车辆需要在特定轨道上行驶的一类交通工具或运输系统，具有运量大、速度快、班次密、安全舒适、准点率高、全天候、运费低和节能环保等优点，一般包括国家铁路系统、城际轨道交通和城市轨道交通等。我国对轨道交通建设的重视力度较多，截止2023年末，全国城市轨道交通运营里程突破1万公里，为各地民众出行提供了便利。从技术角度出发，尽管电力机车是未来核心发展方向，但液力传动装置凭借其自身特点，在轨道交通中仍有一定的应用空间[1]。分析其工作原理、在轨道交通上的应用情况以及可行的优化思路，具有一定的现实意义。

2 液力传动装置以及其工作原理

2.1 液力传动装置

液力传动装置是一种发现、应用时间较长的传动装置，被认为是液体传动的一种具体形式，一般以若干终端部件组成非刚性连接结构为转换设施，将来自动力系统的动能转换为机械能。与液压传动不同，液力传动依赖的是液体的动能实现能量转换和传递，而非液体压力[2]。一般液力传动装置的结构见图1：

按图1所示，液力传动装置的机构可拆解为输出部分、输入部分、轴承和泵轮等工作单元。按照其功能属性的差别，应大致分为液力耦合器、液力变矩器和液力机械元件三大类。传动元件可分为液力机械、液力元件，液力元件可分为液力变矩器、液力耦合器，液力机械装置由机械传动装置、液力传动装置组成共同形成，具有变矩性能方面的优势，也能借助液体发挥动能转换作用[3]。

作为工作系统的核心，液力传动装置包括用以输送能量的泵轮、用以输出能量的涡轮以及用以实现液体导流的导轮三个部分。泵轮能够将动力系统提供的动能传输至液力传动装置处，实现机械能和动能的转换。涡轮将液体蕴含的能量以动能实现输出，导轮对液体的流向进行引导，提升其对作业单元的冲击效果避免能量的非必要损失[4]。

2.2 液力传动装置的工作原理

液力传动装置的工作原理比较固定，其基本流程为：

以内燃机或其他动力设施作为动力源，也即原动机，以电能、燃料提供能量实现原动机作业，主要作用于原动机内的动力装置产生机械能，机械能带动液力传动装置的泵轮快速、持续旋转，由泵轮实现动能向机械能的转换，液力传动装置内的液体在泵轮的作用下完成能量的蓄积，并在导轮的引导下来，冲击目标物涡轮，持续作为载体将蓄积的能量提供给涡轮，涡轮在冲击下按照固定方向持续转动，实现机械能的输出（以动能形式），完成能量的传递。该过程见图2：

大部分液力传动装置的工作原理与此相同，也有少数液力传动装置设计上存在一定特殊性，工作形式略有不同，但基本原理是不变的，均重视借助液体发挥能量转化的作用。

2.3 液力传动装置特点

液力传动装置特点集中在五个方面，一是自动适应性较好，二是具有防振隔振作用，三是启动性较理想，四是具有限矩保护价值，五是变矩器效率较低。

因传动装置以液体作为能量转换的载体，在系统动力参数出现改变后，泵轮和涡轮的参数对应改变，其调速過程是柔性的，能够借助液体可塑性较强的优势适应动力源的参数波动，自适应方面的优势比较突出。同时，这种非刚性的调速工作模式，也能改善轨道车辆的行驶舒适性，使零部件之间的摩擦、碰撞问题得到应对，能够提升装置的使用寿命，实现限矩保护。此外，按照现有研究，液力传动装置的可调性较强，可以根据轨道交通的运作目标、参数要求，实现与发动机的高度契合，以减少非必要的能量损失，提升机械能的转换质量，优化装置启动性。但由于装置工作依赖液体传动，其变矩器可控性不强，进而出现变矩器效率较低的问题。

3 液力传动装置在轨道交通上的应用

3.1 应用方式

液力传动装置在轨道交通上的应用广泛，包括内燃机车和轨道养护车辆工作系统等，其基本应用方式也大多相似或相同。一般可分为三个步骤：

一是分析车辆的动力需求，据此确定液力传动装置的设计方式，重点指标为动力需求，据此进行牵引计算，确定功率水平，尤其是额定功率，以确定动力系统的动能水平能够实现车辆驱动。需要注意的是，即便额定功率较低，车辆也可行驶，但速度、可控性不足，不能满足轨道交通预期的运力水平。该工作需要通过一般资料收集统计、模拟分析等方式逐步完成[5]。

二是液力传动装置的设计、制造、装备。根据早期工作结果，确定装置的具体规格拟定要求、完成制造和装备，也可以根据市场信息直接采买符合条件的液力传动装置。

三是调试。完成液力传动装置的安装后，通过实验的方式分析其性能，评估是否存在参数异常的情况。调试工作是液力传动装置在轨道交通中应用的关键环节之一，早期需求分析和采买、安装工作大多是流程化的，出现异常的可能性并不高。调试环节很大程度上决定了装置存在的问题、隐患能否得到察觉。以某轨道交通车辆使用的液力传动装置（简称C装置）为例，对其调试工作进行简单分析。

调试工作主要集中于三个方面，即压力调试、换向调试以及同步性调试，分别分析C装置的稳定性、安全性以及可操作性。以电压调试为例，采用限压调试法，对系统内的节流阀进行参数控制，关闭其中若干节流阀（最少1个，不超过最大节流阀数目）、开放若干节流阀（最少1个，不超过最大节流阀数目），观察C装置内压力值变化，并逐次增加关闭的节流阀数目、减少开放的节流阀数目，评估参数值变化是否带有匹配性，二者完成比例，表明C装置的工作能力无异常，不存在密闭性、工作能力上的问题。换向调试以及同步性调试也按固定标准进行，直到调试完成。

3.2 应用问题

液力传动装置应用于轨道交通，具有自适应能力强、经济效益较高的优势，但应用的问题也比较突出，其中的核心问题在于总体能量转化效率不高。一般在60%～90%之间，大部分液力传动装置的能量转换效率在75%左右，随着使用时间增加，可能小范围下降，达到70%左右，设计比较精巧的液力传动装置，能量转换能力较强，可达到95%甚至更高水平，但此类装置的设计往往比较复杂，增加了应用的经济成本，不能最大化发挥液力传动装置的优势。

同时，轨道交通中液力传动装置应用还存在其他问题，包括环境影响、控制精度不高、维护成本较高、应用领域狭窄等。环境破坏是现代机械技术、各类动力系统发展、应用的直接负面影响。目前液力传动装置使用油液大多含有一些污染性挥发物，大范围应用对大气、水体均有一定破坏性。且大部分油液不能回收再利用、环保价值不高。

从工作效率、控制精度角度出发，轨道交通中液力传动装置应用效益虽有起伏，但大体较低，这与控制工作有关，传统工作模式下，人工进行液力传动装置控制，即便其自适应能力较高，操作指令下达和适应参数调整依然存在时间差，参数波动难以避免出现能耗损失，进而降低液力传动装置的工作效率。尤其是内燃机车等自重较大的轨道车辆，损耗不容忽视。部分学者提出了智能控制、智能感知的作业思路，如以智能监控的方式了解该装置的工作情况，尤其是输出功率的变化，以评估装置最佳作业参数，作为后续管理的依据。可在液力传动装置的输入一端、输出一端分别放置传感器，利用传感器实时收集系统的作业态势，并作记录。液力传动装置较强的自适应性，客观降低了其可控能力，尤其是人员操作的便捷性，不利于了解该装置的工作情况。出于提升装置工作效益的目标，可以借助传感器收集所获信息，实时组织输入、输出情况的对照，分析输入参数不变情况下输出参数下降的具体原因，如液体类别、液体总量、其他动力参数的波动等，作为改进依据，受到各种因素影响，其思路尚未广泛用于实践。

维护成本方面，轨道交通中液力传动装置的应用方式比较固定，其结构和技术原理也几乎是相同的，部分设施使用的元器件寿命较短。一方面轨道交通工具、内燃机车的动能较大，制动活动、启停管理等，均会直接损伤液力传动装置中的部件，尽管液体降低了其损耗水平，精密的结构仍需要投入较多精力进行维护管理，成本偏高。轨道交通中液力传动装置应用领域狭窄的问题由来已久，一方面轨道交通车辆对该装置的需求比较固定，而其他车辆往往需要以能耗更小、效率更高的动力系统提供支持，不能广泛使用液力传动装置。另一方面，该装置正在逐步被其他工作结构替代，发展前景有限。在内燃轨道车辆之外的其他场合、车辆中适用性不高，限制了其优势发挥，未来也应加以关注。

4 结论

总体来看，轨道车辆液力传动系统具有许多优点，但也存在一些不足之处。在未来的发展中，随着技术的不断进步和应用经验的积累，相信液力傳动系统将会在轨道车辆领域发挥更加重要的作用。同时，为了更好地适应市场需求和环境保护要求，研发更加高效、环保的液力传动技术也显得尤为重要。因此，建议在未来的研究中，可以从以下几个方面入手：

1. 提高传动效率：通过优化叶轮设计、改善油液品质等方式提高液力传动的效率，降低能耗和排放。

2. 研发环保型液力传动技术：研究使用生物可降解油液、回收再利用废旧油液等环保技术，降低对环境的负面影响。

3. 智能化控制：结合现代传感器技术和人工智能技术，实现液力传动系统的智能化控制，提高车辆的自动化水平和运行效率。

4. 降低维护成本：通过简化系统结构、提高零部件寿命等方式降低液力传动的维护成本，提高经济效益。

5. 拓展应用领域：研究将液力传动技术应用于更多类型的轨道车辆和特殊场合，拓展其应用范围和市场前景。

综上所述，轨道车辆液力传动作为一种成熟的传动形式，在未来仍有很大的发展空间和应用潜力。希望本文的介绍和分析能对相关人士有所帮助和启发。

参考文献：

[1]李华柏，粟慧龙，邵瑞. 轨道交通能量互馈式交流牵引传动综合测试系统的设计 [J]. 自动化技术与应用，2024，43（01）： 125-128.

[2]哈彦梅，钱靖，杜亚林，等. 永磁同步电机在轨道交通车辆传动系统中的直接转矩控制方式研究 [J]. 中国设备工程，2023，（11）： 142-144.

[3]刘诗骢. 地铁车辆传动变位斜齿轮弯曲疲劳寿命预测与优化[D]. 北京：北京建筑大学，2023.

[4]田富文. 轮轨黏着效应下轨道交通车辆传动系统动力学及疲劳可靠性研究[D].重庆：重庆交通大学，2023.

[5]刘金林，范晓望，赵远征. 浅析液力传动装置在轨道交通上的应用 [J]. 工程与试验，2022，62 （02）： 129-130.