液力傳動內(nèi)燃機車，又稱柴液機車，利用扭力轉(zhuǎn)換器通過液力將內(nèi)燃機的動力傳輸至車輪。扭力轉(zhuǎn)換器主要包括離心泵、渦輪以及中間固定的導(dǎo)輪。離心泵與內(nèi)燃機相連，內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)時，離心泵隨之轉(zhuǎn)動，將傳動油經(jīng)導(dǎo)輪吹向渦輪。渦輪受傳動油驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，進而帶動車輪運動。目前，多數(shù)液力傳動內(nèi)燃機車已轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏︱?qū)動。
原理簡介
內(nèi)燃機車包括液力傳動、電傳動和機械傳動等多種類型。其中，電傳動內(nèi)燃機車的應(yīng)用最為普遍，其次是液力傳動內(nèi)燃機車。無論是哪種類型的內(nèi)燃機車，其傳動特性都遵循所謂的“牛馬特征”，即類似于騎自行車時，人體無法直接驅(qū)動車輪，而是通過鏈條作為傳動機構(gòu)將人的力量轉(zhuǎn)化為自行車前進的動力。這種特征適用于所有帶有輪子的交通工具，都需要依靠傳動機構(gòu)傳遞動力。液力傳動內(nèi)燃機車的原理與自動變速器相似，但也有所不同。在液力傳動內(nèi)燃機車上，柴油機的動力首先傳遞至液力變速器內(nèi)的液壓油中，隨后通過液力渦輪、液力變矩器和液力耦合器等元件，將能量轉(zhuǎn)化成為驅(qū)動車輪的動力。
液力傳動裝置
液力傳動裝置是一種以液體為工作介質(zhì)的能量傳遞裝置。常見形式包括液力耦合器、液力變矩器和液力機械元件。液力傳動元件可分為液力元件和液力機械兩類。液力元件包含液力耦合器和液力變矩器；液力機械則是液力傳動裝置與機械傳動裝置相結(jié)合的產(chǎn)物，兼具液力傳動變矩性能優(yōu)異和機械傳動效率高等特點。液力傳動裝置的核心組件包括泵輪、渦輪和導(dǎo)輪。泵輪負(fù)責(zé)接收原動機提供的機械能并將其轉(zhuǎn)化為液體動能；渦輪則將液體動能轉(zhuǎn)化為機械能輸出；導(dǎo)輪用于引導(dǎo)液體流向，確保其按特定路徑?jīng)_擊泵輪葉片。
液力耦合器
液力耦合器由泵輪和渦輪組成。泵輪與主動軸相連，渦輪與從動軸對接。在忽略機械損耗的情況下，液力耦合器的輸入扭矩與輸出扭矩相等，但輸入軸轉(zhuǎn)速與輸出軸轉(zhuǎn)速不同。由于工作介質(zhì)為液體，泵輪和渦輪之間的連接屬于非剛性連接。
液力變矩器
液力變矩器由泵輪、渦輪和導(dǎo)輪構(gòu)成。泵輪與主動軸連接，渦輪與從動軸相連，導(dǎo)輪則固定在殼體上。液力變矩器工作時，由于導(dǎo)輪的作用，輸入扭矩與輸出扭矩不再相等。傳動比較小時，輸出扭矩較大，輸出轉(zhuǎn)速較低；相反，輸出扭矩較小且轉(zhuǎn)速較高。液力變矩器能夠根據(jù)負(fù)載變化自動調(diào)整輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，因此被視為一種無級力矩變換器。泵輪與變矩器外殼一體成型，為主動元件；渦輪通過花鍵與輸出軸連接，為從動元件；導(dǎo)輪與殼體固定，不能轉(zhuǎn)動。發(fā)動機啟動后，曲軸通過飛輪驅(qū)動泵輪旋轉(zhuǎn)，泵輪葉片間的液體受到離心力影響，沿著葉片從內(nèi)緣向外緣甩出。這部分液體同時具備隨泵輪轉(zhuǎn)動的圓周向分速度和沖擊渦輪的軸向分速度。液體沖擊渦輪葉片，推動渦輪與泵輪同向旋轉(zhuǎn)。渦輪流出的液體速度可以視為液體相對渦輪葉片表面流出的切向速度與渦輪轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的圓周速度的合成。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速較小時，流出的液體朝向?qū)л喨~片前方。由于導(dǎo)輪被單向離合器限制，不能反向轉(zhuǎn)動，因此導(dǎo)輪葉片將后向流動的液體導(dǎo)向前端，從而加速泵輪旋轉(zhuǎn)，增強渦輪的扭矩。隨著渦輪轉(zhuǎn)速增加，圓周速度增大，當(dāng)切向速度與圓周速度的合成方向指向?qū)л喨~片背面時，變矩器達(dá)到臨界狀態(tài)。繼續(xù)增加渦輪轉(zhuǎn)速，液體將沖擊導(dǎo)輪葉片背面。此時，單向離合器允許導(dǎo)輪與泵輪同步向前旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)輪在液體帶動下自由旋轉(zhuǎn)，液體順利回流至泵輪。當(dāng)渦輪流出的液體恰好與導(dǎo)輪葉片出口方向一致時，變矩器不再產(chǎn)生增扭效果（此時液力變矩器處于液力偶合工況）。液力耦合器實際上是一種非剛性聯(lián)軸器，而液力變矩器本質(zhì)上是一種力矩變換器。它們傳遞的功率大小取決于輸入軸轉(zhuǎn)速的三次方和葉輪尺寸的五次方。在額定工況附近，耦合器的傳動效率約為96%-98.5%，變矩器的傳動效率約為85%-92%。偏離額定工況時，效率會有顯著降低。液力傳動可以根據(jù)具體使用場景的需求，單獨使用液力變矩器或液力耦合器，或者與齒輪變速器結(jié)合使用，或者與具有功率分流功能的行星齒輪差速器共同使用。后者通常被稱為液力-機械傳動。液力傳動裝置的整體性能與其與原動機的匹配程度密切相關(guān)。如果匹配不當(dāng)，就難以獲得理想的傳動性能。因此，應(yīng)綜合考慮總體動力性能和經(jīng)濟性能，進行分析計算，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計整個液力傳動裝置。此外，還需配備相應(yīng)的供油、冷卻和操作系統(tǒng)，才能構(gòu)建一個完整的液力傳動裝置。
優(yōu)缺點
液力傳動內(nèi)燃機車具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量相對較輕的特點。相較于同等重量的電傳動內(nèi)燃機車，液力傳動內(nèi)燃機車擁有更大的功率、更高的運行速度和更大的承載能力。然而，液力傳動的缺點在于傳動效率較低，燃油消耗大。這是因為在動力傳遞過程中，液體的流動具有隨機性，導(dǎo)致能量損失，同時液體自身的流動也會造成動能損失。因此，液力傳動內(nèi)燃機車的效率低于電傳動內(nèi)燃機車，一般情況下，電傳動內(nèi)燃機車的效率可達(dá)90%，而液力傳動內(nèi)燃機車僅為83.3%。這使得液力傳動內(nèi)燃機車的經(jīng)濟性較差，也是其保有量遠(yuǎn)不如電傳動內(nèi)燃機車的主要原因之一。
發(fā)展歷史
國內(nèi)
中國的液力傳動內(nèi)燃機車設(shè)計始于1959年，當(dāng)時青島中車青島四方機車車輛股份有限公司制造了中國第一臺液力傳動內(nèi)燃機車——衛(wèi)星型機車。但由于當(dāng)時中國缺乏自行設(shè)計機車的技術(shù)，衛(wèi)星型機車未能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，加之故障率高、質(zhì)量問題突出，很快就被廢棄。此后，通過對衛(wèi)星型機車的大量改進，尤其是解決了柴油機曲軸淬火技術(shù)難題，1964年成功研制出東方紅1型內(nèi)燃機車并投入批量生產(chǎn)。盡管如此，由于中國當(dāng)時的機車技術(shù)水平有限，早期生產(chǎn)的東方紅1型內(nèi)燃機車仍然存在可靠性問題和較高的故障率。為此，鐵道部在1966年少量引進了德國漢壽爾工廠生產(chǎn)的NY5、NY6、NY7三款液力傳動內(nèi)燃機車，功率范圍從4000馬力到5000馬力不等，共計34臺，統(tǒng)稱為大馬力機車。這些機車在中國的實際運營中表現(xiàn)出卓越的性能、可靠的品質(zhì)和先進的核心技術(shù)。盡管由于功率過大、運行速度快，加上液力傳動效率低，導(dǎo)致油耗極高，中國當(dāng)時難以負(fù)擔(dān)，但這些機車仍被精心維護，主要用于首長專列。經(jīng)過近半個世紀(jì)的使用，僅剩NY6、NY5和NY7三種型號的機車，其余均已報廢。NY系列機車的引進為中國自主研發(fā)液力傳動內(nèi)燃機車提供了寶貴的經(jīng)驗和技術(shù)支持。1977年，中國設(shè)計出北京型液力傳動內(nèi)燃機車，功率達(dá)1500千瓦，主要用于中短途客運服務(wù)。盡管北京型機車的性能有所提升，但仍顯落后，目前已基本全部報廢淘汰。
國外
在北美地區(qū)，大多數(shù)內(nèi)燃機車（尤其是大功率機車）采用的是電傳動系統(tǒng)。相比之下，歐洲地區(qū)的液力傳動內(nèi)燃機車更為常見。
參考資料 >
【科普】什么是液力傳動內(nèi)燃機車.百家號.2024-08-14
NY5液力傳動內(nèi)燃機車：中國鐵路液力傳動技術(shù)的里程碑.百度愛采購.2024-08-14
內(nèi)燃機車發(fā)展史及機車的結(jié)構(gòu)原理.東南網(wǎng).2024-08-14