福伊特齒輪傳動裝置動車組

1. HXD3A電力機車的技術指標

HXD3A型電力機車是八軸大功率干線貨運電力機車，車體採用框架式整體承載結構及模塊化設計，兩端各設有一個司機室，司機可在任何一端司機室對機車進行控制；車內設備布置以兩側屏櫃化、平面斜對稱布置，並設寬620毫米的中央通道，通道左右兩側設有主變流裝置、通風機、空氣壓縮機等設備，車上並為司機提供了冰箱、微波爐等生活設施。每台機車車頂設有DSA-200型單臂式受電弓和避雷器，而真空斷路器、接地開關、高壓隔離開關、高壓電壓互感器、高壓電流感測器等高壓電器集成在機械間內的高壓櫃中，提高機車雨霧等天氣抗污閃能力；在中央頂蓋上設有檢修升降口，由此上車頂進行檢修和維修作業。牽引變壓器採用卧式懸掛結構，吊裝於車底中部。
機車冷卻系統主要包括：
主變壓器系統冷卻、主變流裝置系統冷卻、牽引電動機冷卻、輔助電源裝置冷卻、空氣壓縮機的冷卻及包括衛生間通風及車內換氣等，機車採用車體獨立通風方式，從側牆上部進風百葉窗吸入冷風，通過獨立冷卻風道向發熱部件冷卻後從車底排出，並維持機械間呈微正壓，改善機車防塵效果及防寒性能。機車軸式為Bo-Bo
空氣制動系統採用克諾爾公司的「CCB II」微機控制電空制動系統；機車單機以120公里/小時的速度在平直道上施行緊急空氣制動時，最大制動距離小於800米 主電路
HXD3A型電力機車是交—直—交流電傳動的單相工頻交流電力機車，機車主電路由主變壓器、牽引變流器、牽引電動機三大部分構成。每台機車設有8套完全獨立而又相同的牽引變流單元，分別安裝在4牽引變流櫃內，分別為4台轉向架上的8台牽引電動機供電。接觸網導線上的25千伏工頻單相交流電電流，經受電弓、主斷路器進入機車後再輸入主變壓器，交流電經過主變壓器的8個牽引繞組降壓後向牽引變流單元供電；單相交流電經過8組四象限脈沖整流器整流為直流電，然後向電壓為2800伏的中間直流迴路供電，再由8組牽引逆變器轉換成三相交流電輸出，每組逆變器向一台非同步牽引電動機供電，實現機車的軸控驅動，使牽引電動機產生轉矩，將電能轉變為機械能，經過齒輪的傳遞驅動輪對。如果其中一組牽引變流單元發生故障，機車可自動切除故障單元，其餘單元仍正常工作，機車仍可保持六分之五的牽引動力.
機車主變壓器為一體化多繞組（全去耦）變壓器，具有高阻抗、重量輕等特點，並增設了列車供電繞組，變壓器採用下懸式安裝、強迫導向油循環風冷卻。 機車走行部每台機車為為兩台完全相同的兩軸轉向架，轉向架構架採用鋼板焊成箱形結構的「目」字型構架，輪對軸箱採用單拉桿定位，車輪為德國進口整體輾鋼車輪。一系懸掛採用螺旋彈簧及橡膠墊，配合軸箱拉桿及垂向油壓減震器；二系懸掛為高圓螺旋彈簧，配合垂向油壓減震器和抗蛇行油壓減振器。牽引力或制動力通過低位推挽式水平牽引拉桿傳遞。驅動裝置由德國福伊特公司設計、大連機車車輛公司實現國產化生產，驅動裝置主要包括鑄造齒輪箱、抱軸箱體、主從動齒輪等部件，牽引電動機採用滾動軸承抱軸式半懸掛、單邊單級剛性斜齒輪傳動。基礎制動裝置為輪盤制動，車輪安裝有克諾爾公司的鑄鐵摩擦盤，每個車輪安裝一套獨立的單元制動器，其中每個轉向架有兩套單元制動器具有彈簧停車儲能停放制動功能。轉向架並設有輪緣潤滑裝置和踏面清掃裝置。

2. 機車傳動裝置的分類

利用原動機驅動離心泵，使獲得能量的工作液體（機車用油）沖擊渦輪從而驅動車輪來實現傳遞動力的裝置。1902年德國的費廷格提出了液力循環元件（液力耦合器和液力變扭器）的方案，即將泵輪和渦輪組合在同一殼體內，工作液體在殼體內循環流動。採用這種元件大大提高了液力傳動裝置的效率。液力傳動首先用於船舶。1932年製成第一台約60千瓦的液力傳動柴油動車。
液力耦合器有相對布置的一個泵輪和一個渦輪。泵輪軸和渦輪軸的扭矩相等。渦輪轉速略低於泵輪轉速，二者轉速之比即為液力耦合器的效率。液力耦合器用於機車主傳動時，效率約為97%。液力變扭器除泵輪和渦輪外，還有固定的導向輪。渦輪與泵輪的扭矩之比稱變扭比，轉速比越小則變扭比越大。在同樣的泵輪轉速下，渦輪轉速越低則渦輪扭矩越大。因此機車速度越低則牽引力越大，機車起動時的牽引力最大。液力變扭器的效率只在最佳工況下達到最大值。現代機車用的液力變扭器效率可達90%～91%。但當轉速比低於或高於最佳工況時,效率曲線即呈拋物線形狀下降。為使機車在常用速度范圍內都有較高的傳動效率，機車的液力傳動裝置一般採用不止一個簡單的液力變扭器。機車液力傳動裝置如梅基特羅型、克虜伯型、蘇里型、SRM型、ΓΤК型等，都是將一個液力變扭器與某種機械傳動裝置結合使用。福伊特型則是採用 2～3個液力變扭器(最佳工況點的轉速比一般並不相同)或液力耦合器(圖1),利用充油和排油換檔，在各種機車速度下都使當時效率最佳的那一液力循環元件充油工作。換檔時，前一元件排油和後一元件充油有一段重疊時間，所以換檔過程中的機車牽引力只是稍有起伏而不中斷。和其他類型相比，福伊特型液力傳動裝置的重量較大，但有結構簡單、可靠性較高的優點。到60年代，經驗證明：對於1500千瓦以上的液力傳動裝置，福伊特型較為適用。中國機車所用的液力傳動裝置都是這一類型的。
大功率增壓柴油機車的液力傳動裝置都不用液力耦合器，但燃氣輪機車的液力傳動裝置則用一個啟動變扭器，並在高速時用一個液力耦合器。
液力循環元件傳遞功率P的能力也像其他液力機械一樣，與工作液體重度r的一次方、泵輪轉速n的三次方和元件尺寸D的五次方成正比，即P∝rnD。在柴油機車上,為了減小傳動裝置的尺寸,柴油機都不直接驅動液力循環元件的泵輪,而是通過一對增速齒輪,在軸承和其他旋轉件容許線速度的限制范圍內，盡可能提高泵輪轉速。燃氣輪機車由於轉速很高，所以用一級甚至兩級減速齒輪來驅動泵輪。同一種傳動裝置，只要改變這種齒輪的增速比或減速比，即可在經濟合理的范圍內應用於不同功率的機車。
液力傳動裝置通常包括一組使輸出軸能改變轉向的換向齒輪和離合器機構。輸出軸通過適當的機械部件(萬向軸和車軸齒輪箱,或曲拐和連桿等)驅動機車車輪。液力傳動系統還可包括一組工況機構，使機車具有兩種最高速度，在高速檔有較高的行車速度，在低速檔有較高的效率和較大的起動牽引力和加速能力。因此同一機車既可用於客運，也可用於貨運，或者既可用於調車，也可用作小運轉機車。而當調車工況的最高速度定得較低時，機車在起動和低速運行時的牽引力可以超過同功率的電力傳動柴油調車機車。
1965年出現的液力換向柴油調車機車，傳動裝置有兩組液力變扭器，每個行車方向各用一組，換向動作也用充油排油的方式來完成。當機車正在某一方向行駛時改用另一方向的液力變扭器充油工作，由於變扭器的渦輪轉向與泵輪相反，對機車即起制動作用。機車換向不必先停車。只要司機改換行車方向手把的位置，機車即可自動地完成從牽引狀態經過制動、停車，又立即改換行車方向的全部過程。
液力傳動裝置不用銅,重量輕,成本低,可靠性高,維修量少，並具有隔振、無級調速和恆功率特性好等優點，因而得到廣泛採用。聯邦德國和日本的柴油機車全部採用液力傳動。 把機車原動機的動力變換成電能，再變換成機械能以驅動車輪而實現傳遞動力的裝置。電力傳動裝置按發展的順序有直-直流電力傳動裝置、交-直流電力傳動裝置、交-直-交流電力傳動裝置、交－交流電力傳動裝置四種。它們所用的牽引發電機、變換器（指整流器、逆變器、循環變頻器等）和牽引電動機類型各不相同。
直-直流電力傳動裝置
1906年美國製造的150千瓦汽油動車最先採用了直-直流電力傳動裝置。1965年以前，世界各國單機功率75～2200千瓦的電傳動機車都採用這種電力傳動裝置。這是因為同步牽引發電機無法高效變流，非同步牽引電動機難於變頻調速，只能採用直流電機。直－直流電力傳動原理是基於直流電機是一種電能和機械能的可逆換能器，其原理見圖 2。原動機G為柴油機,通過聯軸器驅動直流牽引發電機ZF，後者把柴油機軸上的機械能變換成可控的直流電能,通過電線傳送給1台或多台串並聯或全並聯接線的直流牽引電動機ZD，直流牽引電動機將電能變換成轉速和轉矩都可調節的機械能，經減速齒輪驅動機車動輪，實現牽引。此外設有自控裝置。自控裝置由既對柴油機調速又對牽引發電機調磁的聯合調節器、牽引發電機磁場和牽引電動機磁場控制裝置等組成,用來保證直-直流電力傳動裝置接近理想的工作特性。
交－直流電力傳動裝置
直流牽引發電機受整流子限制,不能製造出大功率電力傳動裝置。60年代前期,美國發明大功率硅二極體和可控硅，為製造大功率的電力傳動裝置准備了條件。1965年法國研製成 1765千瓦交-直流電力傳動裝置，它是世界各國單機功率 700～4400千瓦機車普遍採用的電力傳動裝置。
交-直流和直-直流電力傳動原理相似。由圖3可以看出兩者差異在於柴油機 G驅動同步牽引發電機TF，經硅二極體整流橋ZL，把增頻三相交流電變換成直流電，事實上TF和ZL組成等效無整流子直流電機。其餘部分和自控裝置主要工作原理與直-直流電力傳動裝置相同。
交-直-交流電力傳動裝置
非同步牽引電動機結構簡單，體積小，工作可靠，在變頻調壓電源控制下，能提供優良調速性能。聯邦德國於 1971年研製成實用的交-直-交流電力傳動裝置，如圖4所示。
交-直-交流電力傳動原理如下：柴油機 G驅動同步牽引發電機TF，產生恆頻可調壓三相交流電（柴油機恆速時），經硅整流橋ZL變換成直流電，再經過可控硅逆變器 N（具有分諧波調制功能）再將直流電逆變成三相變頻調壓交流電，通過三根電線傳輸給多台全並聯接線的非同步牽引電動機AD。AD將交流電能變換成轉速和轉矩可調的機械能,驅動機車動軸,實現牽引。它的自控裝置由聯合調節器以及對同步牽引發電機磁場、變換器、非同步牽引電動機作脈沖、數模或邏輯控制的裝置組成，從而提供接近理想的工作特性。
交－交流電力傳動裝置
交-直-交變頻調壓電能經二次變換，降低了傳動裝置的效率，而且逆變器用可控硅需要強迫關斷，對主電路技術有較高的要求。為提高效率,在交-交流電力傳動裝置中採用了自然關斷可控硅相控循環變頻器（圖5）。60～70年代，美國在重型汽車上，蘇聯在電力機車上都採用了交-交流電力傳動裝置。不過美國用的是非同步牽引電動機牽引，蘇聯用的是同步牽引電動機牽引。
交-交流電力傳動原理如圖5所示。柴油機G驅動同步牽引發電機TF,發出增頻可調壓交流電，經相控循環變頻器FB變換成可變頻調壓的三相交流電（降頻），輸給多台全並聯接線的非同步牽引電動機AD。AD將交流電能變換成轉速和轉矩可調的機械能，驅動動輪實現牽引。它的自控裝置也是由聯合調節器、脈沖、數模、邏輯電路等裝置構成（但對可控硅導通程序要求嚴格），同樣能保證優良的工作特性。