一种调车机车冷却风扇偶合器系统设计

张俊琰 宋建林

摘要：本文介绍了一种调车机车风扇偶合器的方案，并论证了风扇偶合器与整车冷却能力、转速、变速箱供油能力匹配的可行性，从结构和成本上与原方案进行了对比，最终得出改进后的偶合器方案较原方案更优。

关键词：风扇偶合器；冷却；变速箱供油；改进；

1. 前言

我公司生产的某型调车机车，其冷却风扇采用偶合器驱动，若新开发产品则需要新增模具费用、试验费用，生产周期不能满足装车计划，考虑采用公司现有偶合器进行改制的方案，以降低设计、制造周期和成本的目的，还可以减少公司的产品种类，增加通用化率，降低后期的维护成本。

2. 风扇偶合器方案介绍

本次设计机车冷却风扇驱动原理为：柴油机通过万向轴驱动辅助变速箱，变速箱中的垂直轴通过万向轴驱动偶合器带动风扇工作，两个偶合器间需通过水平万向轴连接，而目前公司偶合器无横向输出、输入功能。此调车机车偶合器方案布置如图1所示。

图1

3. 方案设计

   1. 偶合器设计

考虑到该调车机车偶合器与既有偶合器在结构上、功能上、功率等级上相似，可采用既有偶合器改制的方案，具体差异如表1所示：

项点	既有偶合器	调车机车偶合器
功能	用于驱动风扇	用于驱动风扇
结构	有垂向输入 无横向输入 无横向输出 采用一个偶合器驱动一个风扇	有垂向输入 有横向输入、无横向输出 采用两个偶合器分别驱动两个风扇
供油方式	采用外部供油（液力传动箱）	采用外部供油（辅助变速箱）
驱动风扇功率	72 kW	72 kW
表1

由于既有机车冷却风扇是通过一个偶合器驱动一个直径为1280mm的冷却风扇即满足冷却要求。而此调车机车经冷却能力计算，需2个1280mm的冷却风扇方可满足冷却需求，具体改制方案如下：

1. 在既有偶合器的基础上，保持主体结构（如涡轮、泵轮、油室体、支承体等）不变，分别改制1个具有横向输出轴功能的偶合器，和1个具有横向输入功能的偶合器，改制前后方案对比如图2所示。

图1：既有偶合器
改制后的偶合器（具有横向输入、输出功能）
图2

1. 2. 偶合器供油设计

偶合器正常工作时，传动油需满足一定的压力和流量，而既有偶合器自身无供油系统和容油腔体，则需外部增加一套供油和容油装置。经分析，此调车机车用变速箱经改制后即可满足上述要求，具体更改内容如下：

在已有辅助齿轮箱内增加一个齿轮泵为偶合器供油（见图3）；为了保证偶合器的供油量，齿轮泵齿轮增加齿宽，加大供油量，同时加大下箱体的容积，保证有足够的容油量。

图3

1. 1. 1. 供油管路设计

在偶合器驱动系统外部增加供油管路。油路从辅助齿轮箱接到偶合器供油口，具体见图4所示。

图4

4. 改制方案的可行性论证

   1. 冷却装置冷却能力校核

改制方案按既有偶合器驱动冷却风扇（2个）方案进行简统，风扇转速保持与既有车型一致，散热器采用既有的机械连接式强化型散热器。对高低温重新进行冷却匹配计算，见下表。

按柴油机装车功率1840kW进行计算，计算结果如下（1280mm、1300r/min）：

	理论散热器数量		实际散热器数量		理论富余量		实际富余量
高温	N高1	6.25	N高ε	10	F高	53.30	F高ε	35.92
低温	N低1	23.00	N低ε	30	F低	30.46	F低ε	19.59

按柴油机装车功率2000kW进行计算，计算结果如下：

	理论散热器数量		实际散热器数量		理论富余量		实际富余量
高温	N高1	7.11	N高ε	10	F高	40.59	F高ε	25.05
低温	N低1	24.92	N低ε	30	F低	20.37	F低ε	11.38

改进后的偶合器输入转速为1300r/min，通过万向轴与辅助变速箱直接相连，辅助齿轮箱通过万向轴与柴油机相连，辅助齿轮箱通过一对啮合的锥齿轮将动力输入到偶合器，辅助齿轮箱的转速如表2所示：

部件	柴油机
输入转速	1000 r/min
齿数比	39：29
表2

则偶合器输入轴的转速为1000×(39/29)=1345r/min,满足要求。

4.2 辅助齿轮箱供油能力与偶合器的转速匹配论证

通过地面做偶合器的性能实验，当偶合器全速的时候，所需油量约为15.3L/min，新增的辅助齿轮箱齿轮油泵的流量为20L/min，满足要求。

5. 成本对比

原方案采用两个偶合器分别驱动风扇，原合作厂家报价每台机车26万，新开发厂家报价每台机车偶合器10万，但试制需新增模具费用32万。而采用既有偶合器改制方案（成本对比如表3），偶合器的主体结构（见图2）都采用既有偶合器的零部件，不需新投模具，原合作厂家报价8万元，节省直接成本2万元/台，节省模具费用32万，符合公司降本增效的要求。

表3:新开发与既有偶合器改制方案成本对比
部件	是否成熟结构	是否需要新投模具	节省模具费用（万元/台）	备注
涡轮	是	不需要	6	借用
泵轮	是	不需要	4	借用
油室体	是	不需要	4	借用
支承体	是	不需要	4	借用
轴承座	是	不需要	4	借用
轴承套	是	不需要	4	借用
箱体	是	不需要	6	在原基础进行局部改动

6. 总结

综上所述，基于既有偶合器改进的偶合器系统在冷却能力、转速匹配、供油能力几个方面均能满足现车使用，同时该方案较新开发的偶合器更节省成本（包括直接成本2万元，模具费用32万元），同时减少了公司产品的种类，符合公司简统化设计的理念。

参考文献：

[1] 机械设计手册第5版第8篇 齿轮传动

[2] 机械设计手册第5版第12篇 轴

[3] 机械设计手册第5版第14篇 滚动轴承

[4] 机械设计手册第5版第18篇 机架与箱体

[5] 机械设计手册第5版第24篇 液力传动

作者简介：张俊琰（1986.06-）,女,甘肃省白银市,本科，汉，工程师，研究方向：机车辅助系统

宋建林（1986.02-）,男,四川省乐山市,本科，汉，工程师，研究方向：机车辅助系统

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