CN113291329A - 一种用于工矿铁路调车机车的混合动力机械传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于工矿铁路调车机车的混合动力机械传动系统，包括动力电池系统、通讯线缆、变频器柜、系统控制器、电力线缆、内燃动力包、至少一个车轮装置、传动轴以及动力箱；所述车轮装置通过所述传动轴与所述动力箱连接；所述动力箱通过所述电力线缆与所述变频器柜连接；所述变频器柜通过所述电力线缆分别与所述动力电池系统和所述内燃动力包连接。本发明设计的混合动力机械传动系统既可实现调车机车在工矿企业恶劣环境下的使用要求，又能满足工矿铁路调车机车工作的性能需求，充分发挥柴油机功率，大幅降低油耗、减少废气排放、降低噪声，从而可实现节能、减排、降低噪声的功效。

Description

一种用于工矿铁路调车机车的混合动力机械传动系统

技术领域

本发明涉及调车机车技术领域，尤其涉及一种用于工矿铁路调车机车的混合动力机械传动系统。

背景技术

气候变化是人类面临的全球性问题，随着各国二氧化碳排放等温室气体的猛增导致对地球生命系统形成了威胁。在这一背景下，世界各国以全球协约的方式减排温室气体，我国由此提出“碳达峰”和“碳中和”目标。因此为了促进生产方式的绿色转型，各行业需积极参与“碳达峰”、“碳中和”行动。铁路运输一直都是我国现代化交通运输体系中最为重要的运输手段，作为铁路主要牵引动力的内燃机车如何实现节能减排、绿色环保已成为当前铁路机车研究的热点领域。

目前，由于工矿铁路调车机车具有启动牵引力大、启动频繁、加速频繁、换向频繁、制动频繁等工作特点，导致机车的柴油机满负荷工作时间短、柴油机空载运行时间长、柴油机功率得不到充分发挥以及柴油机空载运行造成的燃油浪费严重；并且柴油机负荷频繁变化会造成柴油燃烧不充分、冒黑烟，废气中碳化物含量高、机车噪音大等不良后果。再加之工矿企业的环境恶劣，环境中金属粉尘多且铁屑漫天飞舞，对牵引电机的损害极大。因此，需要设计一种适用于在工矿企业工作的工矿铁路调车机车的动力传动系统。

发明内容

本发明提供一种用于工矿铁路调车机车的混合动力机械传动系统，以满足工矿铁路调车机车工作的性能需求，降低油耗、减少废气排放、降低噪声。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于工矿铁路调车机车的混合动力机械传动系统，包括：动力电池系统、通讯线缆、变频器柜、系统控制器、电力线缆、内燃动力包、至少一个车轮装置、传动轴以及动力箱；

所述车轮装置通过所述传动轴与所述动力箱连接；

所述动力箱通过所述电力线缆与所述变频器柜连接；

所述变频器柜通过所述电力线缆分别与所述动力电池系统和所述内燃动力包连接；

所述系统控制器通过所述通讯线缆分别与所述动力电池系统、所述变频器柜以及所述内燃动力包连接。

进一步地，所述动力箱包括动力箱体、联轴器、电机、气缸、动力输出端以及轴承；

所述动力箱体内设有轴a、轴b以及轴c；

所述轴a上设有第一减速齿轮和第一增速齿轮，所述轴a一端设有所述联轴器，所述联轴器与所述电机连接，所述电机设置在所述动力箱体一侧；

所述轴b上设有第二减速齿轮和第二增速齿轮，所述轴b一端与所述气缸铰接；所述气缸驱动轴b沿轴向方向移动实现A、B两个档位的切换；

所述轴c上设有第三减速齿轮和第三增速齿轮组，所述第三增速齿轮组通过轴承安装在所述动力箱体上；

所述气缸驱动轴b位于A档位时，所述第二增速齿轮与所述第一增速齿轮和第三增速齿轮组分离，所述第二减速齿轮与所述第一减速齿轮和第三减速齿轮啮合组成减速齿轮组；

所述气缸驱动轴b位于B档位时，所述第二减速齿轮与所述第一减速齿轮和第三减速齿轮分离，所述第二增速齿轮与所述第一增速齿轮和第三增速齿轮组啮合组成增速齿轮组；

所述轴c两端设有所述动力输出端。

进一步地，所述第三增速齿轮组包括第三增速齿轮和第四增速齿轮组，所述第三增速齿轮设有内齿圈和外齿圈，所述内齿圈内设有所述第四增速齿轮；所述外齿圈与所述轴承相配合。

进一步地，所述车轮装置包括车轮、车轮箱体、以及动力输入端；所述车轮设置在所述车轮箱体两侧，所述车轮箱体内设有传动齿轮组，所述传动齿轮组与所述动力输入端连接。

进一步地，所述内燃动力包内设有发电机、柴油机以及动力包冷却装置，所述发电机与所述柴油机连接，所述柴油机与所述动力包冷却装置连接。

进一步地，所述变频器柜内设有直流-直流变换器、交流-直流变换器以及直流-交流变换器。

进一步地，所述动力电池系统内设有动力电池组和电池冷却装置。

本发明设计的一种用于工矿铁路调车机车的混合动力机械传动系统既能有效解决了调车机车在工矿企业恶劣环境下的使用要求，又能满足工矿铁路调车机车工作的性能需求，并且还能充分发挥柴油机功率，可大幅降低油耗、减少废气排放、降低噪声，达到节能、减排、降低噪声的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的工矿铁路调车机车的混合动力机械传动系统结构示意图；

图2为动力电池系统结构示意图；

图3为变频器柜结构示意图；

图4为内燃动力包结构示意图；

图5为车轮装置结构示意图；

图6为调车工况下的动力箱结构示意图；

图7为小运转工况下的动力箱结构示意图。

图中，1、动力电池系统，101、动力电池组，102、电池冷却装置，2、通讯线缆，3、变频器柜，301、直流-直流变换器，302、交流-直流变换器，303、直流-交流变换器，4、系统控制器，5、电力线缆，6、内燃动力包，601、发电机，602、柴油机，603、动力包冷却装置，7、车轮装置，701、车轮，702、车轮箱体，703、传动齿轮组，704、润滑油，705、动力输入端，8、传动轴，9、动力箱，901、轴a，902、第一减速齿轮，903、第二增速齿轮，904、第一增速齿轮，905、轴b，906、动力箱体，907、联轴器，908、电机，909、气缸，910、动力输出端，911、轴c，912、第二减速齿轮，913、第三减速齿轮，914、第四增速齿轮，915、第三增速齿轮，916、动力箱润滑油，917、轴承。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-7所示为用于工矿铁路调车机车的混合动力机械传动系统，包括：动力电池系统1、通讯线缆2、变频器柜3、系统控制器4、电力线缆5、内燃动力包6、至少一个车轮装置7、传动轴8以及动力箱9；所述车轮装置7通过所述传动轴8与所述动力箱9连接；所述动力箱9通过所述电力线缆5与所述变频器柜3连接；所述变频器柜3通过所述电力线缆5分别与所述动力电池系统1和所述内燃动力包6连接；在本实施例中，动力电池系统1作为调车机车的主动力电源不会产生尾气排放，使调车机车更加绿色环保。所述变频器柜3具有两种功能，一是负责将动力电池系统1输出的直流电和内燃动力包6输出的交流电进行整流逆变处理后，为动力箱9提供需要的动力电源；二是负责将内燃动力包6输出的交流电进行整流逆变处理后，为动力电池系统1进行充电。所述车轮装置7设有两组，分别通过传动轴8与所述动力箱9连接，所述传动轴8负责将动力箱9输出的动力传递给车轮装置7。所述车轮装置7、传动轴8和动力箱9均采用易维护、结构简单且性能可靠的机械传动结构，因此不会受到工矿企业环境中金属粉尘对电气设备尤其是牵引电机的影响。

所述系统控制器4通过所述通讯线缆2分别与所述动力电池系统1、所述变频器柜3以及所述内燃动力包6连接。在本实施例中，所述系统控制器4作为工矿铁路调车机车的混合动力机械传动系统的主控制单元负责对动力电池系统1和内燃动力包6进行能量的混合管理控制，使调车机车具备动力电池系统1供能模式、动力电池系统1和内燃动力包6混合供能模式、内燃动力包6充电模式等三种运用模式；同时，所述系统控制器4通过控制内燃动力包6大部分时间工作在额定功率运行区，确保调车机车的各种工况均在经济节油模式下工作，并实时对动力电池系统1、变频器柜3和内燃动力包6的工作状态进行监控。

如图6和7所示，进一步地，所述动力箱9包括动力箱体906、联轴器907、电机908、气缸909、动力输出端910以及轴承917；

所述动力箱体906内设有轴a901、轴b905以及轴c911；

所述轴a901上设有第一减速齿轮902和第一增速齿轮904，所述轴a901一端设有所述联轴器907，所述联轴器907与所述电机908连接，所述电机908设置在所述动力箱体906一侧；

所述轴b905上设有第二减速齿轮912和第二增速齿轮903，所述轴b905一端与所述气缸909铰接；所述气缸909驱动轴b905沿轴向方向移动实现A、B两个档位的切换；

所述轴c911上设有第三减速齿轮913和第三增速齿轮组，所述第三增速齿轮组通过轴承917安装在所述动力箱体906上；

所述气缸909驱动轴b905位于A档位时，所述第二增速齿轮903与所述第一增速齿轮904和第三增速齿轮组分离，所述第二减速齿轮912与所述第一减速齿轮902和第三减速齿轮913啮合组成减速齿轮组；在本实施例中，如图1、图5和图6所示，当调车机车要实现调车工况需要大牵引时，所述气缸909处于A档，此时第二增速齿轮903、第一增速齿轮904、第三增速齿轮915处于分离状态，而第一减速齿轮902、第二减速齿轮912、第三减速齿轮913啮合一起组成减速齿轮组，因此通过该减速齿轮组可实现电机908的扭矩增益，电机908的扭矩通过轴a901依次传递到轴b905、轴c911上的动力输出端910，最后通过传动轴8输入到车轮装置7上的动力输入端705，实现调车机车的调车工况的大牵引力工作。

所述气缸909驱动轴b905位于B档位时，所述第二减速齿轮912与所述第一减速齿轮902和第三减速齿轮913分离，所述第二增速齿轮903与所述第一增速齿轮904和第三增速齿轮组啮合组成增速齿轮组；进一步地，所述第三增速齿轮组包括第三增速齿轮915和第四增速齿轮组914，所述第三增速齿轮915设有内齿圈和外齿圈，所述内齿圈内设有所述第四增速齿轮914；所述外齿圈与所述轴承917相配合。在本实施例中，如图1、图5和图7所示，所述第四增速齿轮914是圆柱直齿轮，第三增速齿轮是具有内齿圈和外齿圈，第四增速齿轮914是嵌入在第三增速齿轮915内圈的，第三增速齿轮915的外圈与第二增速齿轮903啮合，同时第三增速齿轮915外圈设有配套的轴承917。当调车机车要实现小运转工况时，所述气缸909处于B档，此时第一减速齿轮902、第二减速齿轮912、第三减速齿轮913处于分离状态，而第二增速齿轮903、第一增速齿轮904、第四增速齿轮914以及第三增速齿轮915啮合一起组成增速齿轮组，因此通过该增速齿轮组可实现电机908的转速增益，电机908的转速通过轴a901依次传递到轴b905、轴c911上的动力输出端910，最后通过传动轴8输入到车轮装置7上的动力输入端705，实现调车机车的小运转工况的高速运行。

所述轴c911两端设有所述动力输出端910。在本实施例中，所述动力箱9负责将变频器柜3输出的动力电源转化为机械动力源后，通过传动轴8输入到车轮装置7。所述动力箱9分别设有A、B两个档位，A档负责为调车机车的调车工况提供大牵引力工作的传动比，B档负责为调车机车的小运转工况提供高速运行的传动比，调车和小运转两种工况的切换采用自动控制，因此具有切换灵活的优点。所述轴a901上设有第一减速齿轮902和第一增速齿轮904；所述电机908通过电力线缆5接收变频器柜3中的直流-交流变换器303提供给电机908的供电，并将电能转化为电机的动能；所述电机908通过联轴器907与轴a901连接，将电机的动能通过轴a901进行传递；所述电机908安装在动力箱体906上；所述轴b905上设有第二减速齿轮912、第二增速齿轮903；所述气缸909与轴b905采用可转动的铰连接，气缸909分别设有A、B两个档位，可驱动轴b905沿轴向方向移动，从而实现调车机车的调车和小运转两种工况的传动比；所述轴c911上设有动力输出端910、第三减速齿轮913、第四增速齿轮914、第三增速齿轮915和轴承917；所述第三增速齿轮915通过轴承917安装在动力箱体906上，同时轴a901、轴b905、轴c911也安装在动力箱体906上，动力箱体906作为安装支撑与保护壳体；所述动力箱润滑油916负责润滑。

如图5和图6所示，进一步地，所述车轮装置7包括车轮701、车轮箱体702、以及动力输入端705；所述车轮701设置在所述车轮箱体702两侧，所述车轮箱体702内设有传动齿轮组703，所述传动齿轮组703与所述动力输入端705连接。在本实施例中，所述车轮装置7作为调车机车的走行机构，负责将动力箱9输出的动力转变为车轮的轮周牵引力从而实现调车机车的运行。所述传动齿轮组703、润滑油704分别置于车轮齿轮箱体702中，车轮齿轮箱体702上设有动力输入端705，车轮701与传动齿轮组703、车轮齿轮箱体702组装成车轮装置7；所述动力输入端705通过传动轴8与动力箱9的动力输出端910相连接，用于接收动力箱9输出的动力；所述传动齿轮组703负责将动力输入端705的输入动力传递给车轮701，润滑油704提供润滑作用，车轮齿轮箱体702作为安装支撑与保护壳体。

如图4所示，进一步地，所述内燃动力包6内设有发电机601、柴油机602以及动力包冷却装置603，所述发电机601与所述柴油机602连接，所述柴油机602与所述动力包冷却装置603连接。在本实施例中，所述内燃动力包6具有两种功能，一是负责为调车机车提供辅助动力电源，二是负责为动力电池系统1进行充电。所述发电机601由柴油机602带动运转后进行发电；所述内燃动力包冷却装置603负责为发电机601、柴油机602运行后产生的热量进行热交换，避免发电机601、柴油机602运行后产生高温导致损坏。

如图3所示，进一步地，所述变频器柜3内设有直流-直流变换器301、交流-直流变换器302以及直流-交流变换器303。在本实施例中，所述直流-直流变换器301作为双向变换器具有两种功能，一是可将动力电池系统1输出的直流电斩波升压后接入到直流-交流变换器303的中间直流回路中，二是可将通过交流-直流变换器302逆变后的内燃动力包6输出的电接入到动力电池系统1为动力电池系统1中的动力电池组101进行充电；所述交流-直流变换器302负责将内燃动力包6输出的交流电升压逆变为直流电后，分别接入到直流-交流变换器303的中间直流回路中和直流-直流变换器301的直流回路中；所述直流-交流变换器303通过系统控制器4可根据调车机车的运用模式，将直流-交流变换器303的中间直流回路中来自动力电池系统1和内燃动力包6输出的动力电源进行整流逆变后，通过电力线缆5向动力箱9中的电机908进行供电。

如图2所示，进一步地，所述动力电池系统1内设有动力电池组101和电池冷却装置102。在本实施例中，所述动力电池组101作为储能装置为调车机车提供主动力电源；所述动力电池冷却装置102为动力电池组101运行后产生的热量进行热交换，避免动力电池组101运行后产生高温导致损坏。

在调车机车处于调车工况的时候，如果作为主动力电源的动力电池系统1无法满足此时所需的大功率时，则系统控制器4控制采用动力电池系统1和内燃动力包6混合供能模式，即内燃动力包6启动运行为调车机车提供辅助动力电源，此时内燃动力包6和动力电池系统1一起向变频器柜3供电，变频器柜3再通过电力线缆5向动力箱9进行供电，使动力箱9获得更大的输入功率并通过传动轴8输入到车轮装置7，满足此时大功率需求。在调车机车处于待命状态或者低负荷或者小运转工况时，如果作为主动力电源的动力电池系统1处于缺电状态，则系统控制器4控制采用内燃动力包6充电模式，即内燃动力包6启动运行为动力电池系统1进行充电，直到动力电池系统1达到要求储电量后再停止运行；如果作为主动力电源的动力电池系统1的储电量在正常供电范围时，则系统控制器4控制采用动力电池系统1供能模式，即动力电池系统1单独为调车机车提供动力而内燃动力包6会停止运行。这样就能充分发挥柴油机功率，大幅降低油耗、减少废气排放、降低噪声。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种用于工矿铁路调车机车的混合动力机械传动系统，其特征在于，包括：动力电池系统(1)、通讯线缆(2)、变频器柜(3)、系统控制器(4)、电力线缆(5)、内燃动力包(6)、至少一个车轮装置(7)、传动轴(8)以及动力箱(9)；

所述车轮装置(7)通过所述传动轴(8)与所述动力箱(9)连接；

所述动力箱(9)通过所述电力线缆(5)与所述变频器柜(3)连接；

所述变频器柜(3)通过所述电力线缆(5)分别与所述动力电池系统(1)和所述内燃动力包(6)连接；

所述系统控制器(4)通过所述通讯线缆(2)分别与所述动力电池系统(1)、所述变频器柜(3)以及所述内燃动力包(6)连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于工矿铁路调车机车的混合动力机械传动系统，其特征在于，所述动力箱(9)包括动力箱体(906)、联轴器(907)、电机(908)、气缸(909)、动力输出端(910)以及轴承(917)；

所述动力箱体(906)内设有轴a(901)、轴b(905)以及轴c(911)；

所述轴a(901)上设有第一减速齿轮(902)和第一增速齿轮(904)，所述轴a(901)一端设有所述联轴器(907)，所述联轴器(907)与所述电机(908)连接，所述电机(908)设置在所述动力箱体(906)一侧；

所述轴b(905)上设有第二减速齿轮(912)和第二增速齿轮(903)，所述轴b(905)一端与所述气缸(909)铰接；所述气缸(909)驱动轴b(905)沿轴向方向移动实现A、B两个档位的切换；

所述轴c(911)上设有第三减速齿轮(913)和第三增速齿轮组，所述第三增速齿轮组通过轴承(917)安装在所述动力箱体(906)上；

所述气缸(909)驱动轴b(905)位于A档位时，所述第二增速齿轮(903)与所述第一增速齿轮(904)和第三增速齿轮组分离，所述第二减速齿轮(912)与所述第一减速齿轮(902)和第三减速齿轮(913)啮合组成减速齿轮组；

所述气缸(909)驱动轴b(905)位于B档位时，所述第二减速齿轮(912)与所述第一减速齿轮(902)和第三减速齿轮(913)分离，所述第二增速齿轮(903)与所述第一增速齿轮(904)和第三增速齿轮组啮合组成增速齿轮组；

所述轴c(911)两端设有所述动力输出端(910)。

3.根据权利要求2所述的一种用于工矿铁路调车机车的混合动力机械传动系统，其特征在于，所述第三增速齿轮组包括第三增速齿轮(915)和第四增速齿轮组(914)，所述第三增速齿轮(915)设有内齿圈和外齿圈，所述内齿圈内设有所述第四增速齿轮(914)；所述外齿圈与所述轴承(917)相配合。

4.根据权利要求1所述的一种用于工矿铁路调车机车的混合动力机械传动系统，其特征在于，所述车轮装置(7)包括车轮(701)、车轮箱体(702)、以及动力输入端(705)；所述车轮(701)设置在所述车轮箱体(702)两侧，所述车轮箱体(702)内设有传动齿轮组(703)，所述传动齿轮组(703)与所述动力输入端(705)连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于工矿铁路调车机车的混合动力机械传动系统，其特征在于，所述内燃动力包(6)内设有发电机(601)、柴油机(602)以及动力包冷却装置(603)，所述发电机(601)与所述柴油机(602)连接，所述柴油机(602)与所述动力包冷却装置(603)连接。

6.根据权利要求1所述的一种用于工矿铁路调车机车的混合动力机械传动系统，其特征在于，所述变频器柜(3)内设有直流-直流变换器(301)、交流-直流变换器(302)以及直流-交流变换器(303)。

7.根据权利要求1所述的一种用于工矿铁路调车机车的混合动力机械传动系统，其特征在于，所述动力电池系统(1)内设有动力电池组(101)和电池冷却装置(102)。

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