在高溫高風(fēng)沙環(huán)境的動(dòng)車(chē)組牽引變壓器冷卻單元的設計研究論文
我國目前高速鐵路線(xiàn)路已投入運用2 萬(wàn)余公里，主要集中在我國東部、中部以及南部，西部地區僅有2014 年12 月底開(kāi)通的蘭新線(xiàn)，目前我國能適應高海拔、高溫、高風(fēng)沙條件的動(dòng)車(chē)組僅有250km/h CRH5 型動(dòng)車(chē)組。隨著(zhù)我國西部大開(kāi)發(fā)的深入進(jìn)行，西部地區對高速鐵路的需求必將大幅提高，而高鐵線(xiàn)路的增加，必將需要速度等級更高的300 km/h及以上的動(dòng)車(chē)組產(chǎn)品。
本項目研制的牽引變壓器冷卻單元配套于350 km/h動(dòng)車(chē)組，將運用于海拔較高、氣溫較高、并有大面積的戈壁、沙漠且風(fēng)沙嚴重、自然環(huán)境比較惡劣的區域，因此比既有高速動(dòng)車(chē)組提出了更高的環(huán)境適應性要求。
1 冷卻單元的構成和原理
高溫高風(fēng)沙動(dòng)車(chē)組牽引變壓器冷卻單元由空氣過(guò)濾器、油冷卻器、離心風(fēng)機組、鋼結構和風(fēng)機箱體等部件組成，風(fēng)機箱體與承重框架之間通過(guò)減振設計結構相連。
牽引變壓器冷卻單元工作時(shí)，牽引變壓器中的冷卻油在油泵的作用下進(jìn)入油冷卻器芯體，在油冷卻器芯體內與外部冷卻空氣進(jìn)行熱交換，被冷卻后的油再流回牽引變壓器，完成對牽引變壓器的冷卻。同時(shí)，離心風(fēng)機組在電機的帶動(dòng)下旋轉，強迫冷卻空氣沿列車(chē)橫向流向油冷卻器，冷卻空氣與冷卻器芯體內的高溫油進(jìn)行熱交換，吸收熱量后經(jīng)風(fēng)機出風(fēng)口吹向動(dòng)車(chē)組車(chē)下。
2 牽引變壓器冷卻單元設計
2. 1 動(dòng)車(chē)組的運行條件
在正常行駛時(shí)會(huì )遇到如刮風(fēng)、起沙、下雨和降雪等自然現象，偶爾也會(huì )遭遇鹽霧、酸雨和沙塵暴。
2. 2 性能指標
本文介紹的高溫高風(fēng)沙動(dòng)車(chē)組牽引變壓器冷卻單元與CRH380BL 型動(dòng)車(chē)組牽引變壓器冷卻單元的性能指標對比如表1 所列，其外形尺寸、總的輔助功率消耗等指標與CRH380BL 型動(dòng)車(chē)組牽引變壓器冷卻單元一致。
由傳熱學(xué)和風(fēng)機空氣動(dòng)力學(xué)原理可知，冷卻器的散熱能力與冷卻介質(zhì)的溫度與環(huán)境溫度之差，以及冷卻器中冷卻空氣質(zhì)量流量成正比，與冷卻空氣的密度成反比。與平原運用相比，當動(dòng)車(chē)組在高溫、高海拔環(huán)境中運行時(shí)，其牽引變壓器冷卻單元的冷卻能力將降低。
由表1 經(jīng)過(guò)計算可知，高溫高風(fēng)沙動(dòng)車(chē)組牽引變壓器冷卻單元的散熱量指標較CRH3 型動(dòng)車(chē)組提高26. 6%。在外形和接口尺寸不變，總的輔助功率消耗指標不變的情況下，冷卻單元的.額定冷卻能力要提高26. 6%。若要達到該技術(shù)要求，只能通過(guò)提高冷卻單元的換熱效率來(lái)實(shí)現，而對于目前已經(jīng)成型的散熱器結構和葉輪葉型來(lái)說(shuō)，該技術(shù)要求是苛刻的。在本設計中對冷卻單元高溫運行條件下的系統集成技術(shù)進(jìn)行研究和試驗驗證，研制出能適應高溫、高風(fēng)沙、高海拔的運行環(huán)境，結構緊湊，換熱效率高的牽引變壓器冷卻單元。
2. 3 牽引變壓器冷卻單元及關(guān)鍵部件的設計
2. 3. 1 冷卻單元
高溫高風(fēng)沙動(dòng)車(chē)組車(chē)下設備艙采用防風(fēng)沙結構，在動(dòng)車(chē)組車(chē)體側裙板冷卻單元進(jìn)風(fēng)口處設置2個(gè)空氣過(guò)濾器，鄰近側裙板上再各設置1 個(gè)，這樣減少了冷卻空氣在空氣過(guò)濾器中的通風(fēng)阻力，而在牽引變壓器冷卻單元進(jìn)風(fēng)口至設置金屬防護網(wǎng)，使動(dòng)車(chē)組車(chē)體側裙板空氣過(guò)濾器和冷卻單元的冷卻空氣通道的總空氣阻力不大于CRH380BL 型動(dòng)車(chē)組。在其他冷卻單元的結構形式上保持與CRH380BL 型動(dòng)車(chē)組牽引變壓器冷卻單元相同。
2. 3. 2 離心風(fēng)機組
離心風(fēng)機組設計難點(diǎn)在于需要在有限功率和空間尺寸的條件下，流量在2. 5 m3 /s時(shí)，靜壓力要達到2 700 Pa 以上。本設計為提高風(fēng)機性能，風(fēng)機葉輪葉型采用效率較高的后向圓弧形式，既保證風(fēng)機流量和壓力的要求，又具有較高效率。風(fēng)機組由葉輪、集流器、電機及安裝板等組成，如圖2 所示。電機和安裝板通過(guò)螺栓連接，葉輪通過(guò)軸頭螺栓壓裝在電機上，整個(gè)風(fēng)機通過(guò)安裝板裝在箱體上。葉輪旋向與軸頭螺栓旋向相反，且在軸頭螺栓加螺紋緊固膠及自鎖墊圈，從而達到葉輪防松的目的。
通過(guò)進(jìn)行離心風(fēng)機的啟動(dòng)設計和多次的改進(jìn)優(yōu)化，并對優(yōu)化后的風(fēng)機進(jìn)行了仿真計算，為確保計算精度，采用了循環(huán)對稱(chēng)法。數值模擬得到的風(fēng)機靜壓等值圖和相對速度矢量圖如圖3 所示。
2. 3. 3 油冷卻器
2. 3. 3. 1 結構設計
油冷卻器采用鋁板翅式結構，由于冷卻器的熱性能主要取決于冷卻空氣散熱翅片的傳熱性能，在本項目的研制過(guò)程中，分別對百葉窗型翅片、錯口型翅片和平直型翅片等進(jìn)行了計算分析和試驗驗證。經(jīng)綜合比較，在有限空間條件下，由錯口翅片構成的冷卻器單位消耗功率下，其傳熱性能最佳，因此冷卻器空氣散熱翅片采用錯口型翅片。油冷卻器由冷卻芯體、油室、進(jìn)出油法蘭和吊裝座等零部件構成，冷卻芯體采用鋁制板翅式結構，由空氣側散熱翅片、油側散熱翅片、空氣側封條、油側封條、隔板和側板構成，
2. 3. 3. 2 可靠性設計
通過(guò)對電力動(dòng)車(chē)組冷卻器運用情況進(jìn)行調研分析，對目前普遍存在的冷卻器漏液原因進(jìn)行了一系列試驗研究，包括: 冷卻器原材料分析; 冷卻器焊接工藝和表面處理工藝對鋁冷卻器可靠性的影響分析; 動(dòng)車(chē)組運營(yíng)環(huán)境冷卻空氣中灰塵雜質(zhì)的顆粒度分析; 吸附在冷卻器表面的灰塵雜質(zhì)成分分析等。經(jīng)過(guò)分析，冷卻器泄漏原因主要由以下因素綜合作用造成:
( 1) 環(huán)境空氣中所含灰塵顆粒等造成冷卻器表面涂層損傷和脫落，使冷卻芯體復合板本體因失去表面涂層的保護而暴露在高溫和高濕的環(huán)境中。
( 2) 環(huán)境空氣中含有金屬Fe、Cu，非金屬C、S、Cl 等或其化合物，這些物質(zhì)與鋁發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應，對冷卻芯體復合板本體產(chǎn)生腐蝕。
( 3) 冷卻器芯體在釬焊過(guò)程中由于釬焊工藝不合理造成的冷卻芯體復合板熔蝕缺陷，影響材料性能而導致腐蝕泄漏。針對上述引起冷卻器漏液的失效原因，進(jìn)行了包括鉻化、化學(xué)氧化、電泳和陽(yáng)極氧化等幾種表面處理方案的漆膜硬度、耐磨性及耐鹽霧性試驗研究。試驗結果表明: 電泳涂層的硬度、耐磨性和耐腐蝕性均較好。因此，該冷卻器采用電泳方式進(jìn)行表面防護。
2. 3. 4 減振和降噪設計
高溫高風(fēng)沙動(dòng)車(chē)組牽引變壓器冷卻單元安裝在車(chē)體底部，冷卻單元內風(fēng)機葉輪高速旋轉會(huì )產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，如果風(fēng)機與其他設備采用剛性連接，會(huì )降低牽引變壓器的使用壽命，影響車(chē)內的舒適度。目前消除振動(dòng)和噪音最好的辦法是采用懸掛式橡膠減振器，因此該冷卻單元的風(fēng)機箱體和框架之間采用懸掛式橡膠減振器的軟連接方式，利用減振器的彈性變形，減輕風(fēng)機對其他結構的激勵，減少振動(dòng)的傳遞，隔絕固體聲的傳播。
在本設計中考慮到風(fēng)機箱體和風(fēng)機組的重心位置、重量、安裝位置等因素，采用兩種不同的減振器進(jìn)行連接，靠近油冷卻器一側的兩個(gè)減振器采用同一型號的減振器，另兩個(gè)靠近電機尾部的減振器為另一型號減振器，更好地實(shí)現減振和降噪的作用。
2. 3. 5 結構強度分析
為保證牽引變壓器冷卻單元在車(chē)輛運行過(guò)程中的安全可靠性，對其在相應荷載作用下的強度進(jìn)行數值模擬分析和評價(jià)，分析載荷依據EN12663—2010 標準進(jìn)行，對冷卻單元在運營(yíng)載荷、振動(dòng)和沖擊載荷下的靜強度進(jìn)行分析和校核，見(jiàn)圖5。分析表明: 冷卻單元結構整體的應力水平適中，局部應力集中區應力稍大，但均未超出許用應力值。模態(tài)是結構各階振型及其固有頻率的總稱(chēng)，屬于結構的固有特性，與結構在動(dòng)態(tài)條件下的運用品質(zhì)有著(zhù)密切的聯(lián)系。該項目通過(guò)有限元仿真的方法對冷卻單元進(jìn)行模態(tài)分析，冷卻單元的前12 階固有頻率和振型描述見(jiàn)表2。分析表明: 冷卻單元的結構固有模態(tài)避開(kāi)了車(chē)體裝備自振頻率和工作頻率風(fēng)機的工作頻率。
3 試制和試驗驗證
3. 1 離心風(fēng)機組的試驗驗證
離心葉輪、電機和電機安裝板通過(guò)緊固件裝配成離心風(fēng)機組，需要對該組裝部件進(jìn)行性能驗證和振動(dòng)測試。試驗結果表明，離心風(fēng)機組風(fēng)量、最大靜壓、額定功率均達到指標要求。
3. 2 油冷卻器的試驗驗證
油冷卻器需要進(jìn)行單獨的熱性能確認，通過(guò)油冷卻器熱性能試驗臺，模擬油冷卻器實(shí)際工況，測試油冷卻器熱性能和油( 空氣) 壓力損失。因試驗是在0 m 海拔工況下進(jìn)行的，而技術(shù)要求是油冷卻器1 500 m海拔下的性能指標，因此，用傳熱學(xué)相似理論，要將0 m 海拔下的試驗結果折算成1 500 m海拔下的結果。
3. 3 冷卻單元整機的試驗驗證
3. 3. 1 試驗項目
為驗證冷卻單元是否能夠滿(mǎn)足高速動(dòng)車(chē)組技術(shù)要求，特委托第三方機構進(jìn)行相關(guān)型式試驗驗證。試驗項目有: 外觀(guān)、標志檢查，漆膜檢查，尺寸檢查，安全性檢查，重量檢查，密封性試驗，風(fēng)機旋向、電氣參數檢查，絕緣電阻試驗，耐電壓試驗，性能、壓差試驗，噪音試驗，振動(dòng)和沖擊試驗，高溫試驗，低溫存放試驗，鹽霧試驗。
3. 3. 2 試驗結果
高溫高風(fēng)沙動(dòng)車(chē)組牽引變壓器冷卻單元型式試驗的主要數據整理對比如表3 所列，所有的機械接口、電氣接口、性能參數等均滿(mǎn)足技術(shù)規范要求。
在司機室模擬界面將蓄電池開(kāi)關(guān)打到ON 位置，此時(shí)電氣控制原理圖將由蓄電池提供DC110V 電源。將占用鑰匙打到ON 位置，方向開(kāi)關(guān)打到向前位置，將受電弓開(kāi)關(guān)推至升弓位置。升弓繼電器21-K19 得電吸合，
將主斷/高斷開(kāi)關(guān)打到“ON”位置。由于此時(shí)模擬的是交流網(wǎng)壓，因此應為主斷閉合。中央控制單元根據采集到的司機室占用信息、網(wǎng)壓信息等進(jìn)行綜合判斷。如果滿(mǎn)足主斷閉合條件，會(huì )產(chǎn)生主斷閉合指令A1114 = 1。中央控制單元通過(guò)MVB 將主斷閉合指令發(fā)送給工控機電路圖仿真模型，使得主斷環(huán)路建立。主斷環(huán)路狀態(tài)如圖8 所示，主斷閉合成功。
4 結語(yǔ)
本文是基于市域動(dòng)車(chē)組列車(chē)網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)項目，依據Controlbuild 軟件對實(shí)際列車(chē)電氣控制原理圖( 網(wǎng)絡(luò )控制部分) 進(jìn)行了仿真，并對列車(chē)網(wǎng)絡(luò )子系統進(jìn)行了仿真，最終搭建列車(chē)網(wǎng)絡(luò )控制試驗臺，并測試了網(wǎng)絡(luò )控制功能。
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