在高溫高風(fēng)沙環(huán)境的動車組牽引變壓器冷卻單元的設(shè)計(jì)研究論文
我國目前高速鐵路線路已投入運(yùn)用2 萬余公里，主要集中在我國東部、中部以及南部，西部地區(qū)僅有2014 年12 月底開通的蘭新線，目前我國能適應(yīng)高海拔、高溫、高風(fēng)沙條件的動車組僅有250km/h CRH5 型動車組。隨著我國西部大開發(fā)的深入進(jìn)行，西部地區(qū)對高速鐵路的需求必將大幅提高，而高鐵線路的增加，必將需要速度等級更高的300 km/h及以上的動車組產(chǎn)品。
本項(xiàng)目研制的牽引變壓器冷卻單元配套于350 km/h動車組，將運(yùn)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(yán)重、自然環(huán)境比較惡劣的區(qū)域，因此比既有高速動車組提出了更高的環(huán)境適應(yīng)性要求。
1 冷卻單元的構(gòu)成和原理
高溫高風(fēng)沙動車組牽引變壓器冷卻單元由空氣過濾器、油冷卻器、離心風(fēng)機(jī)組、鋼結(jié)構(gòu)和風(fēng)機(jī)箱體等部件組成，風(fēng)機(jī)箱體與承重框架之間通過減振設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相連。
牽引變壓器冷卻單元工作時，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(nèi)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，離心風(fēng)機(jī)組在電機(jī)的帶動下旋轉(zhuǎn)，強(qiáng)迫冷卻空氣沿列車橫向流向油冷卻器，冷卻空氣與冷卻器芯體內(nèi)的高溫油進(jìn)行熱交換，吸收熱量后經(jīng)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口吹向動車組車下。
2 牽引變壓器冷卻單元設(shè)計(jì)
2. 1 動車組的運(yùn)行條件
在正常行駛時會遇到如刮風(fēng)、起沙、下雨和降雪等自然現(xiàn)象，偶爾也會遭遇鹽霧、酸雨和沙塵暴。
2. 2 性能指標(biāo)
本文介紹的高溫高風(fēng)沙動車組牽引變壓器冷卻單元與CRH380BL 型動車組牽引變壓器冷卻單元的性能指標(biāo)對比如表1 所列，其外形尺寸、總的輔助功率消耗等指標(biāo)與CRH380BL 型動車組牽引變壓器冷卻單元一致。
由傳熱學(xué)和風(fēng)機(jī)空氣動力學(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(yùn)用相比，當(dāng)動車組在高溫、高海拔環(huán)境中運(yùn)行時，其牽引變壓器冷卻單元的冷卻能力將降低。
由表1 經(jīng)過計(jì)算可知，高溫高風(fēng)沙動車組牽引變壓器冷卻單元的散熱量指標(biāo)較CRH3 型動車組提高26. 6%。在外形和接口尺寸不變，總的輔助功率消耗指標(biāo)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(dá)到該技術(shù)要求，只能通過提高冷卻單元的換熱效率來實(shí)現(xiàn)，而對于目前已經(jīng)成型的散熱器結(jié)構(gòu)和葉輪葉型來說，該技術(shù)要求是苛刻的。在本設(shè)計(jì)中對冷卻單元高溫運(yùn)行條件下的系統(tǒng)集成技術(shù)進(jìn)行研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，研制出能適應(yīng)高溫、高風(fēng)沙、高海拔的運(yùn)行環(huán)境，結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)
2. 3. 1 冷卻單元
高溫高風(fēng)沙動車組車下設(shè)備艙采用防風(fēng)沙結(jié)構(gòu)，在動車組車體側(cè)裙板冷卻單元進(jìn)風(fēng)口處設(shè)置2個空氣過濾器，鄰近側(cè)裙板上再各設(shè)置1 個，這樣減少了冷卻空氣在空氣過濾器中的通風(fēng)阻力，而在牽引變壓器冷卻單元進(jìn)風(fēng)口至設(shè)置金屬防護(hù)網(wǎng)，使動車組車體側(cè)裙板空氣過濾器和冷卻單元的冷卻空氣通道的總空氣阻力不大于CRH380BL 型動車組。在其他冷卻單元的結(jié)構(gòu)形式上保持與CRH380BL 型動車組牽引變壓器冷卻單元相同。
2. 3. 2 離心風(fēng)機(jī)組
離心風(fēng)機(jī)組設(shè)計(jì)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，靜壓力要達(dá)到2 700 Pa 以上。本設(shè)計(jì)為提高風(fēng)機(jī)性能，風(fēng)機(jī)葉輪葉型采用效率較高的后向圓弧形式，既保證風(fēng)機(jī)流量和壓力的要求，又具有較高效率。風(fēng)機(jī)組由葉輪、集流器、電機(jī)及安裝板等組成，如圖2 所示。電機(jī)和安裝板通過螺栓連接，葉輪通過軸頭螺栓壓裝在電機(jī)上，整個風(fēng)機(jī)通過安裝板裝在箱體上。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(dá)到葉輪防松的目的。
通過進(jìn)行離心風(fēng)機(jī)的啟動設(shè)計(jì)和多次的改進(jìn)優(yōu)化，并對優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了仿真計(jì)算，為確保計(jì)算精度，采用了循環(huán)對稱法。數(shù)值模擬得到的風(fēng)機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
油冷卻器采用鋁板翅式結(jié)構(gòu)，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(xiàng)目的研制過程中，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(jì)算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)綜合比較，在有限空間條件下，由錯口翅片構(gòu)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(gòu)成，冷卻芯體采用鋁制板翅式結(jié)構(gòu)，由空氣側(cè)散熱翅片、油側(cè)散熱翅片、空氣側(cè)封條、油側(cè)封條、隔板和側(cè)板構(gòu)成，
2. 3. 3. 2 可靠性設(shè)計(jì)
通過對電力動車組冷卻器運(yùn)用情況進(jìn)行調(diào)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(yàn)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; 動車組運(yùn)營環(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(fù)合板本體因失去表面涂層的保護(hù)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(yīng)，對冷卻芯體復(fù)合板本體產(chǎn)生腐蝕。
( 3) 冷卻器芯體在釬焊過程中由于釬焊工藝不合理造成的冷卻芯體復(fù)合板熔蝕缺陷，影響材料性能而導(dǎo)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(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)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(hù)。
2. 3. 4 減振和降噪設(shè)計(jì)
高溫高風(fēng)沙動車組牽引變壓器冷卻單元安裝在車體底部，冷卻單元內(nèi)風(fēng)機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生振動和噪音，如果風(fēng)機(jī)與其他設(shè)備采用剛性連接，會降低牽引變壓器的使用壽命，影響車內(nèi)的舒適度。目前消除振動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(jī)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(jī)對其他結(jié)構(gòu)的激勵，減少振動的傳遞，隔絕固體聲的傳播。
在本設(shè)計(jì)中考慮到風(fēng)機(jī)箱體和風(fēng)機(jī)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(cè)的兩個減振器采用同一型號的減振器，另兩個靠近電機(jī)尾部的減振器為另一型號減振器，更好地實(shí)現(xiàn)減振和降噪的作用。
2. 3. 5 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析
為保證牽引變壓器冷卻單元在車輛運(yùn)行過程中的安全可靠性，對其在相應(yīng)荷載作用下的強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值模擬分析和評價，分析載荷依據(jù)EN12663—2010 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，對冷卻單元在運(yùn)營載荷、振動和沖擊載荷下的靜強(qiáng)度進(jìn)行分析和校核，見圖5。分析表明: 冷卻單元結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力水平適中，局部應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力稍大，但均未超出許用應(yīng)力值。模態(tài)是結(jié)構(gòu)各階振型及其固有頻率的總稱，屬于結(jié)構(gòu)的固有特性，與結(jié)構(gòu)在動態(tài)條件下的運(yùn)用品質(zhì)有著密切的聯(lián)系。該項(xiàng)目通過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表2。分析表明: 冷卻單元的結(jié)構(gòu)固有模態(tài)避開了車體裝備自振頻率和工作頻率風(fēng)機(jī)的工作頻率。
3 試制和試驗(yàn)驗(yàn)證
3. 1 離心風(fēng)機(jī)組的試驗(yàn)驗(yàn)證
離心葉輪、電機(jī)和電機(jī)安裝板通過緊固件裝配成離心風(fēng)機(jī)組，需要對該組裝部件進(jìn)行性能驗(yàn)證和振動測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，離心風(fēng)機(jī)組風(fēng)量、最大靜壓、額定功率均達(dá)到指標(biāo)要求。
3. 2 油冷卻器的試驗(yàn)驗(yàn)證
油冷卻器需要進(jìn)行單獨(dú)的熱性能確認(rèn)，通過油冷卻器熱性能試驗(yàn)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(yàn)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(biāo)，因此，用傳熱學(xué)相似理論，要將0 m 海拔下的試驗(yàn)結(jié)果折算成1 500 m海拔下的結(jié)果。
3. 3 冷卻單元整機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證
3. 3. 1 試驗(yàn)項(xiàng)目
為驗(yàn)證冷卻單元是否能夠滿足高速動車組技術(shù)要求，特委托第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)型式試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)項(xiàng)目有: 外觀、標(biāo)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(yàn)，風(fēng)機(jī)旋向、電氣參數(shù)檢查，絕緣電阻試驗(yàn)，耐電壓試驗(yàn)，性能、壓差試驗(yàn)，噪音試驗(yàn)，振動和沖擊試驗(yàn)，高溫試驗(yàn)，低溫存放試驗(yàn)，鹽霧試驗(yàn)。
3. 3. 2 試驗(yàn)結(jié)果
高溫高風(fēng)沙動車組牽引變壓器冷卻單元型式試驗(yàn)的主要數(shù)據(jù)整理對比如表3 所列，所有的機(jī)械接口、電氣接口、性能參數(shù)等均滿足技術(shù)規(guī)范要求。
在司機(jī)室模擬界面將蓄電池開關(guān)打到ON 位置，此時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，方向開關(guān)打到向前位置，將受電弓開關(guān)推至升弓位置。升弓繼電器21-K19 得電吸合，
將主斷/高斷開關(guān)打到“ON”位置。由于此時模擬的是交流網(wǎng)壓，因此應(yīng)為主斷閉合。中央控制單元根據(jù)采集到的司機(jī)室占用信息、網(wǎng)壓信息等進(jìn)行綜合判斷。如果滿足主斷閉合條件，會產(chǎn)生主斷閉合指令A(yù)1114 = 1。中央控制單元通過MVB 將主斷閉合指令發(fā)送給工控機(jī)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(jié)語
本文是基于市域動車組列車網(wǎng)絡(luò)開發(fā)項(xiàng)目，依據(jù)Controlbuild 軟件對實(shí)際列車電氣控制原理圖( 網(wǎng)絡(luò)控制部分) 進(jìn)行了仿真，并對列車網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，最終搭建列車網(wǎng)絡(luò)控制試驗(yàn)臺，并測試了網(wǎng)絡(luò)控制功能。
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