在高溫高風沙環境的動車組牽引變壓器冷卻單元的設計研究論文
在高溫高風沙環境的動車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路已投入運用2 萬餘公里，主要集中在我國東部、中部以及南部，西部地區僅有2014 年12 月底開通的蘭新線，目前我國能適應高海拔、高溫、高風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的深入進行，西部地區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及以上的動車組產品。
本專案研製的牽引變壓器冷卻單元配套於350 km/h動車組，將運用於海拔較高、氣溫較高、並有大面積的戈壁、沙漠且風沙嚴重、自然環境比較惡劣的區域，因此比既有高速動車組提出了更高的環境適應性要求。
1 冷卻單元的構成和原理
高溫高風沙動車組牽引變壓器冷卻單元由空氣過濾器、油冷卻器、離心風機組、鋼結構和風機箱體等部件組成，風機箱體與承重框架之間透過減振設計結構相連。
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入油冷卻器芯體，在油冷卻器芯體內與外部冷卻空氣進行熱交換，被冷卻後的油再流回牽引變壓器，完成對牽引變壓器的冷卻。同時，離心風機組在電機的帶動下旋轉，強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的高溫油進行熱交換，吸收熱量後經風機出風口吹向動車組車下。
2 牽引變壓器冷卻單元設計
2. 1 動車組的執行條件
在正常行駛時會遇到如颳風、起沙、下雨和降雪等自然現象，偶爾也會遭遇鹽霧、酸雨和沙塵暴。
2. 2 效能指標
本文介紹的高溫高風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效能指標對比如表1 所列，其外形尺寸、總的輔助功率消耗等指標與CRH380BL 型動車組牽引變壓器冷卻單元一致。
由傳熱學和風機空氣動力學原理可知，冷卻器的散熱能力與冷卻介質的溫度與環境溫度之差，以及冷卻器中冷卻空氣質量流量成正比，與冷卻空氣的密度成反比。與平原運用相比，當動車組在高溫、高海拔環境中執行時，其牽引變壓器冷卻單元的冷卻能力將降低。
由表1 經過計算可知，高溫高風沙動車組牽引變壓器冷卻單元的散熱量指標較CRH3 型動車組提高26. 6%。在外形和介面尺寸不變，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%。若要達到該技術要求，只能透過提高冷卻單元的換熱效率來實現，而對於目前已經成型的散熱器結構和葉輪葉型來說，該技術要求是苛刻的。在本設計中對冷卻單元高溫執行條件下的系統整合技術進行研究和試驗驗證，研製出能適應高溫、高風沙、高海拔的執行環境，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鍵部件的設計
2. 3. 1 冷卻單元
高溫高風沙動車組車下裝置艙採用防風沙結構，在動車組車體側裙板冷卻單元進風口處設定2個空氣過濾器，鄰近側裙板上再各設定1 個，這樣減少了冷卻空氣在空氣過濾器中的通風阻力，而在牽引變壓器冷卻單元進風口至設定金屬防護網，使動車組車體側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於CRH380BL 型動車組。在其他冷卻單元的結構形式上保持與CRH380BL 型動車組牽引變壓器冷卻單元相同。
2. 3. 2 離心風機組
離心風機組設計難點在於需要在有限功率和空間尺寸的條件下，流量在2. 5 m3 /s時，靜壓力要達到2 700 Pa 以上。本設計為提高風機效能，風機葉輪葉型採用效率較高的後向圓弧形式，既保證風機流量和壓力的要求，又具有較高效率。風機組由葉輪、集流器、電機及安裝板等組成，如圖2 所示。電機和安裝板透過螺栓連線，葉輪透過軸頭螺栓壓裝在電機上，整個風機透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，從而達到葉輪防松的目的。
透過進行離心風機的啟動設計和多次的改進最佳化，並對最佳化後的風機進行了模擬計算，為確保計算精度，採用了迴圈對稱法。數值模擬得到的風機靜壓等值圖和相對速度向量圖如圖3 所示。
2. 3. 3 油冷卻器
2. 3. 3. 1 結構設計
油冷卻器採用鋁板翅式結構，由於冷卻器的熱效能主要取決於冷卻空氣散熱翅片的傳熱效能，在本專案的研製過程中，分別對百葉窗型翅片、錯口型翅片和平直型翅片等進行了計算分析和試驗驗證。經綜合比較，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，其傳熱效能最佳，因此冷卻器空氣散熱翅片採用錯口型翅片。油冷卻器由冷卻芯體、油室、進出油法蘭和吊裝座等零部件構成，冷卻芯體採用鋁製板翅式結構，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
透過對電力動車組冷卻器運用情況進行調研分析，對目前普遍存在的冷卻器漏液原因進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; 動車組運營環境冷卻空氣中灰塵雜質的顆粒度分析; 吸附在冷卻器表面的灰塵雜質成分分析等。經過分析，冷卻器洩漏原因主要由以下因素綜合作用造成:
( 1) 環境空氣中所含灰塵顆粒等造成冷卻器表面塗層損傷和脫落，使冷卻芯體複合板本體因失去表面塗層的保護而暴露在高溫和高溼的環境中。
( 2) 環境空氣中含有金屬Fe、Cu，非金屬C、S、Cl 等或其化合物，這些物質與鋁發生化學或電化學反應，對冷卻芯體複合板本體產生腐蝕。
( 3) 冷卻器芯體在釺焊過程中由於釺焊工藝不合理造成的冷卻芯體複合板熔蝕缺陷，影響材料效能而導致腐蝕洩漏。針對上述引起冷卻器漏液的失效原因，進行了包括鉻化、化學氧化、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研究。試驗結果表明: 電泳塗層的硬度、耐磨性和耐腐蝕性均較好。因此，該冷卻器採用電泳方式進行表面防護。
2. 3. 4 減振和降噪設計
高溫高風沙動車組牽引變壓器冷卻單元安裝在車體底部，冷卻單元內風機葉輪高速旋轉會產生振動和噪音，如果風機與其他裝置採用剛性連線，會降低牽引變壓器的使用壽命，影響車內的舒適度。目前消除振動和噪音最好的辦法是採用懸掛式橡膠減振器，因此該冷卻單元的風機箱體和框架之間採用懸掛式橡膠減振器的軟連線方式，利用減振器的彈性變形，減輕風機對其他結構的激勵，減少振動的傳遞，隔絕固體聲的傳播。
在本設計中考慮到風機箱體和風機組的重心位置、重量、安裝位置等因素，採用兩種不同的減振器進行連線，靠近油冷卻器一側的兩個減振器採用同一型號的減振器，另兩個靠近電機尾部的減振器為另一型號減振器，更好地實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輛執行過程中的安全可靠性，對其在相應荷載作用下的強度進行數值模擬分析和評價，分析載荷依據EN12663—2010 標準進行，對冷卻單元在運營載荷、振動和衝擊載荷下的靜強度進行分析和校核，見圖5。分析表明: 冷卻單元結構整體的應力水平適中，區域性應力集中區應力稍大，但均未超出許用應力值。模態是結構各階振型及其固有頻率的總稱，屬於結構的固有特性，與結構在動態條件下的運用品質有著密切的聯絡。該專案透過有限元模擬的方法對冷卻單元進行模態分析，冷卻單元的前12 階固有頻率和振型描述見表2。分析表明: 冷卻單元的結構固有模態避開了車體裝備自振頻率和工作頻率風機的工作頻率。
3 試製和試驗驗證
3. 1 離心風機組的試驗驗證
離心葉輪、電機和電機安裝板透過緊韌體裝配成離心風機組，需要對該組裝部件進行效能驗證和振動測試。試驗結果表明，離心風機組風量、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
油冷卻器需要進行單獨的熱效能確認，透過油冷卻器熱效能試驗檯，模擬油冷卻器實際工況，測試油冷卻器熱效能和油( 空氣) 壓力損失。因試驗是在0 m 海拔工況下進行的，而技術要求是油冷卻器1 500 m海拔下的效能指標，因此，用傳熱學相似理論，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 試驗專案
為驗證冷卻單元是否能夠滿足高速動車組技術要求，特委託第三方機構進行相關型式試驗驗證。試驗專案有: 外觀、標誌檢查，漆膜檢查，尺寸檢查，安全性檢查，重量檢查，密封性試驗，風機旋向、電氣引數檢查，絕緣電阻試驗，耐電壓試驗，效能、壓差試驗，噪音試驗，振動和衝擊試驗，高溫試驗，低溫存放試驗，鹽霧試驗。
3. 3. 2 試驗結果
高溫高風沙動車組牽引變壓器冷卻單元型式試驗的主要資料整理對比如表3 所列，所有的機械介面、電氣介面、效能引數等均滿足技術規範要求。
在司機室模擬介面將蓄電池開關打到ON 位置，此時電氣控制原理圖將由蓄電池提供DC110V 電源。將佔用鑰匙打到ON 位置，方向開關打到向前位置，將受電弓開關推至升弓位置。升弓繼電器21-K19 得電吸合，
將主斷/高斷開關打到“ON”位置。由於此時模擬的是交流網壓，因此應為主斷閉合。中央控制單元根據採集到的司機室佔用資訊、網壓資訊等進行綜合判斷。如果滿足主斷閉合條件，會產生主斷閉合指令A1114 = 1。中央控制單元透過MVB 將主斷閉合指令傳送給工控機電路圖模擬模型，使得主斷環路建立。主斷環路狀態如圖8 所示，主斷閉合成功。
4 結語
本文是基於市域動車組列車網路開發專案，依據Controlbuild 軟體對實際列車電氣控制原理圖( 網路控制部分) 進行了模擬，並對列車網路子系統進行了模擬，最終搭建列車網路控制試驗檯，並測試了網路控制功能。