HXN5型內燃機車牽引電機集中通風系統(tǒng)研究

張曉芳，徐培武

（中國南車集團 戚墅堰機車有限公司 技術中心，江蘇常州213011）

隨著大功率內燃機車項目國際化合作的進一步推進，一些新的設計理念和新的技術開始涌入。牽引電機的通風形式由原先的前后轉向架牽引電機獨立通風的傳統(tǒng)形式，發(fā)展為前后轉向架牽引電機集中通風，即前后風機合二為一的形式，這無疑給整車空間布局的合理性及整車性能的優(yōu)化帶來一定的優(yōu)勢。但是，這也給通風機部件的可靠性和耐久性提出了更高的要求，同時對如何改善通風管網(wǎng)的流量分配問題也提出了新的課題。

1 內燃機車傳統(tǒng)形式的牽引通風系統(tǒng)概述

我國鐵路主干線內燃機車牽引電機通風至今仍采用前、后轉向架牽引電機獨立通風冷卻的模式，即前、后轉向架牽引電機分別采用一臺通風機對安裝在各轉向架上的3位電機進行冷卻。其通風支路分別為（1）外界空氣→電氣室側墻濾網(wǎng)→車體內→前架牽引通風機→車體過渡風道→1、2、3位牽引電機→車底大氣；（2）外界空氣→散熱器室側墻百葉窗→車體內→后架牽引通風機→車體過渡風道→4、5、6位牽引電機→車底大氣。這種通風冷卻方式所用通風機多為多翼離心式前向葉片風機，雖說這種風機升壓較大，但效率一般較低，往往只有60%～65%。這無疑增加了通風機所消耗的功率，導致整車輔助功率的增加。例如由中國南車集團戚墅堰機車有限公司研制的DF8B型重載貨運內燃機車，機車裝車功率為3 680kW，牽引電機采用獨立通風的方案，前后轉向架各用一臺通風機，單機功率約為45.6 kW，故牽引電機通風機的總功率約為91.2kW，約占機車裝車功率的2.47%。

2 HXN5型內燃機車牽引通風系統(tǒng)

圖1 HXN5內燃機車牽引通風系統(tǒng)原理圖

HXN5型內燃機車的牽引通風系統(tǒng)引進了牽引電機集中供風的設計理念，即只采用一臺牽引電機通風機，為整臺機車的6位牽引電機同時提供冷卻用風。其工作支路為：外界空氣→散熱器室側墻百葉窗→車體內V型空濾安裝架→牽引電機通風機→車體過渡風道→1、2、3、4、5、6位并聯(lián)牽引電機→車底大氣（見圖1）。一方面，這在機車設計中有它優(yōu)越的一面。首先總體布局得以優(yōu)化，以一臺風機替代兩臺風機，簡化了總體布置，在空間上大大縮減了通風機所占據(jù)的位置；另外，對于HXN5型內燃機車（機車額定裝車功率為4 400kW），雖說風機在性能參數(shù)上的要求比國內傳統(tǒng)機車用風機高，但由于其采用了效率較高的機翼型鑄鋁后向葉片（效率一般可達80%以上），故使得風機額定功率僅為60kW，占機車裝車功率的1.36%。但另一方面，由于牽引通風機在該型機車上充當著獨一無二的重要角色，因此對其可靠性、耐久性要求會更為嚴格；同時由于該風機布置在機車后部的散熱器室內，若要確保給前后每位電機提供較為均衡的風量，車體過渡風道的流量分配均勻性設計也是一項需挑戰(zhàn)的課題。

2.1 通風機國產化研究

基于HXN5機車牽引電機通風形式的特殊性，作為系統(tǒng)關鍵件的通風機在國產化研制過程中，一方面嚴格遵循相關技術規(guī)范要求，另一方面在試驗驗證方面，通過對國際相關試驗標準的消化吸收，同時與國內現(xiàn)行標準進行比對，找出差異，從材料、性能到對惡劣實際工況的模擬，制定了較為嚴格的試驗方案系列，對風機進行全方位的試驗驗證。

2.1.1 通風機結構特點

HXN5型內燃機車牽引電機通風機是一臺由交流電機驅動的通風設備，主要為機車的所有牽引電機提供冷卻用風。鑒于其功能的特殊性，該風機在結構、性能及其驗證方法與國內主干線機車用風機均有所不同。HXN5型牽引電機通風機主要參數(shù)要求如下：額定轉速n=3 125r／min，流量Q=8.78m3／s，靜壓P≥4 805 Pa，軸功率60kW。由于該風機的流量較大，根據(jù)計算所得比轉數(shù)，風機葉輪在選型上首先采用了后彎型葉輪。雖然這種葉輪外形較大，但效率卻很高，可大大降低風機功率，從而降低機車輔助功率；由于風機較大，基于對風機強度和質量的考慮，最終選用了與原型車相同結構類型的機翼型鑄鋁葉輪。這樣從風機結構上首先實現(xiàn)了對性能的要求，達到簡化機車布局，降低機車功率的目的。

2.2.2 通風機驗證試驗

針對HXN5型內燃機車牽引電機通風機的這一系列結構特點，為確保滿足該型機車的使用要求，使風機在性能上、可靠性及耐久性上能發(fā)揮出其優(yōu)越的一面，根據(jù)采購規(guī)范要求以及相關國際標準，對其制定了較為嚴格的試驗認證計劃，主要試驗項目和試驗類型見表1。

該型通風機的大部分驗證試驗遵循了國際相關標準和相關技術規(guī)范的要求，考核指標相比國內相關標準也嚴格了許多。其中運轉試驗是考核整個風機裝配工作時的穩(wěn)定狀態(tài)，同時也可間接反應葉輪動平衡是否在允差范圍內。試驗要求在風機電機軸承處3個方向上的振動速度測試值不應大于4mm／s。由于該風機功率等級較大，所以這一要求相比于國內相關標準中的6.3 mm／s要求嚴格得多；而超速試驗則是考核風機在工作突發(fā)異常，轉速超限時葉輪的強度。HXN5型內燃機車通風機要求進行125%額定轉速的空載超速試驗，且風機不能出現(xiàn)機械故障和過度變形，這比國內風機標準中的110%額定轉速的空載超速試驗標準要求更為苛刻；另外根據(jù)風機的運用特點和結構的特殊性，除性能要滿足設計要求外，其關鍵件葉輪材料的比選、機械性能控制及其運用的耐久性也是十分重要的，而且這也是目前國內干線內燃機車風機在前期驗證中往往容易忽視的。為此，在HXN5型內燃機車通風機的驗證試驗項目中增加了材料鑄造完整性試驗和葉輪疲勞壽命試驗兩個項目。由于該風機采用了大型鑄鋁葉輪，故確認所選鑄鋁材料是否滿足性能要求及驗證葉輪鑄造工藝過程所導致的晶粒度及晶粒流態(tài)，從而及早發(fā)現(xiàn)葉輪鑄造缺陷十分必要，且對有效提高風機可靠性十分有利。材料鑄造完整性試驗正是針對上述目的，對原材料（棒料）的性能進行了測試并進行了葉輪的破壞性試驗。所謂葉輪的破壞性試驗是指葉輪在鑄造完后，根據(jù)葉輪有限元疲勞分析結果，在其應力較大部位所做的破壞性性能檢測。另外，葉輪的疲勞性試驗是指對葉輪進行0到135%的額定最大速度范圍內的50 000次循環(huán)的加速疲勞測試，然后進行X射線探傷，要求不出現(xiàn)任何裂紋。這一試驗可謂是對通風機進行的一項十分苛刻的耐久性試驗，但它卻是提高集中供風方式中通風機運用可靠性較為有力的手段之一。

表1 HXN5型內燃機車通風機

根據(jù)相關技術規(guī)范要求，風機完成并通過了上述規(guī)定的各項性能、耐久性試驗，具體試驗情況見表2。試驗的考核成功是系統(tǒng)可靠性工作的前提之一。

2.3 機車的風道分析

由一臺通風機為6臺牽引電機集中供風的模塊化設計，不僅可優(yōu)化機車總體布置，還可通過優(yōu)化風機性能來降低機車輔助功率，應該說有其優(yōu)越的一面，值得推廣。但另一方面，一個進口帶6個出口，由于風道出口之間的距離較大，同時風道的設計受機車結構的限制，致使風道的結構非常復雜，流體要想順暢地由進口流向每個出口異常地困難，因此出口流量很難做到比較均勻。

表2 HXN5型內燃機車通風機型式試驗

有鑒于此，我們對HXN5機車GE公司設計風道結構進行了流體分析，并綜合利用了幾何模型處理工具Ansys DM、流體網(wǎng)格劃分工具ICEM CFD及流體動力學軟件Fluent，首先將幾何模型輸入到Ansys ICEM CFD中，進行簡單幾何處理，然后使用ICEM CFD中直接從幾何體上劃分網(wǎng)格的魯棒性高的Octree的四面體網(wǎng)格劃分方法對HXN5型內燃機車的車架風道進行了流場分析。網(wǎng)格模型見圖2。流體運動跡線圖見圖3。

圖2 HXN5內燃機車車架牽引電機通風道網(wǎng)格模型

圖3 HXN5內燃機車車架牽引電機風道流體運動跡線圖

通過監(jiān)控進出口流量是否不再變化以及流量平衡來判斷分析過程是否收斂，分析獲得了進出口流量數(shù)據(jù)如下：

總流量：15.89m3／s

各入口流量：

入口1：2.63m3／s

工作曲線的繪制：移取0 mL、1.00 mL、2.00 mL、3.00 mL、5.00 mL、10.00 mL、15.00 mL濃度為100 μg/mL鉛標準溶液于100 mL容量瓶中，分別加入10 mL硝酸，用水稀釋至刻度。以鉛離子濃度為橫坐標，試液吸光度為縱坐標，繪制工作曲線。

入口2：2.25m3／s

入口3：2.18m3／s

入口4：2.45m3／s

入口5：2.89m3／s

入口6：3.49m3／s

2.4 裝車匹配試驗

通過對HXN5型內燃機車整個通風系統(tǒng)，包括新型風機及相匹配過渡風道的綜合分析，于2009年完成并通過了相關部件的試驗，同時裝車進行了匹配試驗，即對各位牽引電機風量風壓進行了相關測試，數(shù)據(jù)如表3。

表3 HXN5-62＃內燃機車牽引電機風量風壓測試數(shù)據(jù)

2.5 運用效果

HXN5型內燃機車自62＃機車開始安裝了國產化牽引電機通風機，于2009年初到哈爾濱鐵路局牡丹江機務段，迄今為止，已運行42萬km左右，整個通風系統(tǒng)未發(fā)生任何故障，運用良好，并得到機務段方的書面認可。

3 集中供風方式的推廣，機車風道優(yōu)化設計改進

為了更好地研究車體風道流量分配均勻性問題，我們借助了“十一五”期間，中國南車集團提出的6 000、4 000、2 000kW 3個功率等級的機車產品技術平臺建設之一的2 000HP平臺建設項目，基于該項目對系統(tǒng)和零部件標準化、模塊化、系列化的要求，在上述集中通風和獨立通風兩種方案進行充分對比以及對進口機車的相關技術消化吸收后，該系列機車的牽引電動機通風冷卻方式引入了GE公司的牽引電機集中供風的方式，目前需解決的問題就是優(yōu)化風道設計，合理進行通風機與風道的匹配。

我們與高等院校合作，對2 000HP機車一個風道進口6個風道出口的風道模式進行優(yōu)化，從理論角度得出了以下幾個主要結論：

（1）在圓形管道中加十字格柵，使管道中的通道渦流減小，同時也可以使氣流經(jīng)過圓形管道與矩形箱體轉換處流通損失減小。

（2）在圓形管道和矩形通道中氣流拐彎位置加導流板，可以有效地減小因氣流拐彎引起的流動分離，增加通道流量，降低氣動損失和噪聲，增強氣體流動的穩(wěn)定性。

（3）在箱體轉角位置，使用大半徑圓角來替代直角，可以使流動更加順暢，增加箱體中氣體流動的穩(wěn)定性。

（4）在出口位置加井字形格柵，會使出口流動更加穩(wěn)定，出口流量增加。

項目目標將通過計算、測試來優(yōu)化風道設計，完善通風機與風道的匹配，從而達到降低機車輔助功率，優(yōu)化機車總體布置的目的。

4 結束語

通過對國產HXN5機車通風系統(tǒng)的分析研究和對國內外通風機不同執(zhí)行標準的對標分析，可進一步改進通風機材料和結構型式，從而達到提高通風機性能，降低風機功率的目的；同時采用新的集中供風方式，一方面簡化了機車總體布局，另一方面通過改善風道結構，優(yōu)化管網(wǎng)布局和管道內的流量分配，確保了機車的牽引運用。

通過上述優(yōu)化和改善，一方面為實現(xiàn)HXN5機車通風機的國產化目標、降低通風機的采購成本奠定了基礎；另一方面也為牽引電機集中供風方案的推廣運用，簡化機車的總體布局、優(yōu)化機車通風系統(tǒng)提供了便捷之路。

［1］葛 寧，史萬里，焦華賓.2000馬力機車風道計算及優(yōu)化設計總結報告［R］.南京航空航天大學，2009.