HXN5型內燃機車新型散熱器的研制

摘 要：文章闡述了中國主干線項目HXN5型內燃機車用新型散熱器的設計開發研制過程。該新型散熱器采用的分離式冷卻設計，首次應用于國內內燃機車，實現了機車冷卻模式的轉換。

關鍵詞：HXN5型內燃機車；冷卻系統；散熱器

1 前言

HXN5型內燃機車由南車集團戚墅堰機車有限公司與美國GE公司合作設計制造，是目前國內功率最大的交流傳動內燃機車，將逐步成為中國鐵路干線貨運的主型內燃機車。HXN5型內燃機車柴油機額定功率4660kW，最大運用速度120km/h， 該型機車排放低，節能好，達到了美國Tier2標準。為滿足主干線項目國產化需要，大連通鐵熱動力設備有限公司與戚墅堰機車有限公司、美國GE公司三方合作研發了HXN5型機車用散熱器。

2 HXN5型內燃機車冷卻系統原理

內燃機車工作過程中，柴油機等許多零部件強烈受熱，需要強迫冷卻，為此設置了冷卻水系統。其主要功能是：冷卻與燃氣直接接觸的零部件、柴油機機油及柴油機的增壓空氣， 使柴油機的各零部件、柴油機機油及增壓空氣均保持在一定溫度范圍內，保證柴油機正常工作。冷卻水還對空氣壓縮機及壓縮后的空氣進行冷卻，并通過燃油加熱系統對燃油進行加熱。

HXN5型內燃機車冷卻水系統采用全封閉式加壓循環型式系統。冷卻水系統主要由散熱器、膨脹水箱、機油熱交換器、流向控制閥、燃油加熱器以及相應的管路、閥門等組成。

為了優化機車的排放、功率以及燃油效率，對HXN5型機車冷卻系統回路加裝了流向控制閥，以控制冷卻水系統的冷卻模式。冷卻模式分為：排放模式和熱機模式。在排放模式下，冷卻水系統為優化排放而對中冷器提供最大冷卻能力；在熱機模式下， 冷卻水系統為優化功率和燃油效率而對柴油機提供最大冷卻能力。根據冷卻水的幾個設置點溫度、空氣歧管溫度及柴油機滑油溫度，機車冷卻控制系統將冷卻系統轉換到排放模式或者熱機模式下運行。設置點溫度的設置確保可最大程度保護柴油機， 同時使模式間的循環操作最小化。

3 HXN5型內燃機車散熱器性能參數要求

表1列出了在環境溫度25℃， 海拔0m的規定條件下散熱器的散熱量要求。

表1 散熱器初始設計參數

在柴油機N8檔位條件下，散熱器最大內部工作壓力為0.31MPa。在額定空氣流速下，主散熱器水側允許的最大壓降為36kPa。

4 新型散熱器結構與分離式冷卻設計

HXN5型機車上共安裝兩組散熱器，與水平成27.5°夾角分別置于冷卻間頂部左右兩側。從結構上，散熱器主要由芯體，水室，側板，中間擋板，O形圈，拉筋，吊裝板，緊固件等零部件組成。與常規冷卻系統中高溫水和低溫水循環各自獨立不同，HXN5型機車散熱器采用分離式冷卻設計，每組散熱器內部劃分為主散熱器、子散熱器1和子散熱器2，其中主散熱器設計為6排散熱扁管，子散熱器1和子散熱器2分別為3排散熱扁管。

散熱器芯體所使用的散熱扁管采用進口高頻焊接黃銅管，散熱翅片采用強化型純銅帶，散熱管端部與芯體主片之間采用國際先進的機械脹接制造技術，能夠很好的承受機車運行時產生的熱應力、疲勞應力以及消除機械振動對散熱器主片與管根連接處的負面影響，從而大大提高了產品質量和使用壽命。散熱器水室內部設置了防沖板，隔板，溢流孔等，降低了散熱器冷卻水入口處的局部水速，調整和改善了冷卻水的流場分布。

散熱器分離式冷卻設計實現了機車兩種冷卻模式的轉換。

（1）排放模式及循環回路

在排放模式中冷卻水系統的工作原理如圖1所示。由柴油機水泵出來的冷卻水進入柴油機，經過對柴油機冷卻后，一部分冷卻水直接回到水泵前再次進入柴油機循環，另一部分冷卻水則進入主散熱器，經過主散熱器后進入子散熱器1進行進一步的冷卻后，一部分水通過管路、流向控制閥進入機油熱交換器和燃油加熱器，然后回到水泵。另一部分水則進入子散熱器2，得到進一步冷卻的冷卻水進入中冷器冷卻增壓空氣，降低增壓空氣溫度，從而達到降低柴油機排放和增強渦輪增壓器的喘振極限的目的。冷卻水從中冷器出來后與機油熱交換器方向的管路會合后回到水泵。

（2）熱機模式及循環回路

熱機控制模式則是通過控制流向控制閥的轉換，將由子散熱器2出來的最低溫度冷卻水輸送至機油熱交換器及燃油加熱器， 達到對潤滑油的強勁冷卻，以防止柴油機過熱。從子散熱器1出來的冷卻水則通過流向控制閥進入了柴油機中冷器。

HXN5型機車冷卻系統設置有兩個膨脹水箱，膨脹水箱提供散熱器的排氣、冷卻水的膨脹空間和柴油機冷卻系統的補水。當柴油機停機時，散熱器中的水將流回到水箱。

5 散熱器型式試驗

2009年2月至5月，HXN5型機車散熱器在鐵道部產品質量監督檢驗中心內燃機車檢驗站進行了傳熱性能，冷卻水阻力等型式試驗。

5.1 散熱器傳熱性能試驗

考慮到HXN5型機車散熱器實物巨大，國內現有試驗臺無法滿足實物試驗的要求，因此，性能試驗采用模型的方式進行，散熱器的傳熱系數和空氣阻力通過試驗直接得到，而散熱量用該傳熱系數換算到規定工況求得。表2為試驗模型散熱器傳熱性能指標。

表2 試驗模型散熱器傳熱性能指標

試驗工況：

（A） 散熱器進氣溫度為25℃，主散熱器進水溫度80℃，進水流量為7.74m3/h；子散熱器1和子散熱器2的進水溫度為72.75，進水流量為5.53m3/h。

（B）散熱器進氣溫度為25℃，主散熱器進水溫度80℃，進水流量為7.74m3/h；子散熱器1和子散熱器2的進水溫度為72.75，進水流量為2.57m3/h。

根據檢測數據計算結果繪制的Qw=f（Ga）和△Pa=f（Ga）的關系曲線見圖2、3、4

5.2 散熱器冷卻水阻力試驗

測試在規定的冷卻水流量（主散熱器、子散熱器Ⅰ和子散熱器Ⅱ的水流量分別為68.1m3/h、48.8m3/h和22.7m3/h）附近范圍內，選取六個不同冷卻水流量點，依次對三個散熱器單獨進行測試。在對其中一個散熱器測試時，其它兩個散熱器的水流量保持在規定的水流量下不變。表3為散熱器水阻力性能指標。

表3 散熱器水阻力性能指標

主散熱器水阻力隨其進口水流量的變化曲線見圖5。

圖5 主散熱器水阻力隨進口水流量的變化結果

經檢驗，主散熱器的水阻力在進水流量68.07m3/h時為35kPa， 符合試驗大綱的有關要求。

6 裝車性能試驗

2010年7月，HXN5型內燃機車在新疆鄯善進行了高溫性能試驗，在高溫條件下，熱平衡后機車油水溫度正常，機車冷卻模式轉換成功，新型散熱器完全能夠滿足機車冷卻能力要求。

7 結束語

2009年7月，HXN5型內燃機車散熱器通過了鐵道部機車驗收室、戚墅堰機車有限公司和GE公司聯合進行的首件評審認定工作，并于2009年10月開始批量裝車運用。HXN5型內燃機車散熱器國產化的進程，同時也是引進、消化和吸收國外先進設計理念和設計經驗的過程，極大地提高了企業自身的自主研發能力和生產制造能力。

參考文獻

[1]戴繁榮.內燃機車冷卻裝置（第一版）[M].中國鐵道出版社，1993.

[2]HXN5型內燃機車.南車戚墅堰機車有限公司.

[3]HXN5型機車用銅散熱器檢驗報告.鐵道部產品質量監督檢驗中心內燃機車檢驗站，2009.

[4]內燃機車用銅散熱器.中華人民共和國鐵道部標準（TB/T 1160-2006）.