內(nèi)燃機(jī)車膨脹水箱設(shè)計

夏芳

摘 要：以出口蘇丹CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車為例，結(jié)合機(jī)車柴油機(jī)和散熱器的要求，對膨脹水箱的容積計算、主要配件選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計及安裝進(jìn)行了說明及探討。

關(guān)鍵詞：膨脹水箱；容積計算；水位控制；冷卻系統(tǒng)

中圖分類號：U262 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）09-0126-02

Abstract： Taking CKD8S diesel locomotive exported from Sudan as an example， and in accordance with the requirements of diesel engine and radiator of locomotive， the volume calculation， selection of main fittings， structural design and installation of expansion tank are described and discussed.

Keywords： expansion tank； volumetric calculation； water level control； cooling system

前言

近幾年，隨著中國鐵路跨越式發(fā)展戰(zhàn)略的提出，我國出口內(nèi)燃機(jī)車也在不斷增多。出口內(nèi)燃機(jī)車在世界不同市場的運(yùn)用，促進(jìn)了機(jī)車整體質(zhì)量的提升，對于冷卻系統(tǒng)中的膨脹水箱有了更高標(biāo)準(zhǔn)。因此，精細(xì)設(shè)計膨脹水箱也是必然之要求。膨脹水箱是內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)中的部件之一，作用是為柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)儲備冗余冷卻水，排出柴油機(jī)冷卻過程所產(chǎn)生氣體并對循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水。膨脹水箱的精確設(shè)計匹配，才能保證冷卻系統(tǒng)正常工作。膨脹水箱設(shè)計主要包括：容積計算、主要配件選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計及安裝等。本文以出口蘇丹CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)為例，介紹膨脹水箱的設(shè)計和注意事項。

1 容積計算

膨脹水箱的容積要結(jié)合理論容積和實(shí)際容積計算來確定。

1.1 理論容積計算

1.1.1 系統(tǒng)水容積

蘇丹CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車采用美國卡特彼勒公司的CAT3516B型柴油機(jī)，系統(tǒng)中的水包括柴油機(jī)、散熱器和冷卻水管系的水，各儲水部位具體容積如下：

CAT3516B柴油機(jī)內(nèi)部水：233L

散熱器的水： 129L

冷卻水管系的水： 33L

綜上，系統(tǒng)水容積為233+129+33=395L。

1.1.2 額定容積（溢水位到水箱底）

溢水位（見圖1）到水箱底的容積是儲水容積，即額定容積。溢水位是膨脹水箱的最高水位，當(dāng)膨脹水箱加水超過溢水位時，多余的水自動從溢水管中排出。根據(jù)我公司設(shè)計經(jīng)驗，該部分容積一般取系統(tǒng)水容積的15%。因此，膨脹水箱的額定容積為395×15%=59.25L。

1.1.3 膨脹容積（溢水位到水箱頂）

機(jī)車運(yùn)行過程中，冷卻系統(tǒng)最高水溫將超過90℃。隨著溫度升高，系統(tǒng)中的水密度變小，容積也不斷增加，因此需要給冷卻系統(tǒng)留出膨脹空間，即預(yù)留膨脹水箱的膨脹容積。由于水在4℃時的體積最小，當(dāng)水溫由4℃升到95℃時，水的加熱膨脹系數(shù)為0.03958。冷卻系統(tǒng)水容積包括系統(tǒng)水容積和膨脹水箱額定容積，因此冷卻系統(tǒng)水的膨脹量為：（395+395×15%）×0.03958=18L，即膨脹容積至少需要18L。

1.1.4 理論容積

膨脹水箱的容積包括額定容積和膨脹容積，即蘇丹CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車水箱的理論容積為：

V'=59.25+18=77.25L。

1.2 實(shí)際容積計算

（1）實(shí)際容積。考慮延長冷卻液加裝周期的要求，并類比我公司相似車型，膨脹水箱實(shí)際設(shè)計時會在理論計算的基礎(chǔ)上增大容積。在滿足機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)補(bǔ)水需要以及車上空間允許的情況下，將蘇丹CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車膨脹水箱外形尺寸設(shè)計為：長×寬×高=1800×458×309（單位：mm，見圖1），總?cè)莘eV =202L。膨脹水箱頂部留40L膨脹空間，可儲水162L。（2）實(shí)際膨脹容積（溢水位到水箱頂）。根據(jù)《卡特彼勒3500B機(jī)車發(fā)動機(jī)操作和保養(yǎng)手冊》，CAT3516B型柴油機(jī)要求膨脹容積不少于冷卻系統(tǒng)水容積的5%。因此，蘇丹CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車膨脹水箱的膨脹容積應(yīng)不少于（395+395×15%）×0.05=22.7L，理論容積計算的18L膨脹空間不滿足要求。結(jié)合我公司相似車型經(jīng)驗，為防止膨脹水箱誤加滿沖頂壓力調(diào)節(jié)閥，因此適當(dāng)加大膨脹容積。即設(shè)定膨脹容積為40L，保證了膨脹空間足夠的裕量。（3）實(shí)際額定容積（溢水位到水箱底）。實(shí)際額定容積指減去膨脹空間后的儲水容積，是機(jī)車整備后膨脹水箱的額定容積，即有效容積。蘇丹CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車膨脹水箱的實(shí)際額定容積為202-40=162L。（4）報警容積（報警水位以下）。報警水位（見圖1）指最低使用水位，低水位報警的作用是提醒司乘人員適時補(bǔ)水。蘇丹CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車膨脹水箱報警容積設(shè)定為60L。

2 主要配件選型

膨脹水箱的主要配件包括液位器、液位開關(guān)和壓力調(diào)節(jié)閥等，選用合適的配件對于確保水箱功能有著重要意義。

2.1 液位器

蘇丹CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車選用了自閉式玻璃管液位器，型號 STIC-316H（DS）。該液位器安裝在膨脹水箱的前方中間位置，通過液位器的玻璃外罩可直觀觀察水位。液位器也可以對稱布置在水箱兩側(cè)，工作人員在機(jī)車左、右兩側(cè)均可以隨時觀察水位高度。

2.2 液位開關(guān)

液位開關(guān)是膨脹水箱的低水位報警裝置，安裝在水箱的報警水位高度，與司機(jī)室控制臺的報警裝置通過電信號連接。蘇丹CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車采用的液位開關(guān)型號為TD-YK-1，當(dāng)膨脹水箱的水低于報警水位時，司機(jī)室控制臺會有報警顯示。液位開關(guān)的具體型號選擇要參考機(jī)車柴油機(jī)的要求。有些型號的液位開關(guān)設(shè)有兩級報警裝置：一次報警停機(jī)，二次報警卸載。這種液位開關(guān)靈敏度更高，更能確保柴油機(jī)安全工作。

2.3 壓力調(diào)節(jié)閥

壓力調(diào)節(jié)閥主要用于調(diào)節(jié)膨脹水箱內(nèi)壓力，使水箱保持一定的正壓，防止系統(tǒng)水因水溫過高氣化流失；也能夠保證水箱向循環(huán)系統(tǒng)形成補(bǔ)水正壓，形成閉式壓力冷卻系統(tǒng)。蘇丹CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車安裝了柴油機(jī)自帶的壓力調(diào)節(jié)閥（型號：4N-3311），壓力50kPa。當(dāng)膨脹水箱內(nèi)壓力高于大氣壓50kPa時，壓力調(diào)節(jié)閥自動打開排出水汽；反之，當(dāng)水位下降時，又可以及時向水箱內(nèi)補(bǔ)氣，以保證水箱內(nèi)正壓。壓力調(diào)節(jié)閥的使用，使整個冷卻系統(tǒng)的安全性、可靠性大幅提高，也提高了系統(tǒng)的冷卻能力。

3 結(jié)構(gòu)與安裝

3.1 結(jié)構(gòu)

內(nèi)燃機(jī)車膨脹水箱一般采用鋼板焊接的箱型結(jié)構(gòu)（見圖1），外形設(shè)計考慮盡量利用車內(nèi)空間以及安裝的便利性。為了保證膨脹水箱的強(qiáng)度，在內(nèi)部采用了隔板和角鋼的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，即兩塊支撐隔板對稱布置。隔板中間開孔以便于水的流通，確保水箱內(nèi)部壓力均勻。另外，由于蘇丹CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)是單循環(huán)系統(tǒng)，對于分高、低溫兩路獨(dú)立循環(huán)的冷卻系統(tǒng)，膨脹水箱設(shè)計時要根據(jù)容積計算給水箱內(nèi)部加裝高、低溫水隔板。膨脹水箱的蓋板上設(shè)有兩個檢查孔蓋，以備日常觀察、維修使用。膨脹水箱通過補(bǔ)水管與冷卻水系統(tǒng)連通，及時補(bǔ)充系統(tǒng)的水分損失，保證了系統(tǒng)水量穩(wěn)定。同時，補(bǔ)水管接管通至機(jī)車兩側(cè)，可用于機(jī)車日常補(bǔ)水。機(jī)車上水時，打開溢水管通至車下水管中的閥門，使多余的水排掉，水箱加滿水后關(guān)閉閥門。

3.2 安裝位置

為確保冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水以及順利排氣，膨脹水箱一般安裝在冷卻系統(tǒng)的最高點(diǎn)，即高于柴油機(jī)和散熱器的位置。近年來，我公司在出口蘇丹、坦贊、剛果（金）等內(nèi)燃機(jī)車設(shè)計中，冷卻系統(tǒng)普遍采用大片頂置式散熱器，且均安裝在冷卻室的最高點(diǎn)。在這種情況下，膨脹水箱的安裝無法完全高于散熱器。通過對膨脹水箱實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行分析，當(dāng)膨脹水箱水位低于報警水位時，司機(jī)室控制臺有報警顯示提示補(bǔ)水。因此，蘇丹CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車膨脹水箱的安裝確保了報警水位（最低使用水位）高于散熱器的最高水位，這樣可以實(shí)現(xiàn)水箱額定容積（有效容積）的最充分使用。

4 結(jié)束語

柴油機(jī)是內(nèi)燃機(jī)車的心臟，能夠保證其正常工作的正是冷卻系統(tǒng)，而膨脹水箱的精準(zhǔn)設(shè)計，對于保證冷卻系統(tǒng)的排氣、進(jìn)氣以及向循環(huán)系統(tǒng)補(bǔ)水是至關(guān)重要的。出口蘇丹CKD8S型內(nèi)燃機(jī)車投入運(yùn)營情況表明，本車膨脹水箱結(jié)構(gòu)合理，智能性和可控性相較過去車型均有大幅提高，完全滿足機(jī)車運(yùn)用要求。內(nèi)燃機(jī)車膨脹水箱的設(shè)計，要充分參考柴油機(jī)操作和保養(yǎng)手冊等文件，明確柴油機(jī)對膨脹水箱容積計算及配件選型的要求；柴油機(jī)有自帶配件的，要優(yōu)先使用。另外，散熱器對膨脹水箱的容積計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝的影響也要充分考慮。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇喜慶，何帥.基于水位控制的膨脹水箱選型計算新方法[J].制冷與空調(diào)，2014.

[2]趙俊勇.CKD8E型內(nèi)燃機(jī)車膨脹水箱設(shè)計[J].鐵道機(jī)車與動車，2017.

[3]王磊.膨脹水箱容積計算及布置原則[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2016.

[4]楊世銘.傳熱學(xué)（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[5]黃玉峰.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，1988.