在高温高风沙环境的动车组牵引变压器冷却单元的设计研究

　　我国目前高速铁路线路已投入运用2 万余公里，主要集中在我国东部、中部以及南部，西部地区仅有2014 年12 月底开通的兰新线，目前我国能适应高海拔、高温、高风沙条件的动车组仅有250km/h CRH5 型动车组。随着我国西部大开发的深入进行，西部地区对高速铁路的需求必将大幅提高，而高铁线路的增加，必将需要速度等级更高的300 km/h及以上的动车组产品。
　　本项目研制的牵引变压器冷却单元配套于350 km/h动车组，将运用于海拔较高、气温较高、并有大面积的戈壁、沙漠且风沙严重、自然环境比较恶劣的区域，因此比既有高速动车组提出了更高的环境适应性要求。
　　1 冷却单元的构成和原理
　　高温高风沙动车组牵引变压器冷却单元由空气过滤器、油冷却器、离心风机组、钢结构和风机箱体等部件组成，风机箱体与承重框架之间通过减振设计结构相连。
　　牵引变压器冷却单元工作时，牵引变压器中的冷却油在油泵的作用下进入油冷却器芯体，在油冷却器芯体内与外部冷却空气进行热交换，被冷却后的油再流回牵引变压器，完成对牵引变压器的冷却。同时，离心风机组在电机的带动下旋转，强迫冷却空气沿列车横向流向油冷却器，冷却空气与冷却器芯体内的高温油进行热交换，吸收热量后经风机出风口吹向动车组车下。
　　2 牵引变压器冷却单元设计
　　2. 1 动车组的运行条件
　　在正常行驶时会遇到如刮风、起沙、下雨和降雪等自然现象，偶尔也会遭遇盐雾、酸雨和沙尘暴。
　　2. 2 性能指标
　　本文介绍的高温高风沙动车组牵引变压器冷却单元与CRH380BL 型动车组牵引变压器冷却单元的性能指标对比如表1 所列，其外形尺寸、总的辅助功率消耗等指标与CRH380BL 型动车组牵引变压器冷却单元一致。
　　由传热学和风机空气动力学原理可知，冷却器的散热能力与冷却介质的温度与环境温度之差，以及冷却器中冷却空气质量流量成正比，与冷却空气的密度成反比。与平原运用相比，当动车组在高温、高海拔环境中运行时，其牵引变压器冷却单元的冷却能力将降低。
　　由表1 经过计算可知，高温高风沙动车组牵引变压器冷却单元的散热量指标较CRH3 型动车组提高26. 6%。在外形和接口尺寸不变，总的辅助功率消耗指标不变的情况下，冷却单元的额定冷却能力要提高26. 6%。若要达到该技术要求，只能通过提高冷却单元的换热效率来实现，而对于目前已经成型的散热器结构和叶轮叶型来说，该技术要求是苛刻的。在本设计中对冷却单元高温运行条件下的系统集成技术进行研究和试验验证，研制出能适应高温、高风沙、高海拔的运行环境，结构紧凑，换热效率高的牵引变压器冷却单元。
　　2. 3 牵引变压器冷却单元及关键部件的设计
　　2. 3. 1 冷却单元
　　高温高风沙动车组车下设备舱采用防风沙结构，在动车组车体侧裙板冷却单元进风口处设置2个空气过滤器，邻近侧裙板上再各设置1 个，这样减少了冷却空气在空气过滤器中的通风阻力，而在牵引变压器冷却单元进风口至设置金属防护网，使动车组车体侧裙板空气过滤器和冷却单元的冷却空气通道的总空气阻力不大于CRH380BL 型动车组。在其他冷却单元的结构形式上保持与CRH380BL 型动车组牵引变压器冷却单元相同。
　　2. 3. 2 离心风机组
　　离心风机组设计难点在于需要在有限功率和空间尺寸的条件下，流量在2. 5 m3 /s时，静压力要达到2 700 Pa 以上。本设计为提高风机性能，风机叶轮叶型采用效率较高的后向圆弧形式，既保证风机流量和压力的要求，又具有较高效率。风机组由叶轮、集流器、电机及安装板等组成，如图2 所示。电机和安装板通过螺栓连接，叶轮通过轴头螺栓压装在电机上，整个风机通过安装板装在箱体上。叶轮旋向与轴头螺栓旋向相反，且在轴头螺栓加螺纹紧固胶及自锁垫圈，从而达到叶轮防松的目的。
　　通过进行离心风机的启动设计和多次的改进优化，并对优化后的风机进行了仿真计算，为确保计算精度，采用了循环对称法。数值模拟得到的风机静压等值图和相对速度矢量图如图3 所示。
　　2. 3. 3 油冷却器
　　2. 3. 3. 1 结构设计
　　油冷却器采用铝板翅式结构，由于冷却器的热性能主要取决于冷却空气散热翅片的传热性能，在本项目的研制过程中，分别对百叶窗型翅片、错口型翅片和平直型翅片等进行了计算分析和试验验证。经综合比较，在有限空间条件下，由错口翅片构成的冷却器单位消耗功率下，其传热性能最佳，因此冷却器空气散热翅片采用错口型翅片。油冷却器由冷却芯体、油室、进出油法兰和吊装座等零部件构成，冷却芯体采用铝制板翅式结构，由空气侧散热翅片、油侧散热翅片、空气侧封条、油侧封条、隔板和侧板构成，
　　2. 3. 3. 2 可靠性设计
　　通过对电力动车组冷却器运用情况进行调研分析，对目前普遍存在的冷却器漏液原因进行了一系列试验研究，包括: 冷却器原材料分析; 冷却器焊接工艺和表面处理工艺对铝冷却器可靠性的影响分析; 动车组运营环境冷却空气中灰尘杂质的颗粒度分析; 吸附在冷却器表面的灰尘杂质成分分析等。经过分析，冷却器泄漏原因主要由以下因素综合作用造成:
　　( 1) 环境空气中所含灰尘颗粒等造成冷却器表面涂层损伤和脱落，使冷却芯体复合板本体因失去表面涂层的保护而暴露在高温和高湿的环境中。
　　( 2) 环境空气中含有金属Fe、Cu，非金属C、S、Cl 等或其化合物，这些物质与铝发生化学或电化学反应，对冷却芯体复合板本体产生腐蚀。
　　( 3) 冷却器芯体在钎焊过程中由于钎焊工艺不合理造成的冷却芯体复合板熔蚀缺陷，影响材料性能而导致腐蚀泄漏。针对上述引起冷却器漏液的失效原因，进行了包括铬化、化学氧化、电泳和阳极氧化等几种表面处理方案的漆膜硬度、耐磨性及耐盐雾性试验研究。试验结果表明: 电泳涂层的硬度、耐磨性和耐腐蚀性均较好。因此，该冷却器采用电泳方式进行表面防护。
　　2. 3. 4 减振和降噪设计
　　高温高风沙动车组牵引变压器冷却单元安装在车体底部，冷却单元内风机叶轮高速旋转会产生振动和噪音，如果风机与其他设备采用刚性连接，会降低牵引变压器的使用寿命，影响车内的舒适度。目前消除振动和噪音最好的办法是采用悬挂式橡胶减振器，因此该冷却单元的风机箱体和框架之间采用悬挂式橡胶减振器的软连接方式，利用减振器的弹性变形，减轻风机对其他结构的激励，减少振动的传递，隔绝固体声的传播。
　　在本设计中考虑到风机箱体和风机组的重心位置、重量、安装位置等因素，采用两种不同的减振器进行连接，靠近油冷却器一侧的两个减振器采用同一型号的减振器，另两个靠近电机尾部的减振器为另一型号减振器，更好地实现减振和降噪的作用。
　　2. 3. 5 结构强度分析
　　为保证牵引变压器冷却单元在车辆运行过程中的安全可靠性，对其在相应荷载作用下的强度进行数值模拟分析和评价，分析载荷依据EN126632010 标准进行，对冷却单元在运营载荷、振动和冲击载荷下的静强度进行分析和校核，见图5。分析表明: 冷却单元结构整体的应力水平适中，局部应力集中区应力稍大，但均未超出许用应力值。模态是结构各阶振型及其固有频率的总称，属于结构的固有特性，与结构在动态条件下的运用品质有着密切的联系。该项目通过有限元仿真的方法对冷却单元进行模态分析，冷却单元的前12 阶固有频率和振型描述见表2。分析表明: 冷却单元的结构固有模态避开了车体装备自振频率和工作频率风机的工作频率。
　　3 试制和试验验证
　　3. 1 离心风机组的试验验证
　　离心叶轮、电机和电机安装板通过紧固件装配成离心风机组，需要对该组装部件进行性能验证和振动测试。试验结果表明，离心风机组风量、最大静压、额定功率均达到指标要求。
　　3. 2 油冷却器的试验验证
　　油冷却器需要进行单独的热性能确认，通过油冷却器热性能试验台，模拟油冷却器实际工况，测试油冷却器热性能和油( 空气) 压力损失。因试验是在0 m 海拔工况下进行的，而技术要求是油冷却器1 500 m海拔下的性能指标，因此，用传热学相似理论，要将0 m 海拔下的试验结果折算成1 500 m海拔下的结果。
　　3. 3 冷却单元整机的试验验证
　　3. 3. 1 试验项目
　　为验证冷却单元是否能够满足高速动车组技术要求，特委托第三方机构进行相关型式试验验证。试验项目有: 外观、标志检查，漆膜检查，尺寸检查，安全性检查，重量检查，密封性试验，风机旋向、电气参数检查，绝缘电阻试验，耐电压试验，性能、压差试验，噪音试验，振动和冲击试验，高温试验，低温存放试验，盐雾试验。
　　3. 3. 2 试验结果
　　高温高风沙动车组牵引变压器冷却单元型式试验的主要数据整理对比如表3 所列，所有的机械接口、电气接口、性能参数等均满足技术规范要求。
　　在司机室模拟界面将蓄电池开关打到ON 位置，此时电气控制原理图将由蓄电池提供DC110V 电源。将占用钥匙打到ON 位置，方向开关打到向前位置，将受电弓开关推至升弓位置。升弓继电器21-K19 得电吸合，
　　将主断/高断开关打到ON位置。由于此时模拟的是交流网压，因此应为主断闭合。中央控制单元根据采集到的司机室占用信息、网压信息等进行综合判断。如果满足主断闭合条件，会产生主断闭合指令A1114 = 1。中央控制单元通过MVB 将主断闭合指令发送给工控机电路图仿真模型，使得主断环路建立。主断环路状态如图8 所示，主断闭合成功。
　　4 结语
　　本文是基于市域动车组列车网络开发项目，依据Controlbuild 软件对实际列车电气控制原理图( 网络控制部分) 进行了仿真，并对列车网络子系统进行了仿真，最终搭建列车网络控制试验台，并测试了网络控制功能。