CRH3優(yōu)化項目牽引電機通風道結(jié)構(gòu)設計與分析

王 鑫，王淑玲，李國清，田學靜，張曉玲

（唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山063035）

動車組牽引電機通風道位于車體底部轉(zhuǎn)向架區(qū)域，連接牽引電機和牽引電機通風機，用于給運行中的牽引電機進行通風散熱，防止出現(xiàn)由于牽引電機溫度過高而造成列車運行故障問題。由于動車組運行速度的提高，牽引電機的功率也不斷提升，其散熱的要求也越來越高［1］。

由于車體結(jié)構(gòu)的限制CRH3項目中的牽引電機通風道是焊接在車體底部，利用車體型腔和風道實現(xiàn)牽引電機的通風。而CRH3優(yōu)化項目中，車體結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向架枕梁較CRH3項目而言均發(fā)生變化，導致牽引電機通風道不能直接焊接在車體底部，也不能利用車體型腔的空間進行通風。針對上述問題，在CRH3優(yōu)化項目中對整個風道進行了新的設計，并利用STAR—CCM+仿真軟件對兩種不同方案的通風道分別從空氣流動特性、出口風壓風量分配比例進行了對比。

1 牽引電機通風道模型設計

牽引電機通風道進風口連接牽引電機通風機，出風口為兩個，分別連接轉(zhuǎn)向架懸掛的兩個牽引電機的進風口。根據(jù)牽引電機的散熱要求和牽引電機通風機的送風要求，牽引電機通風道的進風口和出風口的風壓風量要求參見表1。

表1 牽引電機通風道進出口參數(shù)要求

除了考慮牽引電機通風道的外部結(jié)構(gòu)不與車體和轉(zhuǎn)向架造成干涉外，最重要的就是要考慮風道內(nèi)部氣流的分布，通過風道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，來改變氣流分布情況，使得風道兩個出風口處的風壓、風量接近。

經(jīng)過對初期牽引電機通風道模型的修改，最終確定了兩種方案。這兩種方案中進風口大小和位置，出風口大小和位置相同，只是在氣流分布和導流方式有所區(qū)別：方案1是通過風道內(nèi)部空間水平方向分割的形式實現(xiàn)的，方案2是通過風道內(nèi)部空間垂直方向分割的形式實現(xiàn)的，兩種方案的模型如圖1所示。

2 理論公式與仿真計算

2.1 理論公式

牽引電機風道流場的計算分析是基于黏性、穩(wěn)態(tài)雷諾時均形式的質(zhì)量守恒方程，動量守恒方程。以牽引電機風道寬度為特征尺度的流場雷諾數(shù)Re＞106，流場為紊態(tài)流場。計算中采用κ-ε兩方程紊流模型來模擬紊態(tài)流體流動［2］。

圖1 牽引電機通風道兩種方案模型

流場描述微分方程為：

質(zhì)量守恒方程

動量守恒方程

紊流模型描述方程為：紊動能方程：

紊動耗散率方程：

其中u、v、w分別為速度在x、y、z坐標方向上的分量（m／s）；

p為流場壓力（Pa）；ρ為空氣密度（kg／m3）；μ為動力黏度系數(shù)（Pa·s）；μt為紊流黏度系數(shù)（Pa·s）；k為紊流動能（J／kg）；ε為紊流動能耗散率（m2／s3）；C1，C2，Cμ，σk，σε分別為經(jīng)驗常數(shù)，取值為1.44，1.92，0.09，1.0，1.3。

2.2 仿真計算

通過利用流體分析仿真軟件STAR—CCM+對牽引電機通風道內(nèi)部壓力分布和流線分布進行了分析計算［3-4］。在計算中，主要考慮兩點，一是壓力分布情況，在保證出口壓力滿足需求的情況下，避免在部分死角或者拐角等位置出現(xiàn)壓力極大值，對材質(zhì)的強度造成較大的影響；二是速度分布，分析在內(nèi)部是否產(chǎn)生較多渦流，同樣可以對結(jié)構(gòu)的修改提供理論依據(jù)。

（1）壓力分布

方案1牽引電機通風道壓力分布如圖2、圖3所示。方案2牽引電機通風道壓力分布如圖4、圖5所示。

（2）流速分布

方案1牽引電機通風道內(nèi)部流線分布如圖6所示，方案2牽引電機通風道的內(nèi)部流線分布如圖7所示。

圖2 方案1風道底部壓力云圖

圖3 方案1風道頂部壓力云圖

圖4 方案2風道底部壓力云圖

圖5 方案2風道頂部壓力云圖

圖6 方案1風道內(nèi)部流線示意圖

圖7 方案2風道內(nèi)部流線示意圖

3 結(jié)果比較與分析

計算結(jié)果與設計要求的對比情況如表2所示。

經(jīng)過軟件仿真計算，可以看出方案1近端和遠端的流量分配比例為48.6∶51.4，出口靜壓差約為400Pa；方案2的近端和遠端的流量分布比例為50.3∶49.7，出口靜壓差約為18Pa。由此可以看出，方案2更符合兩個出口流量、壓力分布均勻的要求。

表2 仿真計算結(jié)果

4 結(jié) 論

通過對牽引電機通風道的設計、仿真計算和方案2樣件試驗驗證，可以得出以下結(jié)論：

（1）在牽引電機通風道的設計時，應當重點考慮的因素就是氣壓氣流的分布和導流方式，避免出現(xiàn)不必要的渦流現(xiàn)象和空間上的浪費；

（2）通過仿真軟件STAR—CCM+可以確定風道內(nèi)部靜壓分布和氣流速度場，以及兩出風口風量分布，經(jīng)試驗驗證，仿真結(jié)果可信度高；

（3）根據(jù)仿真結(jié)果選擇的方案通過試驗測試，仿真結(jié)果與實際試驗結(jié)果數(shù)值相接近，達到了設計要求；

（4）根據(jù)仿真軟件STAR—CCM+的仿真結(jié)果調(diào)整風道結(jié)構(gòu)，可以減少樣件生產(chǎn)和試驗周期。

［1］王惠玉，芮 斌，焦立新.機車牽引電機冷卻風道空氣流場的分析［J］.內(nèi)燃機車，2003，（5）：11-15，23.

［2］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［3］張小軍，胡欲立，王耀霆，等.CFD技術(shù)在求解電子系統(tǒng)風道特性上的應用研究［J］.彈箭與制導學報，2006，（S1）：156-158.

［4］吳春玲，牟江峰，劉雙喜，等.基于STAR CCM+對排氣系統(tǒng)進行參數(shù)化設計和優(yōu)化［J］.裝備制造技術(shù)，2011，（7）：50-52，56.