頂置式水冷卻裝置可靠性設(shè)計(jì)

李海倫　周美旺　周美志

摘要：介紹了內(nèi)燃動(dòng)車組用頂置式水冷卻裝置的技術(shù)特點(diǎn)，總體結(jié)構(gòu)，采用ANSYS有限元仿真分析軟件仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法驗(yàn)證水冷卻裝置的可靠性，結(jié)果表明新研制的頂置式水冷卻裝置能夠滿足內(nèi)燃動(dòng)車組的要求，其技術(shù)可為同類產(chǎn)品提供較好的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃動(dòng)車組;頂置式;水冷卻裝置;可靠性

0 ?引言

頂置式水冷卻裝置（以下簡(jiǎn)稱水冷卻裝置）的研制，可有效解決列車高速行駛時(shí)，帶有大量灰塵和微粒的冷空氣堵塞內(nèi)燃動(dòng)車組車下安裝式冷卻裝置散熱器翅片中的空氣通道，致使散熱器的傳熱能力降低。同時(shí)此結(jié)構(gòu)緊湊，換熱能力強(qiáng)，日常工作維護(hù)量小，便于安裝，優(yōu)化了整個(gè)車體的布局。

1 ?水冷卻裝置性能指標(biāo)

2 ?水冷卻裝置的總體方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)

水冷卻裝置由水散熱器（兩個(gè)）、鋁框架、風(fēng)機(jī)組（兩個(gè)）、膨脹水箱、防塵網(wǎng)（兩個(gè)）、風(fēng)扇防護(hù)網(wǎng)、接線盒組裝、水管路等組成一個(gè)模塊整體裝配在動(dòng)車組車頂部，方便安裝、拆卸，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

2.2 工作原理

水冷卻裝置工作時(shí)，冷卻介質(zhì)的在柴油機(jī)內(nèi)置水泵的作用下進(jìn)入水散熱器，在水散熱器芯體內(nèi)與冷卻空氣進(jìn)行強(qiáng)迫通風(fēng)換熱，冷卻后流回柴油機(jī)，完成柴油機(jī)缸套冷卻水循環(huán)。同時(shí)，吸收熱量后的冷卻空氣從水冷卻裝置頂部排出。

鋁框架內(nèi)部分隔兩個(gè)獨(dú)立的冷卻風(fēng)道，葉輪采用軸流葉輪，電機(jī)采用變頻或雙速控制，可根據(jù)冷卻介質(zhì)溫度對(duì)兩葉輪分別進(jìn)行獨(dú)立控制，工作原理示意圖見(jiàn)圖2。

3 ?可靠性設(shè)計(jì)

3.1 水散熱器的防腐處理

水散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮其性能和可靠性要求，采用硬度、耐磨性和耐腐蝕性均較好的電泳涂裝工藝進(jìn)行表面防護(hù)。

3.2 水冷卻裝置的可靠性設(shè)計(jì)

水冷卻裝置內(nèi)的風(fēng)機(jī)組和框架為剛性連接，葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)傳遞到整個(gè)裝置上，若水冷卻裝置振動(dòng)速度過(guò)高，會(huì)降低裝置的可靠性，影響列車內(nèi)的舒適性。

采用ANSYS有限元仿真分析軟件進(jìn)行水冷卻裝置的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及模態(tài)仿真分析，并進(jìn)行振動(dòng)速度的試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證水冷卻裝置的自振固有頻率接近或等于風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率時(shí)的可靠性。

3.2.1 強(qiáng)度仿真分析

為保證水冷卻裝置在車輛運(yùn)行過(guò)程中的安全可靠性，對(duì)其在運(yùn)營(yíng)載荷、振動(dòng)和沖擊載荷下的靜強(qiáng)度進(jìn)行分析和校核，分析中載荷的加載依據(jù)EN12663-2010標(biāo)準(zhǔn)。

在沖擊載荷作用下，水冷卻裝置鋁結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在安裝座固定處，風(fēng)機(jī)組鋼結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在風(fēng)機(jī)安裝板中間固定孔處，在運(yùn)營(yíng)載荷組合工況下，整個(gè)水冷卻裝置上的應(yīng)力水平均較低，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

通過(guò)分析可知，水冷卻裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，其靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度均完全滿足要求。

3.2.2 模態(tài)仿真分析

模態(tài)是指機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)都有特定的固有頻率和模態(tài)振型。利用ANSYS有限元仿真分析軟件計(jì)算出單個(gè)風(fēng)機(jī)組固有頻率，其中一階自振固有頻率為26.63Hz，0-50Hz頻率范圍內(nèi)存在多個(gè)自振固有頻率，若接近或等于風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，會(huì)產(chǎn)生共振，故對(duì)風(fēng)機(jī)組結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

優(yōu)化后單風(fēng)機(jī)一階自振固有頻率為82.843Hz，振型特征為風(fēng)機(jī)組整體的垂向振動(dòng)，避開(kāi)風(fēng)機(jī)的0-50Hz調(diào)頻范圍，水冷卻裝置整體的一階自振固有頻率46.733Hz，振型特征為水箱的局部振動(dòng)，振型見(jiàn)圖3（a）所示。同時(shí)，應(yīng)用諧響應(yīng)法預(yù)測(cè)水冷卻裝置在不同頻率和幅值的簡(jiǎn)諧載荷下的響應(yīng)，探測(cè)共振。仿真計(jì)算得到單風(fēng)機(jī)的三向振動(dòng)速度均滿足JB/T8689-2014標(biāo)準(zhǔn)要求，水冷卻裝置水箱側(cè)安裝座振動(dòng)速度變化明顯，在頻率46.733Hz出現(xiàn)峰值，但振動(dòng)速度2.74mm/s滿足內(nèi)燃動(dòng)車組設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)圖3（b）所示。

單個(gè)風(fēng)機(jī)組自振固有頻率避開(kāi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)0-50Hz的激振頻率，水冷卻裝置的自振固有頻率雖會(huì)接近風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，但振動(dòng)速度滿足設(shè)計(jì)要求，故可進(jìn)行樣機(jī)的試制，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2.3 水冷卻裝置的試制和試驗(yàn)驗(yàn)證

基于仿真結(jié)果的指導(dǎo)性，采用手持式振動(dòng)儀對(duì)電機(jī)、水冷卻裝置安裝座進(jìn)行振動(dòng)速度的測(cè)試。

在單風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)量電機(jī)軸承處的三向振動(dòng)速度均小于4.6mm/s，滿足JB/T8689-2014標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖4（a）所示。

在雙風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在46Hz附近存在共振頻率，水冷卻裝置水箱側(cè)安裝座的振動(dòng)速度出現(xiàn)峰值2.53mm/s，但小于內(nèi)燃動(dòng)車組設(shè)計(jì)要求7.1mm/s，受共振影響，水箱側(cè)安裝座三向振動(dòng)速度變化明顯，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4（b）所示。

對(duì)比仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果，振動(dòng)速度曲線的趨勢(shì)和數(shù)值基本一致，仿真和試驗(yàn)相結(jié)合對(duì)水冷卻裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地控制共振問(wèn)題，提高水冷卻裝置的可靠性。

4 ?結(jié)論

頂置式水冷卻裝置的設(shè)計(jì)合理，能夠滿足內(nèi)燃動(dòng)車組的技術(shù)要求。水冷卻裝置的整體集成技術(shù)研究，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃動(dòng)車組水冷卻裝置的模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡(jiǎn)便，維護(hù)工作量小，優(yōu)化了車體的整體安裝布置，為國(guó)內(nèi)內(nèi)燃動(dòng)車組的運(yùn)用提供了一種新的冷卻技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]EN12663-2010， Railway applications - Structural requirements of railway vehicle bodies.

[2]EN1999-1-3：2007， Eurocode 9： Design of aluminium structures-Part 1-3： fatigue.

[3]EN1999-1-3：2007， Eurocode 3： Design of steel structures-Part 1-9： fatigue.

[4]JB/T8689-2014，通風(fēng)機(jī)振動(dòng)檢測(cè)及其限值[S].

作者簡(jiǎn)介：李海倫（1986-），女，遼寧大連人，碩士，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)閾Q熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。