電力機車司機室隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計及隔熱性能測試

安轉(zhuǎn)青，趙志強，李緒泉(.中車大同電力機車有限公司，大同 037038；.青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 66033)

電力機車司機室溫度是影響司乘人員日常工作舒適度的一項重要指標，要保證司機室溫度符合鐵道行業(yè)標準[1]要求，減少能耗，除了安裝空調(diào)系統(tǒng)以外，還要求司機室具有一定的隔熱性能.隔熱性能主要由隔熱材料和隔熱結(jié)構(gòu)決定，為保證司機室具有良好的隔熱性能應(yīng)采取以下措施：采用導(dǎo)熱系數(shù)低的隔熱材料、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的密封設(shè)計.

本文以電力機車司機室為研究對象，從隔熱材料的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計及密封設(shè)計[2]三方面介紹司機室隔熱設(shè)計[3]方法；并通過試驗測量表征司機室整體隔熱性能的傳熱系數(shù)K值，驗證此種隔熱結(jié)構(gòu)的可靠性和設(shè)計方法的合理性.

1 司機室結(jié)構(gòu)介紹

電力機車司機室由司機室鋼結(jié)構(gòu)和司機室裝修組成.鋼結(jié)構(gòu)主要作用是承載和受力，并為司機室裝修提供空間和支撐，司機室鋼結(jié)構(gòu)由前墻、側(cè)墻、頂蓋三個模塊組成，鋼結(jié)構(gòu)采用閉合箱型梁結(jié)構(gòu)，為壓形件與鋼板焊接而成.司機室裝修的主要功能是將外露的鋼結(jié)構(gòu)、保溫填料及管線設(shè)備等用裝修材料包裹，美化司機室內(nèi)部空間，通過裝修還可提高司機室整體隔熱、降噪性能.裝修包括前窗、側(cè)窗、入口門、機械間門及地板、保溫填料、內(nèi)飾板的安裝.司機室結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 司機室結(jié)構(gòu)

2 隔熱設(shè)計

2.1 隔熱材料的選擇

隔熱材料的選擇應(yīng)綜合考慮導(dǎo)熱系數(shù)、經(jīng)濟成本、環(huán)保、裝配工藝等因素.聚丙烯發(fā)泡塑料的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.03 W/(m·K)，且具有無毒、無味、經(jīng)濟、易于安裝等優(yōu)點，因此某型電力機車頂蓋、側(cè)墻、前墻、地板模塊保溫材料均采用聚丙烯發(fā)泡塑料.后墻采用降噪、保溫效果較好的歐文斯科寧玻璃棉板，導(dǎo)熱系數(shù)為λ=0.03 W/(m·K)，同時在后墻外側(cè)粘貼隔音保溫板，提高后墻隔熱性能.司機室內(nèi)部裝修采用導(dǎo)熱系數(shù)為λ=0.4 W/(m·K)的玻璃鋼裝飾板.

2.2 隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

1) 由蓋板、防寒填料、玻璃鋼裝飾板組成的三層平壁結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)隔熱性能較好，是理想的隔熱結(jié)構(gòu)，同時可通過改變中間防寒填料層的材料和厚度提高隔熱性能.電力機車司機室大量采用這種平壁結(jié)構(gòu)，保證隔熱性能.

2) 槽鋼與蓋板組焊成的閉合箱型梁結(jié)構(gòu)外覆玻璃鋼裝飾板.盡管槽鋼是產(chǎn)生冷橋的主要結(jié)構(gòu)，但是這種箱型結(jié)構(gòu)能夠保證司機室所必須的強度和剛度，因此箱型結(jié)構(gòu)在機車鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中被大量采用.箱型結(jié)構(gòu)槽鋼內(nèi)封閉有105 mm厚的空氣層，空氣層導(dǎo)熱系數(shù)為λ=0.04 W/(m·K),導(dǎo)熱系數(shù)接近于防寒填料聚丙烯發(fā)泡塑料的導(dǎo)熱系數(shù)，但是由于空氣的流動性，增加對流換熱效應(yīng)，因此，這種結(jié)構(gòu)的隔熱能力比平壁結(jié)構(gòu)要差，但卻是保證司機室強度和剛度必不可少的結(jié)構(gòu).

3) 側(cè)窗由 5+6A+5(5 mm玻璃+6 mm空氣+5 mm玻璃)安全中空玻璃和鋁型材窗框組成.雙層中空玻璃的傳熱系數(shù)為K=3.4 W/(m2·K)[4]，鋁型材窗框因其質(zhì)量輕、易成型在鐵路行業(yè)廣泛應(yīng)用，但是鋁型材窗框的傳熱系數(shù)較大(K=6.2 W/(m2·K))，這不代表由它構(gòu)成的側(cè)窗系統(tǒng)傳熱系數(shù)會很大.根據(jù)文獻[5-6]提供的窗戶傳熱系數(shù)簡化計算方法可知，側(cè)窗系統(tǒng)的傳熱系數(shù)與玻璃和窗框的傳熱系數(shù)及窗框占側(cè)窗系統(tǒng)的面積比有關(guān)，當已知玻璃和窗框的傳熱系數(shù)時，窗框的面積占比越小，側(cè)窗系統(tǒng)的傳熱系數(shù)越小.已知玻璃、窗框的傳熱系數(shù)和鋁型材窗框面積占比(19.8%)，玻璃占比(80.2%)，窗戶系統(tǒng)的傳熱系數(shù)可通過查閱窗戶K值計算表[6]得出：K=3.7 W/(m2·K).可見，通過合理控制鋁窗框面積占比，可以改善側(cè)窗系統(tǒng)的隔熱性能.

4) 前窗為鋁型材窗框與電加熱夾層玻璃組成.前窗玻璃為抗沖擊安全夾層玻璃，夾層玻璃結(jié)構(gòu)為：6 mm無色透明玻璃+1 mmPVB+1 mmPVB+5 mm無色透明玻璃+1 mmPVB+6 mm無色透明玻璃.已知無色透明玻璃和PVB的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1和0.236 W/(m·K)，可以利用式(1)計算前窗玻璃的傳熱系數(shù)：

(1)

式中：K為夾層玻璃的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

αn，αw分別為車體內(nèi)、外側(cè)換熱系數(shù)，W/(m2·K)，按照《空調(diào)客車熱工計算方法》(TB 1957—91)推薦車體內(nèi)表面換熱系數(shù)取8 W/(m2·K), 外表面換熱系數(shù)為16 W/(m2·K)；

δi為某層材料的厚度，m；

λi為某層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K).

將無色透明玻璃和PVB的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)代入式(1)中，計算得K=4.60 W/(m2·K).可見，由于前窗抗沖擊性的特殊性，前窗的隔熱性能較差，是整個司機室的隔熱弱點.

5) 后墻隔熱設(shè)計.司機室后墻為整體采購，后墻保溫設(shè)計主要是在墻內(nèi)填充吸音保溫材料，即歐文斯科寧玻璃棉板，其導(dǎo)熱系數(shù)為λ=0.03 W/(m·K)，除了填充吸音保溫材料，后墻內(nèi)還噴涂阻尼漿、粘貼高阻尼貼片，雖然阻尼材料主要作用是降噪減震，但其具有較好的保溫性能，起到一定的隔熱效果.后墻上的緊急制動閥聯(lián)通了機械間和司機室，為了保證司機室隔熱與密封，緊急制動閥在機械間突出一側(cè)用保溫隔音板嚴密包裹.廠家提供后墻傳熱系數(shù)K≤3.4 W/(m2·K).

6) 底架、地板隔熱設(shè)計.司機室地板采用整裝地板，是整體采購.其由4 mm厚的橡塑板(λ=0.035W/(m·K))、3.5 mm厚的隔音板(λ=0.135 W/(m·K))、3 mm厚的鋼板(λ=48.5 W/(m·K))、40 mm厚的聚丙烯發(fā)泡塑料(λ=0.03 W/(m·K))及3 mm厚的鋼板組成，為典型的多層平壁傳熱結(jié)構(gòu).將上述材料的厚度及導(dǎo)熱系數(shù)代入式(1)可知，整裝地板的傳熱系數(shù)為K=0.62 W/(m2·K)，可見地板的隔熱性能較好，但為了進一步提高隔熱性能，司機室地板下方的底架鋼結(jié)構(gòu)中也填充聚丙烯防寒填料.

2.3 密封設(shè)計

孔洞和縫隙會增加機車司機室熱對流效應(yīng)，密封設(shè)計的好壞對機車隔熱性能起著關(guān)鍵作用.

1) 門的密封設(shè)計.司機室包括入口門和機械間門.入口門采用雙層密封結(jié)構(gòu)，門扇內(nèi)外側(cè)四周安裝橡膠密封條，當車門關(guān)緊時，中空密封條被門扇和門框壓合，起到密封作用.機械間門在機械間側(cè)四周安裝一道密封條，關(guān)緊車門時，通過擠壓橡膠密封條起到密封作用.入口門密封結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 入口門密封結(jié)構(gòu)

2) 窗的密封設(shè)計.前窗采用多層密封設(shè)計，密封結(jié)構(gòu)如圖3所示.玻璃與窗框四周采用密封膠實現(xiàn)密封，窗框與鋼結(jié)構(gòu)采用兩圈密封膠實現(xiàn)內(nèi)外密封，由于窗框與鋼結(jié)構(gòu)需采用螺栓固定，為了密封螺栓孔洞，在窗框上開矩形槽，在槽中加塞密封橡膠條，通過擠壓橡膠條實現(xiàn)密封.側(cè)窗密封結(jié)構(gòu)如圖4所示，中空玻璃與活動窗框用密封膠密封，固定窗框外側(cè)與司機室外蒙皮用一圈密封膠密封，當側(cè)窗關(guān)上，螺母擰緊時，擰緊力使活動側(cè)窗擠壓密封橡膠條起到密封作用.

圖3 前窗密封結(jié)構(gòu)

圖4 側(cè)窗密封結(jié)構(gòu)

3 傳熱系數(shù)K值測定試驗

隔熱層由于車體骨架和連接構(gòu)件的存在,導(dǎo)致冷橋的出現(xiàn)[7],使車體傳熱出現(xiàn)不均勻性，為了準確掌握上述隔熱結(jié)構(gòu)所具備的隔熱能力，對司機室進行隔熱性能試驗，即司機室傳熱系數(shù)(K值)的測定.傳熱系數(shù)(K值)是司機室性能的評價標準[8]，它表明：司機室在內(nèi)外空氣溫度相差1 K的情況下，每平方米隔熱壁所傳遞的熱流.K值的大小表示司機室隔熱性能的好壞，K值越小，表示隔熱性能越好.

試驗在大同電力機車有限公司進行，司機室傳熱系數(shù)K值的測定，在具有封閉條件的車間內(nèi)，按照鐵標TB/T 1674—93規(guī)定的試驗方法試驗.試驗測試參數(shù)包括司機室內(nèi)外溫度、加熱功率等.試驗數(shù)據(jù)見表1.

表1 試驗數(shù)據(jù)

司機室傳熱系數(shù)K值：

采用本文介紹的隔熱設(shè)計方法，設(shè)計司機室的綜合傳熱系數(shù)為1.68 W/(m2·K), 小于2.5 W/(m2·K)，滿足要求.

4 結(jié)論

1) 國鐵集團提出：為保證司機室的舒適性，規(guī)定當外界溫度為-25℃時，機車靜止時的司機室整體傳熱系數(shù)K值不應(yīng)高于2.5 W/(m2·K)，本文試驗測試司機室整體傳熱系數(shù)為1.68 W/(m2·K)，驗證了這種隔熱設(shè)計方法的合理性.

2) 在不考慮機車成本和制造工藝的前提下，電力機車司機室隔熱能力仍可提高.設(shè)計方面，將司機室骨架在與內(nèi)飾板相接處涂抹隔熱膠，或者在外蒙皮內(nèi)側(cè)涂抹隔熱膠，減少骨架產(chǎn)生的熱橋；工藝方面，針對司機室內(nèi)外蒙皮直接填充的防寒填料密實度進行控制.