軌道交通冷卻系統(tǒng)技術前沿及發(fā)展綜述

李仕林

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著國內(nèi)外高速鐵路車輛的快速發(fā)展，列車速度不斷地迭代升級。2013年，中國鐵路總公司提出了我國高速動車組的創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略部署，截至目前，我國350 km標準化動車組已全面上線運營，250 km標準化動車已通過樣車驗證，正在進行小批量裝車，400 km標準化動車組已研制成功，處于調(diào)試階段，600 km磁浮列車正在研制中[1]。目前大部分高速列車靠電力牽引，包括牽引變流器、牽引變壓器、輔助變壓器、列供柜、牽引電機等電力裝備部件。

牽引變流-變壓器成為電力高速列車的動力核心，以高壓交流傳動作為牽引動力的列車占主要地位[2-3]。牽引變流器、變壓器在交流牽引系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，牽引變流器在車輛運行過程中需要不斷切換開關，在開啟和關斷的過程中產(chǎn)生大量的熱；牽引變壓器是將交流電力系統(tǒng)的電能轉輸為2個帶負載的單相牽引線路，變壓器繞阻在工作過程中產(chǎn)生大量的熱，其熱量不及時散出，就會出現(xiàn)變流-變壓器過熱，導致設備無法正常工作，因此，關于冷卻系統(tǒng)業(yè)內(nèi)主要針對這兩大核心部件展開研究[4-6]。

1 國內(nèi)外軌道車輛冷卻技術發(fā)展情況

1.1 國內(nèi)外冷卻技術發(fā)展歷程

世界上第一代交流傳動電力機車采用普通晶閘管變流器，其冷卻方式為油冷卻；世界第二代交流傳動電力機車采用GTO晶閘管變流器，其冷卻方式為油冷卻和水冷卻，部分車型采用沸騰和熱管冷卻；國內(nèi)第一代電力機車采用GTO晶閘管變流器采用水冷卻；第三代交流傳動電力機車采用IGBT變流器，冷卻采用強迫通風-水冷卻，在水泵的作用下將變流器的熱流流到熱交換器中，在冷卻風機作用下與冷卻空氣進行熱交換，實現(xiàn)冷卻[7]。

電力機車牽引變壓器油冷卻系統(tǒng)由油泵+換熱器+冷卻風機構成，均采用強迫通風-油冷卻方式。

電力動車組牽引變流-變壓器冷卻技術的發(fā)展與電力機車類似，牽引變流器通常采用強迫通風-水冷卻技術；牽引變壓器采用強迫通風-油冷卻技術，少數(shù)動力分散性動車組牽引變流器采用熱管或相變冷卻技術[8-9]。

1.2 國內(nèi)軌道交通冷卻技術現(xiàn)狀

我國軌道交通車輛采用的是技術引進、消化吸收、自主創(chuàng)新的發(fā)展路線，因此研發(fā)初始時間比國外晚，但起點較高，發(fā)展速度快，技術日新月異。

隨著牽引變流器-變壓器冷卻需求及冷卻技術的發(fā)展，低速小功率、低熱流密度牽引變流器通常采用自然風冷；低速重載牽引變壓器采用油浸式強迫風冷油技術；高速大功率牽引變流器采用強迫風冷水技術；少數(shù)高速小功率牽引變流器-變壓器冷卻系統(tǒng)采用強迫風相變冷卻技術[10-11]。

因此，從軌道交通裝備的發(fā)展過程看，牽引變流器、變壓器的冷卻采用的方式有空氣冷卻、強迫水冷卻、強迫油冷卻、相變冷卻等形式。

從冷卻系統(tǒng)冷卻能力自動調(diào)節(jié)來看，軌道交通冷卻系統(tǒng)屬于被動式冷卻，僅基于冷卻角度，而不是從系統(tǒng)熱管理角度出發(fā)進行系統(tǒng)設計和優(yōu)化控制。

從安裝方式看，大部分電力機車、內(nèi)燃機車冷卻裝置安裝于機械間內(nèi)、車頂、車底，有集中式冷卻和分散式冷卻2種，為提高產(chǎn)品的空間利用率，動力集中式冷卻系統(tǒng)均采用塔式結構。

國內(nèi)軌道交通牽引變流-變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)種類、冷卻方式與國外先進軌道交通技術水平相當。然而，在產(chǎn)品可靠性、輕量化、低噪聲方面依然存在一定的差距，因此，軌道交通冷卻裝備的可靠性、輕量化、噪聲控制，目前是國內(nèi)外研究的熱點。

2 軌道交通車輛冷卻系統(tǒng)技術的發(fā)展

2.1 國內(nèi)外軌道交通冷卻技術需求

1)整車熱管理需求。從軌道交通車輛系統(tǒng)部件集成及技術發(fā)展看，牽引變流-變壓器冷卻系統(tǒng)的設計、研發(fā)、制造來自不同的廠家，各自站在不同的角度進行系統(tǒng)設計，往往預留較大的設計余量，設計難度大，成本較高。因此，牽引變流-變壓器冷卻系統(tǒng)須從系統(tǒng)集成和整體角度，統(tǒng)籌熱量與熱管理對象與整車之間的關系，綜合考慮冷卻系統(tǒng)參數(shù)的匹配性，如對牽引變流-變壓器、水泵、油泵、熱交換器、冷卻通風機從介質(zhì)溫度、流量、環(huán)境適用性進行統(tǒng)籌分析；將牽引變流-變壓器冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、車體暖風機、水暖、地熱等暖通系統(tǒng)集成為一個有效的熱管理系統(tǒng)，從整車的角度控制整車熱量傳遞，保證各部件安全、高效運行的同時，合理地分配熱能，從整車的角度出發(fā)變被動為主動，自動調(diào)節(jié)冷卻能力。熱管理系統(tǒng)的綜合利用，可極大降低輔機消耗，降低系統(tǒng)噪聲，提高車輛環(huán)境適用性[12-13]。

2)健康管理需求。利用先進的傳感器技術，獲取系統(tǒng)運行的狀態(tài)信息，借助智能推算方法，根據(jù)系統(tǒng)歷史狀態(tài)、環(huán)境因素，對冷卻系統(tǒng)各關鍵部件進行狀態(tài)分析和監(jiān)測、故障診斷及預測，評估和預測冷卻系統(tǒng)的運行狀態(tài)，根據(jù)關鍵參數(shù)對照提出維修保養(yǎng)計劃，由傳統(tǒng)的定期檢修向視情檢修轉變，該系統(tǒng)的建立，可大大地降低系統(tǒng)的檢修維護和運營成本[14-16]。

3)新型高效冷卻技術需求。隨著軌道交通的迅速發(fā)展，冷卻技術越來越好的情況下，利用特殊的通道結構采用高效相變冷卻技術，實現(xiàn)高效換熱。通常相變冷卻技術包括自循環(huán)的微循環(huán)換熱系統(tǒng)、強迫循環(huán)的流動沸騰系統(tǒng)等。相變冷卻技術的應用，可將局部傳熱效率提升1～2個數(shù)量級，在有限空間內(nèi)大大提高系統(tǒng)換熱能力，有效縮小冷卻系統(tǒng)尺寸[17-20]。

4)低噪智能化通風技術需求。軌道交通牽引變流-變壓器冷卻系統(tǒng)絕大部分采用強迫通風冷卻，通風機是該系統(tǒng)最為關鍵的部件之一，因此低噪智能化通風技術是目前研發(fā)的熱點。低噪智能化通風機自帶軸承溫度、振動監(jiān)測監(jiān)控傳感器，為監(jiān)控、診斷和處置相關故障提供數(shù)據(jù)；冷卻風機自帶調(diào)頻變速控制系統(tǒng)，在進出口設置溫度、壓力、轉速等傳感器，根據(jù)牽引電機、牽引變流器、牽引變壓器等部件的冷卻需求，智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)需求供風量，從而達到降噪、節(jié)能減排的目的[21-24]。

5)大功率、高速內(nèi)燃機車輕量化冷卻技術需求。對于大功率貨運電力機車、內(nèi)燃車、雙源制吊車機車，采用集中冷卻為主，包括牽引變壓器、牽引變流器與柴油發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的集成，目前國內(nèi)外柴油發(fā)電機大部分由柴油機廠家集成或由主機廠獨立設計；對于柴電雙源制機車，可將牽引變流器、牽引變壓器與柴油機冷卻進行高度集成，可有效降低產(chǎn)品重量和制造成本[25]。

2.2 軌道車輛冷卻系統(tǒng)技術發(fā)展方向

1)智能控制技術在冷卻系統(tǒng)中的應用。水冷、油冷系統(tǒng)采用智能化控制通風機、水泵、油泵，根據(jù)牽引變流器、變壓器入口水、油溫，實時調(diào)整通風機的轉速，可避免風扇一直處于高速旋轉狀態(tài)，從而減少輔機能耗；由于列車運行范圍廣，絕大部分時間輔機在低速狀態(tài)運行，可大大延長輔機的使用壽命；通過對冷卻系統(tǒng)核心參數(shù)的管理，可全面實現(xiàn)對冷卻系統(tǒng)功能和運行狀態(tài)的管理[26-29]。

2)高效納米流體換熱技術的應用。隨著現(xiàn)代科技水平的發(fā)展，在其他冷卻技術領域，為提高冷卻介質(zhì)的換熱效率，納米流體技術應運而生。在軌道交通不斷追求高效的背景下，可致力于研究新型的換熱介質(zhì)，如石墨烯流體、Cu-水納米流體、SiO2-水、SiC-乙二醇納米流體等。

3)消聲技術的應用。隨著軌道交通車輛對于舒適性及環(huán)保要求的不斷提升，要求大功率水、油冷卻系統(tǒng)用冷卻風機產(chǎn)生的噪聲影響必須降至最低，因此冷卻裝置的降噪技術是目前研究的熱點問題?？稍趥鞑ネ緩缴喜捎酶袈暬蛭暣胧稍诎l(fā)聲源處采用有源主動降噪技術來降低噪聲。

4)混合式冷卻-油水+相變冷卻技術的應用。結合相變高效換熱，水冷、油冷的工作特征，實現(xiàn)兩種或多種技術的融合，揚長補短，提高換熱系統(tǒng)冷卻能力，縮小體積，延長壽命，降低輔助功率消耗。

3 結語

隨著國內(nèi)外冷卻技術發(fā)展，軌道交通牽引變流-變壓器、牽引電機等一系列需要冷卻的產(chǎn)品，在滿足功能需求的同時，向綠色、高效、低噪、智能化的方向全面發(fā)展。為滿足軌道車輛冷卻現(xiàn)代化發(fā)展需求，本文提出如下建議。

1)從整車的角度出發(fā)，采用系統(tǒng)設計的思路，統(tǒng)籌分析，優(yōu)化參數(shù)。

2)利用智能化控制技術，可實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)技術的有效控制，提高效率降低能耗。

3)可通過主動加被動的消聲技術降低系統(tǒng)噪聲。

4)研發(fā)新型納米流體替代現(xiàn)有的冷卻介質(zhì)，提高傳熱系數(shù)。

5)研究一種新型的混合式相變冷卻技術，彌補傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)體積大、效率低的不足。