神華號(HXD1)電力機車牽引電機軟風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計與分析

韓東虎

(國能新朔鐵路有限責(zé)任公司 機務(wù)分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

神華號(HXD1)交流電力機車是中車株洲電力機車有限公司為神華集團研制生產(chǎn)的大功率八軸牽引電力機車，它是在成型的大功率系列交流機車的技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合神華鐵路特點研制出的以動力單元為基礎(chǔ)的模塊式設(shè)計，最終形成了2(B0-B0)、3(B0-B0)兩種類型的大功率交流機車[1]。該機車的成功研制，改善了神華鐵路運輸不足的狀況，成為神華集團大準(zhǔn)鐵路萬噸牽引任務(wù)的主力軍，滿足了運輸?shù)膭恿π阅苄枨蟆?/p>

機車牽引電機為電力機車提供動力，牽引電機安全穩(wěn)定的工作是機車安全運行的前提[2]。由于HXD1神華號機車為重載牽引，所以牽引電機為大功率輸出。作為機車的動力核心，其散熱性能的好壞將影響機車的運行安全，而牽引電機的工作溫度大小又受機車通風(fēng)系統(tǒng)的直接影響[3，4]。影響電機冷卻效果的因素有很多，其中軟風(fēng)道是送風(fēng)冷卻的關(guān)鍵部件。軟風(fēng)道與其他通風(fēng)部件不同，軟風(fēng)道特性為需要在機車運行過程中以及通風(fēng)過程中上下左右移動，所以軟風(fēng)道的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸、安裝方式等條件均可影響風(fēng)量大小[5]。由于機車運行產(chǎn)生的震動和擠壓變形，使軟風(fēng)道在輸送冷卻風(fēng)的情況下同時承受來自多個方向力的破壞，若軟風(fēng)道出現(xiàn)漏風(fēng)或破損將無法正常給牽引電機提供足夠的冷卻空氣，影響電機壽命，嚴(yán)重會引起機車事故問題?；诖?，針對神華號HXD1機車牽引電機軟風(fēng)道的現(xiàn)狀，對機車軟風(fēng)道從材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、安裝方式等方面進行設(shè)計優(yōu)化，整體提升軟風(fēng)道通風(fēng)效果以及安裝效率，通過實驗分析，裝車運行對比，結(jié)果表明優(yōu)化后的軟風(fēng)道通風(fēng)效率提高、壽命增長、安裝效率大大增加。

1 HXD1型機車牽引電機通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

牽引電機通風(fēng)支路如圖1所示。神華號機車每一節(jié)的牽引電機通風(fēng)系統(tǒng)各自獨立，冷卻空氣循環(huán)的走向如下：大氣→側(cè)墻過濾器進風(fēng)口→風(fēng)道→牽引風(fēng)機→風(fēng)道支架→軟風(fēng)道→牽引電機→車底大氣[6]。

大氣通過側(cè)墻過濾器過濾后經(jīng)風(fēng)機加速，導(dǎo)向風(fēng)道，經(jīng)過軟風(fēng)道從而對牽引電機進行冷卻。這一過程對軟風(fēng)道密封完好性要求極高。

圖1 牽引電機通風(fēng)支路

2 牽引電機軟風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計

2.1 原車風(fēng)道分析

目前，神華號交流機車使用的牽引電機軟風(fēng)道材質(zhì)為單層膠布，褶皺處用鋼絲圈外整合，與牽引電機連接方式為螺絲固定，如圖2所示。此軟風(fēng)道用14個M10的螺絲與牽引電機連接，以求固定以及密封作用，但實際情況，在機車行駛過程中由于軟風(fēng)道不停地震動導(dǎo)致螺絲斷開，斷開的螺絲危害很大：①斷開的螺絲極易掉入電機中，造成嚴(yán)重的電機損壞事故；②螺絲斷開后，軟風(fēng)道與電機密封不嚴(yán)，造成漏風(fēng)等現(xiàn)象，冷卻不足；③螺絲會一直與軟風(fēng)道布摩擦，單層軟風(fēng)道布經(jīng)不住螺絲長時間不停地沖擊。結(jié)合修程，對大準(zhǔn)鐵路9臺HXD1機車軟風(fēng)道使用情況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這種軟風(fēng)道壽命極低，幾乎每個電機軟風(fēng)道都會出現(xiàn)螺絲將膠布磨透現(xiàn)象，嚴(yán)重的出現(xiàn)軟風(fēng)道上下分離，如圖3和圖4所示。這種情況導(dǎo)致電機由于通風(fēng)量不足，電機溫度一直居高不下，造成電機壽命短、事故頻發(fā)的問題。軟風(fēng)道處于機車車架下部，操作空間狹小，工人必須進行趴伏工作，工作難度大，危險性高。并且很難將密封螺絲擰緊，造成運行中脫落問題。

圖2 原車軟風(fēng)道效果

圖3 原軟風(fēng)道破損照片1

圖4 原軟風(fēng)道破損照片2

綜上所述，原車軟風(fēng)道在材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、安裝方式等方面存在缺陷問題，為了機車運行安全，有必要將其進行優(yōu)化設(shè)計。

2.2 優(yōu)化后軟風(fēng)道分析

圖5為優(yōu)化后的軟風(fēng)道設(shè)計圖。在設(shè)計中，將原車軟風(fēng)道缺點優(yōu)化。主要優(yōu)化的方面有如下幾點：①將軟風(fēng)道布更換成含有玻璃纖維和硅膠的阻燃布，增加其韌性以及阻燃性。并且內(nèi)外兩層的設(shè)計讓軟風(fēng)道使用壽命更長。②將支撐骨架鑲嵌在內(nèi)外兩層阻燃布之間，避免支架與軟風(fēng)道布的摩擦，并且整體性更強。③將原軟風(fēng)道螺絲固定方式優(yōu)化為扣壓式安裝，如圖7所示。將軟風(fēng)道下框更改為厚度4mm鋼板折彎造型的安裝槽，與牽引電機上口尺寸相符，軟風(fēng)道下框槽內(nèi)有密封膠條，落車安裝時，緊緊扣押，就會使軟風(fēng)道下框牢牢固定在牽引電機上。當(dāng)牽引電機工作時，密封膠條與軟風(fēng)道下沿會密封住氣體。④扣壓式安裝方式既有較好的密封性，又解決了落車后軟風(fēng)道處于機車車架下部操作空間狹小，工人必須進行趴伏工作，危險性高，工作難度大的問題。

圖5 優(yōu)化軟風(fēng)道總成

3 優(yōu)化軟風(fēng)道實驗

優(yōu)化后的軟風(fēng)道符合尺寸與安裝要求，在各項指標(biāo)符合生產(chǎn)要求的情況下，進行了型式試驗與上車試驗。實驗裝置和測試系統(tǒng)嚴(yán)格按照IEC61373:2010《鐵路應(yīng)用—機車車輛設(shè)備—沖擊和震動實驗》的要求設(shè)計和制造。電動振動試驗系統(tǒng)分別為：MPA3214/H844A型和ES-50型，實驗結(jié)果如下。

3.1 沖擊和振動實驗

依據(jù)IEC61373∶2010的標(biāo)準(zhǔn)，仿照1類A級車體安裝，實驗頻率為f1=50Hz，f2=150Hz進行沖擊和振動實驗。

圖6 優(yōu)化軟風(fēng)道成品圖1

圖7 優(yōu)化軟風(fēng)道成品圖2

如圖8所示的實驗平臺，分別進行了垂向、橫向、縱向的模擬長壽命實驗，通過MPA3214/H844A型電動振動試驗系統(tǒng)模擬出的ASD圖譜，實驗結(jié)果如表1所示。每個方向分別通過50萬次的振動測試軟風(fēng)道的壽命長短，結(jié)果顯示，實驗結(jié)束后檢查產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)，無裂紋和機械損傷。沒有出現(xiàn)原軟風(fēng)道固定螺絲頂破與整合鋼絲圈磨破軟風(fēng)道布的現(xiàn)象。軟風(fēng)道性能穩(wěn)定，使用壽命較原來軟風(fēng)道增加2倍以上。

表1 模擬長壽命實驗數(shù)據(jù)

圖8 模擬長壽命實驗安裝

表2 沖擊實驗數(shù)據(jù)

如圖9～圖14所示的為通過ES-50型電動振動試驗系統(tǒng)模擬出的沖擊曲線圖，分別進行了垂向、橫向、縱向的正反向沖擊實驗。每個方向分別通過50萬次的沖擊動測試軟風(fēng)道的韌性以及含有玻璃纖維和硅膠阻燃布的強度，結(jié)果顯示，實驗結(jié)束后檢查產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)，無裂紋和機械損傷，也沒有出現(xiàn)原軟風(fēng)道固定螺絲頂破與整合鋼絲圈磨破軟風(fēng)道布的現(xiàn)象。軟風(fēng)道性能穩(wěn)定，使用壽命較原來軟風(fēng)道增加2倍以上。

圖9 垂向正向沖擊

圖10 垂向反向沖擊

圖11 橫向正向沖擊

圖12 橫向反向沖擊

圖13 縱向正向沖擊

3.2 裝車測試對比實驗

如圖15所示，優(yōu)化后的軟風(fēng)道在神華號HXD1 7152交流機車上裝車試運行。機車運行25個月以來，沒有出現(xiàn)任何漏風(fēng)問題，軟風(fēng)道布表面存在灰塵，但是沒有出現(xiàn)破損以及骨架磨損情況，通風(fēng)量無減少，保障牽引電機正常運行。運行時間相同的原軟風(fēng)道，已經(jīng)出現(xiàn)大面積磨損破裂、漏風(fēng)嚴(yán)重、通風(fēng)性降低，造成牽引電機溫度高、降溫慢等嚴(yán)重問題。如圖16所示。優(yōu)化后的軟風(fēng)道相對于原車軟風(fēng)道性能穩(wěn)定，通風(fēng)量好，使風(fēng)機冷空氣有效地將牽引電機熱量帶走，在降溫的持續(xù)性上優(yōu)于原軟風(fēng)道，優(yōu)化后的軟風(fēng)道實際使用壽命是原軟風(fēng)道的2倍以上。

圖15 優(yōu)化軟風(fēng)道安裝

圖16 原軟風(fēng)道破損

4 結(jié)論

針對神華號HXD1交流機車牽引電機軟風(fēng)道易破損、通風(fēng)量減少，致使電機散熱慢、散熱效率低的問題，在分析該類軟風(fēng)道的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及安裝方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合電動振動試驗系統(tǒng)模擬分析，對原電機軟風(fēng)道進行優(yōu)化設(shè)計，通過實驗對比和裝車試運行測試結(jié)果可得：①優(yōu)化后的軟風(fēng)道使用含有玻璃纖維和硅膠的阻燃布，并且設(shè)計為內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)；支撐骨架鑲嵌在兩層阻燃布之間，增強振動和沖擊性，使用壽命增加1倍。②優(yōu)化后的軟風(fēng)道設(shè)計安裝方式為扣壓式，在特殊折制框槽內(nèi)加入密封膠條，提高原軟風(fēng)道密封性的前提下，解決了原軟風(fēng)道螺絲頂破風(fēng)道布的缺點，提高了軟風(fēng)道持續(xù)通風(fēng)性，避免了原軟風(fēng)道用一段時間后牽引電機溫度降不下去的問題。優(yōu)化后軟風(fēng)道更換周期是原軟風(fēng)道更換周期的2倍以上。③優(yōu)化后的軟風(fēng)道安裝方式為扣壓式，在保障密封好的前提下，解決了落車后軟風(fēng)道處于機車車架下部，操作空間小，工人趴伏工作危險性高，工作難度大的問題。④優(yōu)化后每臺車安裝效率提高4倍，減少了工作時間，減弱了工作難度，提高了工作效率，增加了公司效益。