HXN5型内燃机车牵引电机集中通风系统研究

张晓芳，徐培武

（中国南车集团 戚墅堰机车有限公司 技术中心，江苏常州213011）

随着大功率内燃机车项目国际化合作的进一步推进，一些新的设计理念和新的技术开始涌入。牵引电机的通风形式由原先的前后转向架牵引电机独立通风的传统形式，发展为前后转向架牵引电机集中通风，即前后风机合二为一的形式，这无疑给整车空间布局的合理性及整车性能的优化带来一定的优势。但是，这也给通风机部件的可靠性和耐久性提出了更高的要求，同时对如何改善通风管网的流量分配问题也提出了新的课题。

1 内燃机车传统形式的牵引通风系统概述

我国铁路主干线内燃机车牵引电机通风至今仍采用前、后转向架牵引电机独立通风冷却的模式，即前、后转向架牵引电机分别采用一台通风机对安装在各转向架上的3位电机进行冷却。其通风支路分别为（1）外界空气→电气室侧墙滤网→车体内→前架牵引通风机→车体过渡风道→1、2、3位牵引电机→车底大气；（2）外界空气→散热器室侧墙百叶窗→车体内→后架牵引通风机→车体过渡风道→4、5、6位牵引电机→车底大气。这种通风冷却方式所用通风机多为多翼离心式前向叶片风机，虽说这种风机升压较大，但效率一般较低，往往只有60%～65%。这无疑增加了通风机所消耗的功率，导致整车辅助功率的增加。例如由中国南车集团戚墅堰机车有限公司研制的DF8B型重载货运内燃机车，机车装车功率为3 680kW，牵引电机采用独立通风的方案，前后转向架各用一台通风机，单机功率约为45.6 kW，故牵引电机通风机的总功率约为91.2kW，约占机车装车功率的2.47%。

2 HXN5型内燃机车牵引通风系统

图1 HXN5内燃机车牵引通风系统原理图

HXN5型内燃机车的牵引通风系统引进了牵引电机集中供风的设计理念，即只采用一台牵引电机通风机，为整台机车的6位牵引电机同时提供冷却用风。其工作支路为：外界空气→散热器室侧墙百叶窗→车体内V型空滤安装架→牵引电机通风机→车体过渡风道→1、2、3、4、5、6位并联牵引电机→车底大气（见图1）。一方面，这在机车设计中有它优越的一面。首先总体布局得以优化，以一台风机替代两台风机，简化了总体布置，在空间上大大缩减了通风机所占据的位置；另外，对于HXN5型内燃机车（机车额定装车功率为4 400kW），虽说风机在性能参数上的要求比国内传统机车用风机高，但由于其采用了效率较高的机翼型铸铝后向叶片（效率一般可达80%以上），故使得风机额定功率仅为60kW，占机车装车功率的1.36%。但另一方面，由于牵引通风机在该型机车上充当着独一无二的重要角色，因此对其可靠性、耐久性要求会更为严格；同时由于该风机布置在机车后部的散热器室内，若要确保给前后每位电机提供较为均衡的风量，车体过渡风道的流量分配均匀性设计也是一项需挑战的课题。

2.1 通风机国产化研究

基于HXN5机车牵引电机通风形式的特殊性，作为系统关键件的通风机在国产化研制过程中，一方面严格遵循相关技术规范要求，另一方面在试验验证方面，通过对国际相关试验标准的消化吸收，同时与国内现行标准进行比对，找出差异，从材料、性能到对恶劣实际工况的模拟，制定了较为严格的试验方案系列，对风机进行全方位的试验验证。

2.1.1 通风机结构特点

HXN5型内燃机车牵引电机通风机是一台由交流电机驱动的通风设备，主要为机车的所有牵引电机提供冷却用风。鉴于其功能的特殊性，该风机在结构、性能及其验证方法与国内主干线机车用风机均有所不同。HXN5型牵引电机通风机主要参数要求如下：额定转速n=3 125r／min，流量Q=8.78m3／s，静压P≥4 805 Pa，轴功率60kW。由于该风机的流量较大，根据计算所得比转数，风机叶轮在选型上首先采用了后弯型叶轮。虽然这种叶轮外形较大，但效率却很高，可大大降低风机功率，从而降低机车辅助功率；由于风机较大，基于对风机强度和质量的考虑，最终选用了与原型车相同结构类型的机翼型铸铝叶轮。这样从风机结构上首先实现了对性能的要求，达到简化机车布局，降低机车功率的目的。

2.2.2 通风机验证试验

针对HXN5型内燃机车牵引电机通风机的这一系列结构特点，为确保满足该型机车的使用要求，使风机在性能上、可靠性及耐久性上能发挥出其优越的一面，根据采购规范要求以及相关国际标准，对其制定了较为严格的试验认证计划，主要试验项目和试验类型见表1。

该型通风机的大部分验证试验遵循了国际相关标准和相关技术规范的要求，考核指标相比国内相关标准也严格了许多。其中运转试验是考核整个风机装配工作时的稳定状态，同时也可间接反应叶轮动平衡是否在允差范围内。试验要求在风机电机轴承处3个方向上的振动速度测试值不应大于4mm／s。由于该风机功率等级较大，所以这一要求相比于国内相关标准中的6.3 mm／s要求严格得多；而超速试验则是考核风机在工作突发异常，转速超限时叶轮的强度。HXN5型内燃机车通风机要求进行125%额定转速的空载超速试验，且风机不能出现机械故障和过度变形，这比国内风机标准中的110%额定转速的空载超速试验标准要求更为苛刻；另外根据风机的运用特点和结构的特殊性，除性能要满足设计要求外，其关键件叶轮材料的比选、机械性能控制及其运用的耐久性也是十分重要的，而且这也是目前国内干线内燃机车风机在前期验证中往往容易忽视的。为此，在HXN5型内燃机车通风机的验证试验项目中增加了材料铸造完整性试验和叶轮疲劳寿命试验两个项目。由于该风机采用了大型铸铝叶轮，故确认所选铸铝材料是否满足性能要求及验证叶轮铸造工艺过程所导致的晶粒度及晶粒流态，从而及早发现叶轮铸造缺陷十分必要，且对有效提高风机可靠性十分有利。材料铸造完整性试验正是针对上述目的，对原材料（棒料）的性能进行了测试并进行了叶轮的破坏性试验。所谓叶轮的破坏性试验是指叶轮在铸造完后，根据叶轮有限元疲劳分析结果，在其应力较大部位所做的破坏性性能检测。另外，叶轮的疲劳性试验是指对叶轮进行0到135%的额定最大速度范围内的50 000次循环的加速疲劳测试，然后进行X射线探伤，要求不出现任何裂纹。这一试验可谓是对通风机进行的一项十分苛刻的耐久性试验，但它却是提高集中供风方式中通风机运用可靠性较为有力的手段之一。

表1 HXN5型内燃机车通风机

根据相关技术规范要求，风机完成并通过了上述规定的各项性能、耐久性试验，具体试验情况见表2。试验的考核成功是系统可靠性工作的前提之一。

2.3 机车的风道分析

由一台通风机为6台牵引电机集中供风的模块化设计，不仅可优化机车总体布置，还可通过优化风机性能来降低机车辅助功率，应该说有其优越的一面，值得推广。但另一方面，一个进口带6个出口，由于风道出口之间的距离较大，同时风道的设计受机车结构的限制，致使风道的结构非常复杂，流体要想顺畅地由进口流向每个出口异常地困难，因此出口流量很难做到比较均匀。

表2 HXN5型内燃机车通风机型式试验

有鉴于此，我们对HXN5机车GE公司设计风道结构进行了流体分析，并综合利用了几何模型处理工具Ansys DM、流体网格划分工具ICEM CFD及流体动力学软件Fluent，首先将几何模型输入到Ansys ICEM CFD中，进行简单几何处理，然后使用ICEM CFD中直接从几何体上划分网格的鲁棒性高的Octree的四面体网格划分方法对HXN5型内燃机车的车架风道进行了流场分析。网格模型见图2。流体运动迹线图见图3。

图2 HXN5内燃机车车架牵引电机通风道网格模型

图3 HXN5内燃机车车架牵引电机风道流体运动迹线图

通过监控进出口流量是否不再变化以及流量平衡来判断分析过程是否收敛，分析获得了进出口流量数据如下：

总流量：15.89m3／s

各入口流量：

入口1：2.63m3／s

工作曲线的绘制：移取0 mL、1.00 mL、2.00 mL、3.00 mL、5.00 mL、10.00 mL、15.00 mL浓度为100 μg/mL铅标准溶液于100 mL容量瓶中，分别加入10 mL硝酸，用水稀释至刻度。以铅离子浓度为横坐标，试液吸光度为纵坐标，绘制工作曲线。

入口2：2.25m3／s

入口3：2.18m3／s

入口4：2.45m3／s

入口5：2.89m3／s

入口6：3.49m3／s

2.4 装车匹配试验

通过对HXN5型内燃机车整个通风系统，包括新型风机及相匹配过渡风道的综合分析，于2009年完成并通过了相关部件的试验，同时装车进行了匹配试验，即对各位牵引电机风量风压进行了相关测试，数据如表3。

表3 HXN5-62＃内燃机车牵引电机风量风压测试数据

2.5 运用效果

HXN5型内燃机车自62＃机车开始安装了国产化牵引电机通风机，于2009年初到哈尔滨铁路局牡丹江机务段，迄今为止，已运行42万km左右，整个通风系统未发生任何故障，运用良好，并得到机务段方的书面认可。

3 集中供风方式的推广，机车风道优化设计改进

为了更好地研究车体风道流量分配均匀性问题，我们借助了“十一五”期间，中国南车集团提出的6 000、4 000、2 000kW 3个功率等级的机车产品技术平台建设之一的2 000HP平台建设项目，基于该项目对系统和零部件标准化、模块化、系列化的要求，在上述集中通风和独立通风两种方案进行充分对比以及对进口机车的相关技术消化吸收后，该系列机车的牵引电动机通风冷却方式引入了GE公司的牵引电机集中供风的方式，目前需解决的问题就是优化风道设计，合理进行通风机与风道的匹配。

我们与高等院校合作，对2 000HP机车一个风道进口6个风道出口的风道模式进行优化，从理论角度得出了以下几个主要结论：

（1）在圆形管道中加十字格栅，使管道中的通道涡流减小，同时也可以使气流经过圆形管道与矩形箱体转换处流通损失减小。

（2）在圆形管道和矩形通道中气流拐弯位置加导流板，可以有效地减小因气流拐弯引起的流动分离，增加通道流量，降低气动损失和噪声，增强气体流动的稳定性。

（3）在箱体转角位置，使用大半径圆角来替代直角，可以使流动更加顺畅，增加箱体中气体流动的稳定性。

（4）在出口位置加井字形格栅，会使出口流动更加稳定，出口流量增加。

项目目标将通过计算、测试来优化风道设计，完善通风机与风道的匹配，从而达到降低机车辅助功率，优化机车总体布置的目的。

4 结束语

通过对国产HXN5机车通风系统的分析研究和对国内外通风机不同执行标准的对标分析，可进一步改进通风机材料和结构型式，从而达到提高通风机性能，降低风机功率的目的；同时采用新的集中供风方式，一方面简化了机车总体布局，另一方面通过改善风道结构，优化管网布局和管道内的流量分配，确保了机车的牵引运用。

通过上述优化和改善，一方面为实现HXN5机车通风机的国产化目标、降低通风机的采购成本奠定了基础；另一方面也为牵引电机集中供风方案的推广运用，简化机车的总体布局、优化机车通风系统提供了便捷之路。

［1］葛 宁，史万里，焦华宾.2000马力机车风道计算及优化设计总结报告［R］.南京航空航天大学，2009.