顶置式水冷却装置可靠性设计

李海伦　周美旺　周美志

摘要：介绍了内燃动车组用顶置式水冷却装置的技术特点，总体结构，采用ANSYS有限元仿真分析软件仿真计算和试验验证的方法验证水冷却装置的可靠性，结果表明新研制的顶置式水冷却装置能够满足内燃动车组的要求，其技术可为同类产品提供较好的借鉴作用。

关键词：内燃动车组;顶置式;水冷却装置;可靠性

0  引言

顶置式水冷却装置（以下简称水冷却装置）的研制，可有效解决列车高速行驶时，带有大量灰尘和微粒的冷空气堵塞内燃动车组车下安装式冷却装置散热器翅片中的空气通道，致使散热器的传热能力降低。同时此结构紧凑，换热能力强，日常工作维护量小，便于安装，优化了整个车体的布局。

1  水冷却装置性能指标

2  水冷却装置的总体方案

2.1 总体结构

水冷却装置由水散热器（两个）、铝框架、风机组（两个）、膨胀水箱、防尘网（两个）、风扇防护网、接线盒组装、水管路等组成一个模块整体装配在动车组车顶部，方便安装、拆卸，结构见图1所示。

2.2 工作原理

水冷却装置工作时，冷却介质的在柴油机内置水泵的作用下进入水散热器，在水散热器芯体内与冷却空气进行强迫通风换热，冷却后流回柴油机，完成柴油机缸套冷却水循环。同时，吸收热量后的冷却空气从水冷却装置顶部排出。

铝框架内部分隔两个独立的冷却风道，叶轮采用轴流叶轮，电机采用变频或双速控制，可根据冷却介质温度对两叶轮分别进行独立控制，工作原理示意图见图2。

3  可靠性设计

3.1 水散热器的防腐处理

水散热器结构设计时，综合考虑其性能和可靠性要求，采用硬度、耐磨性和耐腐蚀性均较好的电泳涂装工艺进行表面防护。

3.2 水冷却装置的可靠性设计

水冷却装置内的风机组和框架为刚性连接，叶轮高速旋转时产生的振动会传递到整个装置上，若水冷却装置振动速度过高，会降低装置的可靠性，影响列车内的舒适性。

采用ANSYS有限元仿真分析软件进行水冷却装置的静强度、疲劳强度及模态仿真分析，并进行振动速度的试验验证，验证水冷却装置的自振固有频率接近或等于风机的运转频率时的可靠性。

3.2.1 强度仿真分析

为保证水冷却装置在车辆运行过程中的安全可靠性，对其在运营载荷、振动和冲击载荷下的静强度进行分析和校核，分析中载荷的加载依据EN12663-2010标准。

在冲击载荷作用下，水冷却装置铝结构的最大应力值出现在安装座固定处，风机组钢结构的最大应力值出现在风机安装板中间固定孔处，在运营载荷组合工况下，整个水冷却装置上的应力水平均较低，计算结果见表2。

通过分析可知，水冷却装置结构设计合理，其静强度、疲劳强度均完全满足要求。

3.2.2 模态仿真分析

模态是指机械结构的固有振动特性，每一个模态都有特定的固有频率和模态振型。利用ANSYS有限元仿真分析软件计算出单个风机组固有频率，其中一阶自振固有频率为26.63Hz，0-50Hz频率范围内存在多个自振固有频率，若接近或等于风机的运转频率，会产生共振，故对风机组结构进行优化设计。

优化后单风机一阶自振固有频率为82.843Hz，振型特征为风机组整体的垂向振动，避开风机的0-50Hz调频范围，水冷却装置整体的一阶自振固有频率46.733Hz，振型特征为水箱的局部振动，振型见图3（a）所示。同时，应用谐响应法预测水冷却装置在不同频率和幅值的简谐载荷下的响应，探测共振。仿真计算得到单风机的三向振动速度均满足JB/T8689-2014标准要求，水冷却装置水箱侧安装座振动速度变化明显，在频率46.733Hz出现峰值，但振动速度2.74mm/s满足内燃动车组设计要求，见图3（b）所示。

单个风机组自振固有频率避开风机运行时0-50Hz的激振频率，水冷却装置的自振固有频率虽会接近风机的运转频率，但振动速度满足设计要求，故可进行样机的试制，并进行试验验证。

3.2.3 水冷却装置的试制和试验验证

基于仿真结果的指导性，采用手持式振动仪对电机、水冷却装置安装座进行振动速度的测试。

在单风机变频调速运转时，测量电机轴承处的三向振动速度均小于4.6mm/s，满足JB/T8689-2014标准要求，如图4（a）所示。

在双风机变频调速运转时，在46Hz附近存在共振频率，水冷却装置水箱侧安装座的振动速度出現峰值2.53mm/s，但小于内燃动车组设计要求7.1mm/s，受共振影响，水箱侧安装座三向振动速度变化明显，试验数据如图4（b）所示。

对比仿真分析和试验结果，振动速度曲线的趋势和数值基本一致，仿真和试验相结合对水冷却装置结构进行优化设计，有效地控制共振问题，提高水冷却装置的可靠性。

4  结论

顶置式水冷却装置的设计合理，能够满足内燃动车组的技术要求。水冷却装置的整体集成技术研究，可实现内燃动车组水冷却装置的模块化设计，结构紧凑，安装简便，维护工作量小，优化了车体的整体安装布置，为国内内燃动车组的运用提供了一种新的冷却技术。

参考文献：

[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，通风机振动检测及其限值[S].

作者简介：李海伦（1986-），女，辽宁大连人，硕士，中级工程师，研究方向为换热系统设计。