安轉(zhuǎn)青，趙志強(qiáng)，李緒泉(.中車大同電力機(jī)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(jī)車司機(jī)室溫度是影響司乘人員日常工作舒適度的一項(xiàng)重要指標(biāo)，要保證司機(jī)室溫度符合鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]要求，減少能耗，除了安裝空調(diào)系統(tǒng)以外，還要求司機(jī)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(jī)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(jì)和良好的密封設(shè)計(jì).

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

1 司機(jī)室結(jié)構(gòu)介紹

電力機(jī)車司機(jī)室由司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)和司機(jī)室裝修組成.鋼結(jié)構(gòu)主要作用是承載和受力，并為司機(jī)室裝修提供空間和支撐，司機(jī)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(jī)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(jī)室內(nèi)部空間，通過裝修還可提高司機(jī)室整體隔熱、降噪性能.裝修包括前窗、側(cè)窗、入口門、機(jī)械間門及地板、保溫填料、內(nèi)飾板的安裝.司機(jī)室結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 司機(jī)室結(jié)構(gòu)

2 隔熱設(shè)計(jì)

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(jì)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(jì)、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，因此某型電力機(jī)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(shí)在后墻外側(cè)粘貼隔音保溫板，提高后墻隔熱性能.司機(jī)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(jì)

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(shí)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(jī)車司機(jī)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(jī)室所必須的強(qiáng)度和剛度，因此箱型結(jié)構(gòu)在機(jī)車鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)室強(qiáng)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(xiàn)[5-6]提供的窗戶傳熱系數(shù)簡化計(jì)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(dāng)已知玻璃和窗框的傳熱系數(shù)時(shí)，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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jī)室的隔熱弱點(diǎn).

5) 后墻隔熱設(shè)計(jì).司機(jī)室后墻為整體采購，后墻保溫設(shè)計(jì)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(jī)械間和司機(jī)室，為了保證司機(jī)室隔熱與密封，緊急制動閥在機(jī)械間突出一側(cè)用保溫隔音板嚴(yán)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(jì).司機(jī)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(jìn)一步提高隔熱性能，司機(jī)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(jì)

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

1) 門的密封設(shè)計(jì).司機(jī)室包括入口門和機(jī)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(dāng)車門關(guān)緊時(shí)，中空密封條被門扇和門框壓合，起到密封作用.機(jī)械間門在機(jī)械間側(cè)四周安裝一道密封條，關(guān)緊車門時(shí)，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(jì).前窗采用多層密封設(shè)計(jì)，密封結(jié)構(gòu)如圖3所示.玻璃與窗框四周采用密封膠實(shí)現(xiàn)密封，窗框與鋼結(jié)構(gòu)采用兩圈密封膠實(shí)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(shí)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(jī)室外蒙皮用一圈密封膠密封，當(dāng)側(cè)窗關(guān)上，螺母擰緊時(shí)，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(yàn)

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(zhǔn)確掌握上述隔熱結(jié)構(gòu)所具備的隔熱能力，對司機(jī)室進(jìn)行隔熱性能試驗(yàn)，即司機(jī)室傳熱系數(shù)(K值)的測定.傳熱系數(shù)(K值)是司機(jī)室性能的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[8]，它表明：司機(jī)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(jī)室隔熱性能的好壞，K值越小，表示隔熱性能越好.

試驗(yàn)在大同電力機(jī)車有限公司進(jìn)行，司機(jī)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(biāo)TB/T 1674—93規(guī)定的試驗(yàn)方法試驗(yàn).試驗(yàn)測試參數(shù)包括司機(jī)室內(nèi)外溫度、加熱功率等.試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1.

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

司機(jī)室傳熱系數(shù)K值：

采用本文介紹的隔熱設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)司機(jī)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(tuán)提出：為保證司機(jī)室的舒適性，規(guī)定當(dāng)外界溫度為-25℃時(shí)，機(jī)車靜止時(shí)的司機(jī)室整體傳熱系數(shù)K值不應(yīng)高于2.5 W/(m2·K)，本文試驗(yàn)測試司機(jī)室整體傳熱系數(shù)為1.68 W/(m2·K)，驗(yàn)證了這種隔熱設(shè)計(jì)方法的合理性.

2) 在不考慮機(jī)車成本和制造工藝的前提下，電力機(jī)車司機(jī)室隔熱能力仍可提高.設(shè)計(jì)方面，將司機(jī)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(jī)室內(nèi)外蒙皮直接填充的防寒填料密實(shí)度進(jìn)行控制.