中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 陜西 西安 710018

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,電商專列、快捷貨運(yùn)將成為中國鐵路貨運(yùn)今后發(fā)展的重點(diǎn)方向,需要大量大容積、高速度、適應(yīng)現(xiàn)代物流運(yùn)輸特點(diǎn)的鐵路貨車做支撐。牽引電機(jī)作為貨車驅(qū)動力提供設(shè)備,將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,發(fā)揮自身最優(yōu)特性,實(shí)現(xiàn)貨車的牽引和制動功能。

由于電源的提供方式不同,在設(shè)計(jì)時(shí)為發(fā)揮各自在內(nèi)燃或電力工況下最優(yōu)特性,電機(jī)存在一定的差異性。為了實(shí)現(xiàn)簡統(tǒng)化設(shè)計(jì),滿足電機(jī)在內(nèi)燃和電力工況下共用,本文從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究。

1 環(huán)境適應(yīng)性研究

不同于電力機(jī)車適用于電氣化線路,內(nèi)燃機(jī)車適用范圍更廣,特別是一些高海拔、高氣壓差和高溫差等條件惡劣地區(qū)。需要針對內(nèi)燃機(jī)車使用環(huán)境的特殊性進(jìn)行以下研究。

1．1 低溫條件下結(jié)構(gòu)部件的選材 依據(jù)內(nèi)、電牽引電機(jī)使用工況和使用環(huán)境的差異,電機(jī)的端蓋和機(jī)座等關(guān)鍵受力部件,選擇耐低溫的鑄鋼275－485材料。鑄件需完成－40℃低溫沖擊功檢測。

1．2 選擇耐低溫軸承潤滑脂,滿足低溫啟動性能要求。

選擇國內(nèi)常用的美孚、克虜伯和長城牌潤滑脂,對比試驗(yàn)了常用的潤滑脂工作溫度和粘度,如表1。

表1

牽引電機(jī)低溫啟動時(shí),較高粘度的潤滑脂泵送性、低溫扭矩等較差,潤滑性能下降。克虜伯和長城潤滑脂的粘度較低,并且克虜伯潤滑脂的工作溫度更低,范圍更寬。綜合對比,內(nèi)、電共用型牽引電機(jī)的潤滑脂選擇克虜伯L152。

1．3 整機(jī)低溫考核 依據(jù)GB2423．1－2008的規(guī)定,完成了低溫存放試驗(yàn)和低溫啟動試驗(yàn)。

(1)低溫存放試驗(yàn):環(huán)境溫度－40℃,存放16h,恢復(fù)至環(huán)溫后檢查電機(jī),空載啟動正常。

(2)低溫啟動試驗(yàn):環(huán)境溫度降至－25℃時(shí),電機(jī)啟動及運(yùn)行正常;繼續(xù)降溫至－40℃,電機(jī)能夠正常運(yùn)行。

1．4 高海拔對電機(jī)通風(fēng)冷卻影響 海拔升高,大氣壓力下降,空氣密度降低,溫差和濕度變化較大,這些因素都會影響電機(jī)散熱。依據(jù)TB3213－2009《高原機(jī)車車輛電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)條件》規(guī)定,仿真分析了牽引電機(jī)溫升相同時(shí),不同海拔下,電機(jī)需要的冷卻通風(fēng)量,如表2;分析了相同的冷卻風(fēng)量,不同海拔下,電機(jī)繞組平均溫升的變化,如表3。

表2

工 況 3 3000 2．11 30 0．78196工 況 4 4000 2．36 25 0．70154工 況 5 5100 2．64 19．5 0．61705

表3

依據(jù)不同海拔下電機(jī)冷風(fēng)風(fēng)量和溫升的對比分析,指導(dǎo)內(nèi)、電共用平臺牽引電機(jī)冷卻風(fēng)量和電機(jī)溫升裕量的選擇。

2 依托現(xiàn)有牽引電機(jī)技術(shù)平臺進(jìn)行電磁和結(jié)構(gòu)研究

依托同一時(shí)速平臺電力和內(nèi)燃機(jī)車牽引電機(jī),從工作特性、軸承選型、外形接口及整機(jī)結(jié)構(gòu)四個(gè)方面進(jìn)行對比研究,旨在論證牽引電機(jī)內(nèi)、電共用依存條件及后續(xù)的設(shè)計(jì)規(guī)范。

2．1 牽引電機(jī)工作特性對比研究 受柴油機(jī)功率限制,內(nèi)燃機(jī)車相對于電力機(jī)車,其牽引電機(jī)功率小。為獲得相近的持續(xù)轉(zhuǎn)矩及最高恒功運(yùn)行速度,內(nèi)燃機(jī)車牽引電機(jī)恒功范圍寬,一般在4倍左右,而電力機(jī)車牽引電機(jī)恒功范圍窄,保持在2倍左右。

a．兩種牽引電機(jī)按照內(nèi)燃機(jī)車特性計(jì)算時(shí)發(fā)熱對比。如上表,內(nèi)燃和電力機(jī)車牽引電機(jī)均按照內(nèi)燃機(jī)車電機(jī)牽引特性計(jì)算,電力機(jī)車電機(jī)較內(nèi)燃機(jī)車電機(jī)在進(jìn)恒功點(diǎn)、持續(xù)點(diǎn)及恒功高速點(diǎn),即長時(shí)運(yùn)行段,發(fā)熱因數(shù)最大降低了5%,損耗最大降低了4%。整個(gè)電機(jī)發(fā)熱狀況會進(jìn)一步得到優(yōu)化。

b．兩種牽引電機(jī)按照電力機(jī)車特性計(jì)算時(shí)發(fā)熱對比。如上表,內(nèi)燃機(jī)車牽引電機(jī)在按照電力機(jī)車特性計(jì)算時(shí),發(fā)熱因數(shù)最大提高了約30%,損耗也增加了約20%,計(jì)算繞組溫升已超過200K以上。但只要采取升壓恒功策略,即在保證低速點(diǎn)磁負(fù)荷不飽的情況下升高恒功高速點(diǎn)電壓就可以將溫升控制在180K以內(nèi)。

2．2 電機(jī)軸承結(jié)構(gòu)研究 目前大功率機(jī)車牽引電機(jī)主要采用三種動力驅(qū)動結(jié)構(gòu)和軸承布置:懸臂結(jié)構(gòu)、單端支承、雙端支承結(jié)構(gòu)。

表4

HXD1B、HXD1F內(nèi)錐軸＋柔性聯(lián)軸節(jié)＋斜齒輪軸NUB＋(NU＋NU＋QJ)雙端支承HXD2F 內(nèi)錐軸＋柔性聯(lián)軸節(jié)＋直齒輪軸NUB＋(NU＋NJ)HXD3B、HXD3D、HXN3 K內(nèi)錐軸＋薄板法蘭＋斜齒輪軸NUB＋(NU＋NU＋QJ)

對3種動力驅(qū)動結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析,設(shè)作用在齒輪上的嚙合力為F,如驅(qū)動端均采用相同圓柱滾子軸承,將懸臂結(jié)構(gòu)的軸承壽命設(shè)為1,在三種結(jié)構(gòu)的受力和壽命如下表:

表5

從上表中可以看出雙端支承結(jié)構(gòu)的效果最好,可大大提高軸承壽命。本平臺內(nèi)燃和電力機(jī)車牽引電機(jī)均采用雙端支撐的動力驅(qū)動結(jié)構(gòu)和軸承布置。

2．3 電機(jī)外形接口對比研究 本平臺內(nèi)燃和電力機(jī)車牽引電機(jī)與轉(zhuǎn)向架連接方式均為架懸式。其一端通過吊桿吊裝在轉(zhuǎn)向架上,另一端通過空心連接裝置實(shí)現(xiàn)與輪軸非接觸式轉(zhuǎn)向架安裝。電機(jī)除軸向長度相差33．5mm外,其余外形安裝尺寸均相同。兩種電機(jī)可以在兩個(gè)平臺之間互換安裝。

2．4 整機(jī)結(jié)構(gòu)研究 本平臺牽引電機(jī)的定子與承載式齒輪箱通過止口定位,螺栓連接。電機(jī)本體結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)子只有非傳動端單軸承支撐,傳動端通過聯(lián)軸節(jié)傳遞扭矩以驅(qū)動輪對,并依靠齒輪箱軸承支撐定位。兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一。

3 輕量化研究

由于內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車布置結(jié)構(gòu)的差異性,考慮機(jī)車軸重的限制,如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)、電通用異步牽引電機(jī)的重量統(tǒng)一,主要針對鐵心結(jié)構(gòu)形式、連線結(jié)構(gòu)形式、壓圈結(jié)構(gòu)形式等開展三維實(shí)體設(shè)計(jì),對比不同結(jié)構(gòu)形式下相同參數(shù)牽引電機(jī)的重量,尋求最優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

a．對既有電機(jī)從結(jié)構(gòu)件開展去除冗余工作,比如鑄件重量控制,接線盒采用絕緣材質(zhì),密封環(huán)等配件采用鑄鋁材質(zhì)等,從而降低電機(jī)結(jié)構(gòu)件的重量。

b．對于新設(shè)計(jì)電機(jī)采用碳纖維等新材料等以減輕電機(jī)重量。

4 絕緣耐受性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證牽引電機(jī)絕緣的耐受性,選取現(xiàn)有機(jī)車牽引電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐受性試驗(yàn)。將電機(jī)定子預(yù)烘至245℃后施加擊穿電壓,記錄擊穿電壓值和擊穿點(diǎn)并檢測膠含量,以此判斷絕緣結(jié)構(gòu)的耐受性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析,現(xiàn)有絕緣結(jié)構(gòu)可以長時(shí)工作的溫度極限是245℃。

5 溫升試驗(yàn)

5．1 轉(zhuǎn)子通風(fēng)方案驗(yàn)證 為了驗(yàn)證電機(jī)轉(zhuǎn)子不同通風(fēng)方案對整機(jī)溫升的影響,完成了有限元仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,為后續(xù)內(nèi)、電通用大功率異步牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)結(jié)構(gòu)的選擇提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

圖1 通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)有限元分析,轉(zhuǎn)子32個(gè)通風(fēng)孔堵12個(gè)通風(fēng)口后,進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)壓由1471Pa增大到1667Pa,風(fēng)量占比提高了約10%;定子線圈的平均溫升降低了約8K,轉(zhuǎn)子鐵芯的平均溫度增大了約17K。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析,轉(zhuǎn)子加堵后風(fēng)壓增加172Pa,繞組溫升降低了5 K,轉(zhuǎn)子溫升增加了8K,達(dá)到了198℃;我們再次選取一臺沒有加堵的電機(jī)進(jìn)行溫升,風(fēng)壓增加了52Pa,溫升降低了13K。通過以上兩次實(shí)驗(yàn)對比,說明了轉(zhuǎn)子加堵方案能夠一定程度上降低電機(jī)繞組溫升。

鑒于內(nèi)、電平臺共用電機(jī)的電磁方案相同,整機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化只有集中在定、轉(zhuǎn)子風(fēng)量的分配上,即轉(zhuǎn)子通風(fēng)結(jié)構(gòu)對整機(jī)溫升的影響。選擇不同轉(zhuǎn)子通風(fēng)方案,進(jìn)行有限元仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,得出溫升變化趨勢。

5．2 絕緣層厚度對溫升的影響 由于內(nèi)燃和電力機(jī)車異步牽引電機(jī)工作電壓的差異性,電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)不同,包括材料和厚度的差異。如果要實(shí)現(xiàn)內(nèi)、電異步牽引電機(jī)的絕緣共用,勢必存在低電壓電機(jī)使用加厚的絕緣結(jié)構(gòu)。本試驗(yàn)通過選擇不同風(fēng)量下,不同絕緣厚度進(jìn)行溫度場仿真分析,掌握絕緣層加厚對電機(jī)溫升的影響,即絕緣層厚度增加1倍,電機(jī)的平均溫升增加約6K,如表6。

表6

6 結(jié)論

通過對電機(jī)環(huán)境適應(yīng)性等方面研究,并依托既有電機(jī)進(jìn)行工作特性、結(jié)構(gòu)等方面對比研究,提出了牽引電機(jī)內(nèi)、電共用的可行性及依存條件,為后續(xù)內(nèi)、電共用牽引電機(jī)設(shè)計(jì)提供了理論支撐和試驗(yàn)依據(jù)。