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

        2021-07-07 13:44:40韓東虎
        關(guān)鍵詞:神華螺絲機(jī)車

        韓東虎

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

        神華號(HXD1)交流電力機(jī)車是中車株洲電力機(jī)車有限公司為神華集團(tuán)研制生產(chǎn)的大功率八軸牽引電力機(jī)車,它是在成型的大功率系列交流機(jī)車的技術(shù)基礎(chǔ)上,結(jié)合神華鐵路特點(diǎn)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(jī)車[1]。該機(jī)車的成功研制,改善了神華鐵路運(yùn)輸不足的狀況,成為神華集團(tuán)大準(zhǔn)鐵路萬噸牽引任務(wù)的主力軍,滿足了運(yùn)輸?shù)膭恿π阅苄枨蟆?/p>

        機(jī)車牽引電機(jī)為電力機(jī)車提供動力,牽引電機(jī)安全穩(wěn)定的工作是機(jī)車安全運(yùn)行的前提[2]。由于HXD1神華號機(jī)車為重載牽引,所以牽引電機(jī)為大功率輸出。作為機(jī)車的動力核心,其散熱性能的好壞將影響機(jī)車的運(yùn)行安全,而牽引電機(jī)的工作溫度大小又受機(jī)車通風(fēng)系統(tǒng)的直接影響[3,4]。影響電機(jī)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(jī)車運(yùn)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(jī)車運(yùn)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(jī)提供足夠的冷卻空氣,影響電機(jī)壽命,嚴(yán)重會引起機(jī)車事故問題。基于此,針對神華號HXD1機(jī)車牽引電機(jī)軟風(fēng)道的現(xiàn)狀,對機(jī)車軟風(fēng)道從材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、安裝方式等方面進(jìn)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(yùn)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(jī)車牽引電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)

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

        大氣通過側(cè)墻過濾器過濾后經(jīng)風(fēng)機(jī)加速,導(dǎo)向風(fēng)道,經(jīng)過軟風(fēng)道從而對牽引電機(jī)進(jìn)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(jī)通風(fēng)支路

        2 牽引電機(jī)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(jī)車使用的牽引電機(jī)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(jī)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(jī)連接,以求固定以及密封作用,但實際情況,在機(jī)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(jī)中,造成嚴(yán)重的電機(jī)損壞事故;②螺絲斷開后,軟風(fēng)道與電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)由于通風(fēng)量不足,電機(jī)溫度一直居高不下,造成電機(jī)壽命短、事故頻發(fā)的問題。軟風(fēng)道處于機(jī)車車架下部,操作空間狹小,工人必須進(jìn)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(yùn)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(jī)車運(yùn)行安全,有必要將其進(jìn)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(diǎn)優(yōu)化。主要優(yōu)化的方面有如下幾點(diǎn):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(qiáng)。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(jī)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(jī)上。當(dāng)牽引電機(jī)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(jī)車車架下部操作空間狹小,工人必須進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(qiáng)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(jī)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(jī)車上裝車試運(yùn)行。機(jī)車運(yùn)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(jī)正常運(yùn)行。運(yùn)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(jī)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(jī)冷空氣有效地將牽引電機(jī)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(jī)車牽引電機(jī)軟風(fēng)道易破損、通風(fēng)量減少,致使電機(jī)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(jī)軟風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,通過實驗對比和裝車試運(yùn)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(qiáng)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(diǎn),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(jī)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(jī)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。

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