李仕林

(中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)外高速鐵路車輛的快速發(fā)展，列車速度不斷地迭代升級(jí)。2013年，中國(guó)鐵路總公司提出了我國(guó)高速動(dòng)車組的創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略部署，截至目前，我國(guó)350 km標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組已全面上線運(yùn)營(yíng)，250 km標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車已通過(guò)樣車驗(yàn)證，正在進(jìn)行小批量裝車，400 km標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組已研制成功，處于調(diào)試階段，600 km磁浮列車正在研制中[1]。目前大部分高速列車靠電力牽引，包括牽引變流器、牽引變壓器、輔助變壓器、列供柜、牽引電機(jī)等電力裝備部件。

牽引變流-變壓器成為電力高速列車的動(dòng)力核心，以高壓交流傳動(dòng)作為牽引動(dòng)力的列車占主要地位[2-3]。牽引變流器、變壓器在交流牽引系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，牽引變流器在車輛運(yùn)行過(guò)程中需要不斷切換開(kāi)關(guān)，在開(kāi)啟和關(guān)斷的過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱；牽引變壓器是將交流電力系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)輸為2個(gè)帶負(fù)載的單相牽引線路，變壓器繞阻在工作過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱，其熱量不及時(shí)散出，就會(huì)出現(xiàn)變流-變壓器過(guò)熱，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常工作，因此，關(guān)于冷卻系統(tǒng)業(yè)內(nèi)主要針對(duì)這兩大核心部件展開(kāi)研究[4-6]。

1 國(guó)內(nèi)外軌道車輛冷卻技術(shù)發(fā)展情況

1.1 國(guó)內(nèi)外冷卻技術(shù)發(fā)展歷程

世界上第一代交流傳動(dòng)電力機(jī)車采用普通晶閘管變流器，其冷卻方式為油冷卻；世界第二代交流傳動(dòng)電力機(jī)車采用GTO晶閘管變流器，其冷卻方式為油冷卻和水冷卻，部分車型采用沸騰和熱管冷卻；國(guó)內(nèi)第一代電力機(jī)車采用GTO晶閘管變流器采用水冷卻；第三代交流傳動(dòng)電力機(jī)車采用IGBT變流器，冷卻采用強(qiáng)迫通風(fēng)-水冷卻，在水泵的作用下將變流器的熱流流到熱交換器中，在冷卻風(fēng)機(jī)作用下與冷卻空氣進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)冷卻[7]。

電力機(jī)車牽引變壓器油冷卻系統(tǒng)由油泵+換熱器+冷卻風(fēng)機(jī)構(gòu)成，均采用強(qiáng)迫通風(fēng)-油冷卻方式。

電力動(dòng)車組牽引變流-變壓器冷卻技術(shù)的發(fā)展與電力機(jī)車類似，牽引變流器通常采用強(qiáng)迫通風(fēng)-水冷卻技術(shù)；牽引變壓器采用強(qiáng)迫通風(fēng)-油冷卻技術(shù)，少數(shù)動(dòng)力分散性動(dòng)車組牽引變流器采用熱管或相變冷卻技術(shù)[8-9]。

1.2 國(guó)內(nèi)軌道交通冷卻技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)軌道交通車輛采用的是技術(shù)引進(jìn)、消化吸收、自主創(chuàng)新的發(fā)展路線，因此研發(fā)初始時(shí)間比國(guó)外晚，但起點(diǎn)較高，發(fā)展速度快，技術(shù)日新月異。

隨著牽引變流器-變壓器冷卻需求及冷卻技術(shù)的發(fā)展，低速小功率、低熱流密度牽引變流器通常采用自然風(fēng)冷；低速重載牽引變壓器采用油浸式強(qiáng)迫風(fēng)冷油技術(shù)；高速大功率牽引變流器采用強(qiáng)迫風(fēng)冷水技術(shù)；少數(shù)高速小功率牽引變流器-變壓器冷卻系統(tǒng)采用強(qiáng)迫風(fēng)相變冷卻技術(shù)[10-11]。

因此，從軌道交通裝備的發(fā)展過(guò)程看，牽引變流器、變壓器的冷卻采用的方式有空氣冷卻、強(qiáng)迫水冷卻、強(qiáng)迫油冷卻、相變冷卻等形式。

從冷卻系統(tǒng)冷卻能力自動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)看，軌道交通冷卻系統(tǒng)屬于被動(dòng)式冷卻，僅基于冷卻角度，而不是從系統(tǒng)熱管理角度出發(fā)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化控制。

從安裝方式看，大部分電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s裝置安裝于機(jī)械間內(nèi)、車頂、車底，有集中式冷卻和分散式冷卻2種，為提高產(chǎn)品的空間利用率，動(dòng)力集中式冷卻系統(tǒng)均采用塔式結(jié)構(gòu)。

國(guó)內(nèi)軌道交通牽引變流-變壓器冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)種類、冷卻方式與國(guó)外先進(jìn)軌道交通技術(shù)水平相當(dāng)。然而，在產(chǎn)品可靠性、輕量化、低噪聲方面依然存在一定的差距，因此，軌道交通冷卻裝備的可靠性、輕量化、噪聲控制，目前是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

2 軌道交通車輛冷卻系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展

2.1 國(guó)內(nèi)外軌道交通冷卻技術(shù)需求

1)整車熱管理需求。從軌道交通車輛系統(tǒng)部件集成及技術(shù)發(fā)展看，牽引變流-變壓器冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造來(lái)自不同的廠家，各自站在不同的角度進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，往往預(yù)留較大的設(shè)計(jì)余量，設(shè)計(jì)難度大，成本較高。因此，牽引變流-變壓器冷卻系統(tǒng)須從系統(tǒng)集成和整體角度，統(tǒng)籌熱量與熱管理對(duì)象與整車之間的關(guān)系，綜合考慮冷卻系統(tǒng)參數(shù)的匹配性，如對(duì)牽引變流-變壓器、水泵、油泵、熱交換器、冷卻通風(fēng)機(jī)從介質(zhì)溫度、流量、環(huán)境適用性進(jìn)行統(tǒng)籌分析；將牽引變流-變壓器冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、車體暖風(fēng)機(jī)、水暖、地?zé)岬扰ㄏ到y(tǒng)集成為一個(gè)有效的熱管理系統(tǒng)，從整車的角度控制整車熱量傳遞，保證各部件安全、高效運(yùn)行的同時(shí)，合理地分配熱能，從整車的角度出發(fā)變被動(dòng)為主動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻能力。熱管理系統(tǒng)的綜合利用，可極大降低輔機(jī)消耗，降低系統(tǒng)噪聲，提高車輛環(huán)境適用性[12-13]。

2)健康管理需求。利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)，獲取系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)信息，借助智能推算方法，根據(jù)系統(tǒng)歷史狀態(tài)、環(huán)境因素，對(duì)冷卻系統(tǒng)各關(guān)鍵部件進(jìn)行狀態(tài)分析和監(jiān)測(cè)、故障診斷及預(yù)測(cè)，評(píng)估和預(yù)測(cè)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)照提出維修保養(yǎng)計(jì)劃，由傳統(tǒng)的定期檢修向視情檢修轉(zhuǎn)變，該系統(tǒng)的建立，可大大地降低系統(tǒng)的檢修維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本[14-16]。

3)新型高效冷卻技術(shù)需求。隨著軌道交通的迅速發(fā)展，冷卻技術(shù)越來(lái)越好的情況下，利用特殊的通道結(jié)構(gòu)采用高效相變冷卻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效換熱。通常相變冷卻技術(shù)包括自循環(huán)的微循環(huán)換熱系統(tǒng)、強(qiáng)迫循環(huán)的流動(dòng)沸騰系統(tǒng)等。相變冷卻技術(shù)的應(yīng)用，可將局部傳熱效率提升1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，在有限空間內(nèi)大大提高系統(tǒng)換熱能力，有效縮小冷卻系統(tǒng)尺寸[17-20]。

4)低噪智能化通風(fēng)技術(shù)需求。軌道交通牽引變流-變壓器冷卻系統(tǒng)絕大部分采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，通風(fēng)機(jī)是該系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部件之一，因此低噪智能化通風(fēng)技術(shù)是目前研發(fā)的熱點(diǎn)。低噪智能化通風(fēng)機(jī)自帶軸承溫度、振動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控傳感器，為監(jiān)控、診斷和處置相關(guān)故障提供數(shù)據(jù)；冷卻風(fēng)機(jī)自帶調(diào)頻變速控制系統(tǒng)，在進(jìn)出口設(shè)置溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等傳感器，根據(jù)牽引電機(jī)、牽引變流器、牽引變壓器等部件的冷卻需求，智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)需求供風(fēng)量，從而達(dá)到降噪、節(jié)能減排的目的[21-24]。

5)大功率、高速內(nèi)燃機(jī)車輕量化冷卻技術(shù)需求。對(duì)于大功率貨運(yùn)電力機(jī)車、內(nèi)燃車、雙源制吊車機(jī)車，采用集中冷卻為主，包括牽引變壓器、牽引變流器與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的集成，目前國(guó)內(nèi)外柴油發(fā)電機(jī)大部分由柴油機(jī)廠家集成或由主機(jī)廠獨(dú)立設(shè)計(jì)；對(duì)于柴電雙源制機(jī)車，可將牽引變流器、牽引變壓器與柴油機(jī)冷卻進(jìn)行高度集成，可有效降低產(chǎn)品重量和制造成本[25]。

2.2 軌道車輛冷卻系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展方向

1)智能控制技術(shù)在冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用。水冷、油冷系統(tǒng)采用智能化控制通風(fēng)機(jī)、水泵、油泵，根據(jù)牽引變流器、變壓器入口水、油溫，實(shí)時(shí)調(diào)整通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可避免風(fēng)扇一直處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而減少輔機(jī)能耗；由于列車運(yùn)行范圍廣，絕大部分時(shí)間輔機(jī)在低速狀態(tài)運(yùn)行，可大大延長(zhǎng)輔機(jī)的使用壽命；通過(guò)對(duì)冷卻系統(tǒng)核心參數(shù)的管理，可全面實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻系統(tǒng)功能和運(yùn)行狀態(tài)的管理[26-29]。

2)高效納米流體換熱技術(shù)的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代科技水平的發(fā)展，在其他冷卻技術(shù)領(lǐng)域，為提高冷卻介質(zhì)的換熱效率，納米流體技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。在軌道交通不斷追求高效的背景下，可致力于研究新型的換熱介質(zhì)，如石墨烯流體、Cu-水納米流體、SiO2-水、SiC-乙二醇納米流體等。

3)消聲技術(shù)的應(yīng)用。隨著軌道交通車輛對(duì)于舒適性及環(huán)保要求的不斷提升，要求大功率水、油冷卻系統(tǒng)用冷卻風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲影響必須降至最低，因此冷卻裝置的降噪技術(shù)是目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題?？稍趥鞑ネ緩缴喜捎酶袈暬蛭暣胧?，可在發(fā)聲源處采用有源主動(dòng)降噪技術(shù)來(lái)降低噪聲。

4)混合式冷卻-油水+相變冷卻技術(shù)的應(yīng)用。結(jié)合相變高效換熱，水冷、油冷的工作特征，實(shí)現(xiàn)兩種或多種技術(shù)的融合，揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，提高換熱系統(tǒng)冷卻能力，縮小體積，延長(zhǎng)壽命，降低輔助功率消耗。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)外冷卻技術(shù)發(fā)展，軌道交通牽引變流-變壓器、牽引電機(jī)等一系列需要冷卻的產(chǎn)品，在滿足功能需求的同時(shí)，向綠色、高效、低噪、智能化的方向全面發(fā)展。為滿足軌道車輛冷卻現(xiàn)代化發(fā)展需求，本文提出如下建議。

1)從整車的角度出發(fā)，采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路，統(tǒng)籌分析，優(yōu)化參數(shù)。

2)利用智能化控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)技術(shù)的有效控制，提高效率降低能耗。

3)可通過(guò)主動(dòng)加被動(dòng)的消聲技術(shù)降低系統(tǒng)噪聲。

4)研發(fā)新型納米流體替代現(xiàn)有的冷卻介質(zhì)，提高傳熱系數(shù)。

5)研究一種新型的混合式相變冷卻技術(shù)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)體積大、效率低的不足。