羅謙、李華、何凱、陳卓

（株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和新型城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快，1 小時(shí)左右行程的都市圈和區(qū)域經(jīng)濟(jì)圈應(yīng)運(yùn)而生[1]。城際動(dòng)車(chē)作為居民在都市圈日常生活中的重要公共交通工具，其安全穩(wěn)定地運(yùn)行具有重要的社會(huì)意義，故對(duì)城際動(dòng)車(chē)的核心組件牽引變流器有非常高的可靠性要求，應(yīng)用大功率電子器件的散熱方式主要有：水冷、油冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷和走行風(fēng)冷等[2]。目前城際動(dòng)車(chē)牽引變流器大多采用水冷或強(qiáng)迫風(fēng)冷的冷卻形式[3]。而走行風(fēng)冷方式相較于水冷或強(qiáng)迫風(fēng)冷方式，可省去風(fēng)道和風(fēng)機(jī)[4]，簡(jiǎn)化牽引變流器的柜體結(jié)構(gòu)，減少風(fēng)機(jī)故障隱患和振動(dòng)噪聲的影響[5]。因此，走行風(fēng)冷方式將會(huì)在城際動(dòng)車(chē)牽引變流器上得到更多應(yīng)用[6]。

目前，對(duì)風(fēng)速與車(chē)速之間的變化關(guān)系方面的研究較少，僅有少量研究了阻力系數(shù)與車(chē)速的關(guān)系[7]。理論上城際動(dòng)車(chē)車(chē)速越快，其底部風(fēng)速越大，走行風(fēng)冷方式的散熱能力越強(qiáng)[8]。故明晰城際動(dòng)車(chē)牽引變流器周?chē)L(fēng)速與車(chē)速之間的變化關(guān)系有利于IGBT 模塊散熱設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)一種測(cè)試工裝來(lái)測(cè)量城際動(dòng)車(chē)牽引變流器周?chē)L(fēng)速隨車(chē)速的變化情況，量化了城際動(dòng)車(chē)牽引變流器周?chē)L(fēng)速和車(chē)速之間的關(guān)系。

1 風(fēng)速測(cè)試方法及設(shè)備

1.1 風(fēng)速測(cè)試方法

采用控制變量法進(jìn)行研究，以獲取城際動(dòng)車(chē)車(chē)速在5～100km/h 范圍內(nèi)變化時(shí)的車(chē)底風(fēng)速變化趨勢(shì)，保持試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中僅城際動(dòng)車(chē)車(chē)速發(fā)生改變，為排除個(gè)體性差異，單個(gè)車(chē)速進(jìn)行3 次測(cè)試試驗(yàn)，每次試驗(yàn)車(chē)速保持2min 以上。

1.2 風(fēng)速測(cè)試設(shè)備

風(fēng)速測(cè)試設(shè)備有測(cè)試數(shù)據(jù)采集儀和風(fēng)速傳感器，測(cè)試裝備型號(hào)為日本加野麥克斯公司（KANOMAX），System6242，Model 1550，量 程為0～9.9m/s 時(shí)，精度為0.01m/s，量程為10～50m/s 時(shí)，精度為0.1m/s。

2 風(fēng)速測(cè)試工裝

底蓋板測(cè)試工裝設(shè)計(jì)如圖1 所示，設(shè)置了20mm、40mm 和70mm 三個(gè)不同高度的扎線桿，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試布置如圖2 所示。

圖1 底蓋板工裝和風(fēng)速探頭安裝三維示意圖

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試布置

牽引變流器側(cè)板周?chē)L(fēng)速傳感器布置如圖3所示。

圖3 牽引變流器側(cè)板周?chē)L(fēng)速傳感器布置

3 測(cè)試數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)處理

圖4 為城際動(dòng)車(chē)牽引變流器布置底蓋板測(cè)試工裝時(shí)，城際動(dòng)車(chē)車(chē)速保持為60km/h 時(shí)的風(fēng)速測(cè)試值，圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）分別為同一次風(fēng)速測(cè)試試驗(yàn)中不同高度、不同位置處風(fēng)速隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，圖4（d）為不同次風(fēng)速測(cè)試試驗(yàn)中同一高度、同一位置處風(fēng)速隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。由圖4 可知，在城際動(dòng)車(chē)車(chē)速保持在60km/h 運(yùn)動(dòng)時(shí)，其底部風(fēng)速變化波動(dòng)較大，風(fēng)速在3.1～6.5m/s 之間波動(dòng)變化，對(duì)其風(fēng)速變化取平均值可得，在同一次風(fēng)速測(cè)試試驗(yàn)中，20mm 高左側(cè)、中間和右側(cè)扎線桿測(cè)量處風(fēng)速平均值分別為4.76m/s、4.77m/s 和4.71m/s，40mm 高左側(cè)、中間和右側(cè)扎線桿測(cè)量處風(fēng)速平均值分別為4.65m/s、4.84m/s 和4.82m/s，70mm 高左側(cè)、中間和右側(cè)扎線桿測(cè)量處風(fēng)速平均值分別為4.71m/s、4.77m/s 和4.88m/s，不同高度、不同位置處測(cè)試得到的風(fēng)速差距不大，最高不超過(guò)5%，可認(rèn)為在城際動(dòng)車(chē)底部風(fēng)速相同；在不同次風(fēng)速測(cè)試試驗(yàn)中，第一次、第二次和第三次測(cè)試20mm 高左側(cè)扎線桿測(cè)量處風(fēng)速平均值分別為4.76m/s、5.05m/s 和4.87m/s，不同次風(fēng)速測(cè) 試試驗(yàn)中測(cè)試得到同一高度、同一位置的測(cè)試風(fēng)速差距不超過(guò)10%。因此后續(xù)數(shù)據(jù)處理可采用風(fēng)速測(cè)試試驗(yàn)的總體平均值來(lái)表征城際動(dòng)車(chē)在不同車(chē)速下的底部牽引變流器周?chē)L(fēng)速。

圖4 城際動(dòng)車(chē)車(chē)速為60km/h 的風(fēng)速測(cè)試值

3.2 底蓋板工裝風(fēng)速測(cè)試

城際動(dòng)車(chē)牽引變流器布置底蓋板測(cè)試工裝時(shí)，城際動(dòng)車(chē)牽引變流器底部風(fēng)速隨車(chē)速變化趨勢(shì)，如圖5所示。隨著城際動(dòng)車(chē)車(chē)速的增大，其牽引變流器底部的風(fēng)速也會(huì)呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，在城際動(dòng)車(chē)車(chē)速為5～40km/h 變化時(shí)，其牽引變流器底部風(fēng)速與車(chē)速的比值隨車(chē)速的增大而減小，在城際動(dòng)車(chē)車(chē)速大于40km/h 后，其牽引變流器底部風(fēng)速與車(chē)速的比值在30%左右波動(dòng)。

圖5 牽引變流器底部風(fēng)速隨車(chē)速變化趨勢(shì)

3.3 牽引變流器側(cè)板周?chē)L(fēng)速測(cè)試

城際動(dòng)車(chē)牽引變流器側(cè)板周?chē)L(fēng)速隨車(chē)速變化趨勢(shì)，如圖6 所示。隨著城際動(dòng)車(chē)車(chē)速增大，牽引變流器側(cè)板周?chē)L(fēng)速增大，在城際動(dòng)車(chē)車(chē)速為5～40km/h 變化時(shí)，牽引變流器側(cè)板周?chē)L(fēng)速與車(chē)速的比值，隨車(chē)速的增大而呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)，在城際動(dòng)車(chē)車(chē)速大于40km/h 后，牽引變流器側(cè)板周?chē)L(fēng)速與車(chē)速的比值在33%左右波動(dòng)。

圖6 牽引變流器側(cè)板周?chē)L(fēng)速隨車(chē)速變化趨勢(shì)

對(duì)比圖5、圖6 可知，在城際動(dòng)車(chē)車(chē)速為5～40km/h 時(shí)，牽引變流器側(cè)板周?chē)L(fēng)速小于底部風(fēng)速，但在城際動(dòng)車(chē)車(chē)速大于40km/h 后，牽引變流器側(cè)板周?chē)L(fēng)速大于底部風(fēng)速。

3.4 風(fēng)速測(cè)試數(shù)據(jù)分析

對(duì)城際動(dòng)車(chē)牽引變流器布置底蓋板測(cè)試工裝時(shí)得到的底部風(fēng)速測(cè)試值進(jìn)行數(shù)值擬合，得到公式（1）

式（1）中：vd為底面風(fēng)速，m/s；d為底面風(fēng)速比例系數(shù)，%；V為車(chē)速，km/h。該公式可用作指導(dǎo)放置于牽引變流器底部的散熱器在風(fēng)道試驗(yàn)中，基于不同的車(chē)速條件下，風(fēng)道入口處應(yīng)給予的風(fēng)速。

對(duì)城際動(dòng)車(chē)牽引變流器側(cè)板周?chē)L(fēng)速測(cè)試值進(jìn)行數(shù)值擬合，得到公式（2）：

式（2）中：vs為側(cè)面風(fēng)速，m/s；s為側(cè)面風(fēng)速比例系數(shù)，%；V為車(chē)速，km/h。該公式可用作指導(dǎo)放置于牽引變流器側(cè)部的散熱器在風(fēng)道試驗(yàn)中，基于不同的車(chē)速條件下，風(fēng)道入口處應(yīng)給予的風(fēng)速。

4 結(jié)論

該試驗(yàn)通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)測(cè)試工裝來(lái)研究城際動(dòng)車(chē)牽引變流器周?chē)L(fēng)速隨車(chē)速的變化情況，經(jīng)過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)有如下結(jié)論：

其一，牽引變流器底面風(fēng)速在車(chē)速為5～40km/h之間時(shí)，風(fēng)速與車(chē)速的比值隨車(chē)速的增大而減小，在車(chē)速大于40km/h 后，風(fēng)速與車(chē)速的比值在30%左右波動(dòng)；牽引變流器側(cè)面風(fēng)速在車(chē)速為5～40km/h 之間時(shí)，風(fēng)速與車(chē)速的比值隨車(chē)速的增大而減小，在車(chē)速大于40km/h 后，風(fēng)速與車(chē)速的比值在33%左右波動(dòng)。

其二，在城際動(dòng)車(chē)車(chē)速為5～40km/h 時(shí)，牽引變流器側(cè)板周?chē)L(fēng)速小于底部風(fēng)速，但在城際動(dòng)車(chē)車(chē)速大于40km/h 后，牽引變流器側(cè)板周?chē)L(fēng)速大于底部風(fēng)速。

其三，通過(guò)數(shù)值擬合得出