一種內燃動車冷卻系統設計

高洪鎮 李來彬 楊興清 權光輝 崔秀玲

一種內燃動車冷卻系統設計

高洪鎮 李來彬 楊興清 權光輝 崔秀玲

介紹斯里蘭卡內燃動車冷卻系統設計中涉及的冷卻計算；闡述冷卻系統的冷卻裝置、冷卻風扇驅動裝置、進氣濾清窗、頂百葉窗、膨脹水箱等主要部件結構設計的特點。斯里蘭卡內燃動車于2012年底開始在斯里蘭卡鐵路公司投入運用，其車冷卻系統工作穩定可靠，經受住了當地高溫、高濕、多雨、多鹽霧環境的考驗。

斯里蘭卡；內燃動車；冷卻系統；冷卻風扇；進氣濾清窗；膨脹水箱

斯里蘭卡內燃動車組是按照斯里蘭卡鐵路公司要求專門設計的一款交-直電傳動內燃動車組。動車組由動車和拖車編組而成。動車采用MTU12V4000R41柴油機，柴油機功率1 500 kW。柴油機冷卻系統分高、低溫2個系統，機油散熱包含在高溫系統中。根據傳統成熟結構及設計經驗，動車總體要求如下：在動車內設置獨立的冷卻裝置單元，其中包括冷卻裝置構架、散熱器、風扇座、風扇等；冷卻風扇由液力偶合器驅動；冷卻裝置頂部設排風頂百葉窗；冷卻系統最高點設膨脹水箱。

1 冷卻計算

（1） MTU12V4000R41柴油機熱工參數見表1。

（2）環境條件。海拔高度：≤1 800 m；環境溫度：5～40 ℃；相對濕度：80%～95%；環境氣候特點：熱帶雨林氣候，高溫多雨、鹽度大。

（3）冷卻計算。根據柴油機熱工性能參數、斯里蘭卡環境條件及動車總體結構要求，擬選用32組管片式雙流道散熱器、1臺SJF-15C型風扇，按表2參數進行冷卻計算。

按上述系統配置方案，高、低溫冷卻系統冷卻余量均能達到40%以上，滿足用戶提出的設計要求。因此，最終選定雙流道散熱器32組，其中高溫冷卻系統32組（高溫側），低溫冷卻系統32組（低溫側）；冷卻風扇選用1臺SJF-15C型風扇，額定轉速1 560 r/min、全壓1 300 Pa、空氣流量37 m3/s。

表1 MTU12V4000R41柴油機熱工參數

表2 冷卻計算參數表

2 結構特點

2.1 冷卻裝置

在動車動力室內設置獨立的冷卻裝置單元，其中包括冷卻裝置構架、散熱器、風扇座、風扇等部件。散熱器為雙流道散熱器，在冷卻裝置上采用V形安裝布置。每節散熱器外側4排散熱管為低溫水散熱，內側3排散熱管為高溫水散熱。冷卻裝置構架上設有高、低溫水路集流管，分別與散熱器高溫水側、低溫水側連通，形成相互獨立的冷卻回路。高溫水為2個流程，低溫水為6個流程。在冷卻裝置高、低溫冷卻回路最高點均設有排氣口，將冷卻裝置工作時產生的氣體排至膨脹水箱。在冷卻裝置高、低溫冷卻回路最低點設有排水口，確保冷卻系統排水時能夠排放干凈。尤其需要注意的是，冷卻裝置在施工過程中務必確保高溫水路與低溫水路不得連通，這樣才能確保經冷卻裝置冷卻后的低溫冷卻水溫度能夠符合柴油機的工作要求。冷卻裝置高、低溫冷卻水流程見圖1。

冷卻風扇工作時，將低溫空氣從散熱器外側吸入冷卻裝置，然后通過頂部排風口及頂百葉窗排至車外，從而達到冷卻散熱器的目的。冷卻空氣流向見圖2。

圖1 冷卻裝置高、低溫冷卻水流程

2.2 冷卻風扇驅動裝置

冷卻風扇驅動裝置動力來源于柴油機，經風扇偶合器傳遞至冷卻風扇。冷卻風扇驅動裝置包括動力輸入萬向軸、風扇偶合器、偶合器傳動油散熱器、動力輸出萬向軸（見圖3）。驅動裝置工作原理：偶合器傳動箱輸入功通過偶合器的泵輪、渦輪傳遞至輸出軸，泵輪、渦輪間的工作介質為傳動油；泵輪、渦輪間充油或空轉是靠偶合器作用閥來控制的，當偶合器充油時冷卻風扇工作，偶合器空轉時冷卻風扇停止工作；在高、低溫冷卻系統中均裝有溫度傳感器，將水溫信號傳輸至動車PLC，PLC根據水溫信號控制偶合器作用閥開啟、關閉，從而控制冷卻風扇啟動、停止；偶合器作用閥在柴油機高溫出水溫度達到92 ℃時開啟、85 ℃時關閉，在柴油機低溫進水溫度達到55 ℃時開啟、48 ℃時關閉；當柴油機轉速為1 800 r/min時，對應的冷卻風扇轉速約為1 560 r/min。

偶合器的工作原理和變扭器基本相似。當泵輪軸帶動泵輪旋轉時，泵輪中的傳動油一方面隨泵輪旋轉，其速度成為牽連速度，另一方面在離心力作用下，由泵輪入口流向泵輪出口，其速度成為相對速度。液流的絕對速度為牽連速度與相對速度的合成。此時，泵輪將柴油機輸入的機械能轉換為傳動油的動能與勢能。以絕對速度從泵輪流出的傳動油，立即沖向泵輪出口對面的渦輪進口，在渦輪內與渦輪葉片相互作用，使渦輪獲得一定的扭矩和轉速。此時，流動的傳動油在泵輪中獲得的動能和勢能，在渦輪中又被轉化為渦輪的機械能輸出。從渦輪流出的傳動油重新進入泵輪，如此循環流動，保證偶合器正常工作。

2.3 進氣濾清窗

為確保動力室進氣清潔，在動力室冷卻空氣進氣口處設置了瓦楞式進氣濾清窗。當冷卻風扇工作時，冷卻空氣在風扇吸力作用下經由瓦楞式進氣濾清窗進入動力室。冷卻空氣中攜帶的較大直徑的沙粒、灰塵等固體雜質在慣性力的作用下與冷卻空氣分離并經由窗下部排塵口落至車外。為了過濾柳絮、楊絮等絮狀雜物，在瓦楞式進氣濾清窗內側設置了不銹鋼過濾網窗。不銹鋼過濾網窗為方便拆卸式安裝結構，可根據過濾網的臟污情況隨時進行清洗。瓦楞式進氣濾清窗結構見圖4。

2.4 頂百葉窗

頂百葉窗安裝在冷卻裝置排風口處。冷卻風扇工作時，冷卻裝置頂部排風口排出的空氣將頂百葉窗的百葉吹開并排至車外；冷卻風扇停止時，百葉在重力作用下關閉，可防止雨水進入冷卻裝置。百葉葉片采用0．8 mm厚的薄不銹鋼板成型而成，具有足夠的線性剛度和較輕的質量，在工作過程中能夠承受頻繁的撞擊而不致變形。該頂百葉窗結構簡單，性能穩定可靠，確保了冷卻系統的工作可靠性。頂百葉窗結構見圖5。

2.5 膨脹水箱

在冷卻系統最高點設有膨脹水箱，起到向冷卻系統補水及為冷卻系統排氣的作用。膨脹水箱頂部設有壓力調節閥，開啟壓力為70 kPa，使冷卻系統在加壓條件下工作。斯里蘭卡鐵路沿線最高海拔為1 800 m，對應最低大氣壓約為79．5 kPa，這樣冷卻系統絕對工作壓力最小約為149．5 kPa，該壓力值對應的冷卻液沸點約為111．2 ℃，大于柴油機最高允許工作溫度（99 ℃），確保了柴油機冷卻系統能在正常的溫度范圍內工作。

圖4 瓦楞式進氣濾清窗結構

圖5 頂百葉窗結構

壓力調節閥具體工作過程：當柴油機在1 800 m海拔條件下工作時，冷卻系統內的冷卻液受熱膨脹、冷卻液內溶解的空氣受熱汽化，使冷卻系統內的壓力升高。當系統壓力升高至約149．5 kPa時，壓力調節閥打開、向外排氣。同時，該壓力調節閥還有在負壓條件下向內吸氣的功能，即當柴油機停機、冷卻系統停止工作后，冷卻液溫度下降、體積縮小，冷卻系統內的壓力降低，當系統內部壓力低于外界大氣壓力約5 kPa時，壓力調節閥上的吸氣閥打開，確保停機時冷卻系統內外壓力的平衡。膨脹水箱結構見圖6。

圖6 膨脹水箱結構

3 結束語

該批次動車已于2012年底開始在斯里蘭卡鐵路公司投入運用，其車冷卻系統工作穩定可靠，經受住了當地高溫、高濕、多雨、多鹽霧環境的考驗。

[1] 弓海斌． 一種內燃動車傳動系統的設計研究[J]． 內燃機與動力裝置，2010(6)：24-27．

高洪鎮：南車青島四方機車車輛股份有?限公司，高級工程師，山東?青?島，?266111

李來彬：南車青島四方機車車輛股份有?限公司，高級工程師，山東?青?島，?266111

楊興清：南車青島四方機車車輛股份有?限公司，教授級高級工程師，?山東?青島，?266111

權光輝：南車青島四方機車車輛股份有?限公司，高級工程師，山東?青島，?266111

崔秀玲：南車青島四方機車車輛股份有?限公司，工程師，山東?青島， 266111

責任編輯王小紅

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