頂置式水冷卻裝置可靠性設計

李海倫　周美旺　周美志

摘要：介紹了內燃動車組用頂置式水冷卻裝置的技術特點，總體結構，采用ANSYS有限元仿真分析軟件仿真計算和試驗驗證的方法驗證水冷卻裝置的可靠性，結果表明新研制的頂置式水冷卻裝置能夠滿足內燃動車組的要求，其技術可為同類產品提供較好的借鑒作用。

關鍵詞：內燃動車組;頂置式;水冷卻裝置;可靠性

0 ?引言

頂置式水冷卻裝置（以下簡稱水冷卻裝置）的研制，可有效解決列車高速行駛時，帶有大量灰塵和微粒的冷空氣堵塞內燃動車組車下安裝式冷卻裝置散熱器翅片中的空氣通道，致使散熱器的傳熱能力降低。同時此結構緊湊，換熱能力強，日常工作維護量小，便于安裝，優化了整個車體的布局。

1 ?水冷卻裝置性能指標

2 ?水冷卻裝置的總體方案

2.1 總體結構

水冷卻裝置由水散熱器（兩個）、鋁框架、風機組（兩個）、膨脹水箱、防塵網（兩個）、風扇防護網、接線盒組裝、水管路等組成一個模塊整體裝配在動車組車頂部，方便安裝、拆卸，結構見圖1所示。

2.2 工作原理

水冷卻裝置工作時，冷卻介質的在柴油機內置水泵的作用下進入水散熱器，在水散熱器芯體內與冷卻空氣進行強迫通風換熱，冷卻后流回柴油機，完成柴油機缸套冷卻水循環。同時，吸收熱量后的冷卻空氣從水冷卻裝置頂部排出。

鋁框架內部分隔兩個獨立的冷卻風道，葉輪采用軸流葉輪，電機采用變頻或雙速控制，可根據冷卻介質溫度對兩葉輪分別進行獨立控制，工作原理示意圖見圖2。

3 ?可靠性設計

3.1 水散熱器的防腐處理

水散熱器結構設計時，綜合考慮其性能和可靠性要求，采用硬度、耐磨性和耐腐蝕性均較好的電泳涂裝工藝進行表面防護。

3.2 水冷卻裝置的可靠性設計

水冷卻裝置內的風機組和框架為剛性連接，葉輪高速旋轉時產生的振動會傳遞到整個裝置上，若水冷卻裝置振動速度過高，會降低裝置的可靠性，影響列車內的舒適性。

采用ANSYS有限元仿真分析軟件進行水冷卻裝置的靜強度、疲勞強度及模態仿真分析，并進行振動速度的試驗驗證，驗證水冷卻裝置的自振固有頻率接近或等于風機的運轉頻率時的可靠性。

3.2.1 強度仿真分析

為保證水冷卻裝置在車輛運行過程中的安全可靠性，對其在運營載荷、振動和沖擊載荷下的靜強度進行分析和校核，分析中載荷的加載依據EN12663-2010標準。

在沖擊載荷作用下，水冷卻裝置鋁結構的最大應力值出現在安裝座固定處，風機組鋼結構的最大應力值出現在風機安裝板中間固定孔處，在運營載荷組合工況下，整個水冷卻裝置上的應力水平均較低，計算結果見表2。

通過分析可知，水冷卻裝置結構設計合理，其靜強度、疲勞強度均完全滿足要求。

3.2.2 模態仿真分析

模態是指機械結構的固有振動特性，每一個模態都有特定的固有頻率和模態振型。利用ANSYS有限元仿真分析軟件計算出單個風機組固有頻率，其中一階自振固有頻率為26.63Hz，0-50Hz頻率范圍內存在多個自振固有頻率，若接近或等于風機的運轉頻率，會產生共振，故對風機組結構進行優化設計。

優化后單風機一階自振固有頻率為82.843Hz，振型特征為風機組整體的垂向振動，避開風機的0-50Hz調頻范圍，水冷卻裝置整體的一階自振固有頻率46.733Hz，振型特征為水箱的局部振動，振型見圖3（a）所示。同時，應用諧響應法預測水冷卻裝置在不同頻率和幅值的簡諧載荷下的響應，探測共振。仿真計算得到單風機的三向振動速度均滿足JB/T8689-2014標準要求，水冷卻裝置水箱側安裝座振動速度變化明顯，在頻率46.733Hz出現峰值，但振動速度2.74mm/s滿足內燃動車組設計要求，見圖3（b）所示。

單個風機組自振固有頻率避開風機運行時0-50Hz的激振頻率，水冷卻裝置的自振固有頻率雖會接近風機的運轉頻率，但振動速度滿足設計要求，故可進行樣機的試制，并進行試驗驗證。

3.2.3 水冷卻裝置的試制和試驗驗證

基于仿真結果的指導性，采用手持式振動儀對電機、水冷卻裝置安裝座進行振動速度的測試。

在單風機變頻調速運轉時，測量電機軸承處的三向振動速度均小于4.6mm/s，滿足JB/T8689-2014標準要求，如圖4（a）所示。

在雙風機變頻調速運轉時，在46Hz附近存在共振頻率，水冷卻裝置水箱側安裝座的振動速度出現峰值2.53mm/s，但小于內燃動車組設計要求7.1mm/s，受共振影響，水箱側安裝座三向振動速度變化明顯，試驗數據如圖4（b）所示。

對比仿真分析和試驗結果，振動速度曲線的趨勢和數值基本一致，仿真和試驗相結合對水冷卻裝置結構進行優化設計，有效地控制共振問題，提高水冷卻裝置的可靠性。

4 ?結論

頂置式水冷卻裝置的設計合理，能夠滿足內燃動車組的技術要求。水冷卻裝置的整體集成技術研究，可實現內燃動車組水冷卻裝置的模塊化設計，結構緊湊，安裝簡便，維護工作量小，優化了車體的整體安裝布置，為國內內燃動車組的運用提供了一種新的冷卻技術。

參考文獻：

[1]EN12663-2010， Railway applications - Structural requirements of railway vehicle bodies.

[2]EN1999-1-3：2007， Eurocode 9： Design of aluminium structures-Part 1-3： fatigue.

[3]EN1999-1-3：2007， Eurocode 3： Design of steel structures-Part 1-9： fatigue.

[4]JB/T8689-2014，通風機振動檢測及其限值[S].

作者簡介：李海倫（1986-），女，遼寧大連人，碩士，中級工程師，研究方向為換熱系統設計。