神華號(HXD1)電力機車牽引電機軟風道優化設計與分析

韓東虎

(國能新朔鐵路有限責任公司 機務分公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300)

神華號(HXD1)交流電力機車是中車株洲電力機車有限公司為神華集團研制生產的大功率八軸牽引電力機車，它是在成型的大功率系列交流機車的技術基礎上，結合神華鐵路特點研制出的以動力單元為基礎的模塊式設計，最終形成了2(B0-B0)、3(B0-B0)兩種類型的大功率交流機車[1]。該機車的成功研制，改善了神華鐵路運輸不足的狀況，成為神華集團大準鐵路萬噸牽引任務的主力軍，滿足了運輸的動力性能需求。

機車牽引電機為電力機車提供動力，牽引電機安全穩定的工作是機車安全運行的前提[2]。由于HXD1神華號機車為重載牽引，所以牽引電機為大功率輸出。作為機車的動力核心，其散熱性能的好壞將影響機車的運行安全，而牽引電機的工作溫度大小又受機車通風系統的直接影響[3，4]。影響電機冷卻效果的因素有很多，其中軟風道是送風冷卻的關鍵部件。軟風道與其他通風部件不同，軟風道特性為需要在機車運行過程中以及通風過程中上下左右移動，所以軟風道的材質、結構尺寸、安裝方式等條件均可影響風量大小[5]。由于機車運行產生的震動和擠壓變形，使軟風道在輸送冷卻風的情況下同時承受來自多個方向力的破壞，若軟風道出現漏風或破損將無法正常給牽引電機提供足夠的冷卻空氣，影響電機壽命，嚴重會引起機車事故問題。基于此，針對神華號HXD1機車牽引電機軟風道的現狀，對機車軟風道從材質、結構、安裝方式等方面進行設計優化，整體提升軟風道通風效果以及安裝效率，通過實驗分析，裝車運行對比，結果表明優化后的軟風道通風效率提高、壽命增長、安裝效率大大增加。

1 HXD1型機車牽引電機通風冷卻系統

牽引電機通風支路如圖1所示。神華號機車每一節的牽引電機通風系統各自獨立，冷卻空氣循環的走向如下：大氣→側墻過濾器進風口→風道→牽引風機→風道支架→軟風道→牽引電機→車底大氣[6]。

大氣通過側墻過濾器過濾后經風機加速，導向風道，經過軟風道從而對牽引電機進行冷卻。這一過程對軟風道密封完好性要求極高。

圖1 牽引電機通風支路

2 牽引電機軟風道優化設計

2.1 原車風道分析

目前，神華號交流機車使用的牽引電機軟風道材質為單層膠布，褶皺處用鋼絲圈外整合，與牽引電機連接方式為螺絲固定，如圖2所示。此軟風道用14個M10的螺絲與牽引電機連接，以求固定以及密封作用，但實際情況，在機車行駛過程中由于軟風道不停地震動導致螺絲斷開，斷開的螺絲危害很大：①斷開的螺絲極易掉入電機中，造成嚴重的電機損壞事故；②螺絲斷開后，軟風道與電機密封不嚴，造成漏風等現象，冷卻不足；③螺絲會一直與軟風道布摩擦，單層軟風道布經不住螺絲長時間不停地沖擊。結合修程，對大準鐵路9臺HXD1機車軟風道使用情況調查發現，這種軟風道壽命極低，幾乎每個電機軟風道都會出現螺絲將膠布磨透現象，嚴重的出現軟風道上下分離，如圖3和圖4所示。這種情況導致電機由于通風量不足，電機溫度一直居高不下，造成電機壽命短、事故頻發的問題。軟風道處于機車車架下部，操作空間狹小，工人必須進行趴伏工作，工作難度大，危險性高。并且很難將密封螺絲擰緊，造成運行中脫落問題。

圖2 原車軟風道效果

圖3 原軟風道破損照片1

圖4 原軟風道破損照片2

綜上所述，原車軟風道在材質、結構、安裝方式等方面存在缺陷問題，為了機車運行安全，有必要將其進行優化設計。

2.2 優化后軟風道分析

圖5為優化后的軟風道設計圖。在設計中，將原車軟風道缺點優化。主要優化的方面有如下幾點：①將軟風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。并且內外兩層的設計讓軟風道使用壽命更長。②將支撐骨架鑲嵌在內外兩層阻燃布之間，避免支架與軟風道布的摩擦，并且整體性更強。③將原軟風道螺絲固定方式優化為扣壓式安裝，如圖7所示。將軟風道下框更改為厚度4mm鋼板折彎造型的安裝槽，與牽引電機上口尺寸相符，軟風道下框槽內有密封膠條，落車安裝時，緊緊扣押，就會使軟風道下框牢牢固定在牽引電機上。當牽引電機工作時，密封膠條與軟風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道處于機車車架下部操作空間狹小，工人必須進行趴伏工作，危險性高，工作難度大的問題。

圖5 優化軟風道總成

3 優化軟風道實驗

優化后的軟風道符合尺寸與安裝要求，在各項指標符合生產要求的情況下，進行了型式試驗與上車試驗。實驗裝置和測試系統嚴格按照IEC61373:2010《鐵路應用—機車車輛設備—沖擊和震動實驗》的要求設計和制造。電動振動試驗系統分別為：MPA3214/H844A型和ES-50型，實驗結果如下。

3.1 沖擊和振動實驗

依據IEC61373∶2010的標準，仿照1類A級車體安裝，實驗頻率為f1=50Hz，f2=150Hz進行沖擊和振動實驗。

圖6 優化軟風道成品圖1

圖7 優化軟風道成品圖2

如圖8所示的實驗平臺，分別進行了垂向、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模擬出的ASD圖譜，實驗結果如表1所示。每個方向分別通過50萬次的振動測試軟風道的壽命長短，結果顯示，實驗結束后檢查產品的外觀、結構，無裂紋和機械損傷。沒有出現原軟風道固定螺絲頂破與整合鋼絲圈磨破軟風道布的現象。軟風道性能穩定，使用壽命較原來軟風道增加2倍以上。

表1 模擬長壽命實驗數據

圖8 模擬長壽命實驗安裝

表2 沖擊實驗數據

如圖9～圖14所示的為通過ES-50型電動振動試驗系統模擬出的沖擊曲線圖，分別進行了垂向、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道的韌性以及含有玻璃纖維和硅膠阻燃布的強度，結果顯示，實驗結束后檢查產品的外觀、結構，無裂紋和機械損傷，也沒有出現原軟風道固定螺絲頂破與整合鋼絲圈磨破軟風道布的現象。軟風道性能穩定，使用壽命較原來軟風道增加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，優化后的軟風道在神華號HXD1 7152交流機車上裝車試運行。機車運行25個月以來，沒有出現任何漏風問題，軟風道布表面存在灰塵，但是沒有出現破損以及骨架磨損情況，通風量無減少，保障牽引電機正常運行。運行時間相同的原軟風道，已經出現大面積磨損破裂、漏風嚴重、通風性降低，造成牽引電機溫度高、降溫慢等嚴重問題。如圖16所示。優化后的軟風道相對于原車軟風道性能穩定，通風量好，使風機冷空氣有效地將牽引電機熱量帶走，在降溫的持續性上優于原軟風道，優化后的軟風道實際使用壽命是原軟風道的2倍以上。

圖15 優化軟風道安裝

圖16 原軟風道破損

4 結論

針對神華號HXD1交流機車牽引電機軟風道易破損、通風量減少，致使電機散熱慢、散熱效率低的問題，在分析該類軟風道的材質、結構及安裝方式的基礎上，結合電動振動試驗系統模擬分析，對原電機軟風道進行優化設計，通過實驗對比和裝車試運行測試結果可得：①優化后的軟風道使用含有玻璃纖維和硅膠的阻燃布，并且設計為內外兩層結構；支撐骨架鑲嵌在兩層阻燃布之間，增強振動和沖擊性，使用壽命增加1倍。②優化后的軟風道設計安裝方式為扣壓式，在特殊折制框槽內加入密封膠條，提高原軟風道密封性的前提下，解決了原軟風道螺絲頂破風道布的缺點，提高了軟風道持續通風性，避免了原軟風道用一段時間后牽引電機溫度降不下去的問題。優化后軟風道更換周期是原軟風道更換周期的2倍以上。③優化后的軟風道安裝方式為扣壓式，在保障密封好的前提下，解決了落車后軟風道處于機車車架下部，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。