高速動車組牽引電機冷卻系統地面試驗及分析優化

劉 峰，張英姿，汪秀平，劉冬雪

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

牽引電機作為高速動車組的重要驅動裝置，其安全性能直接影響動車組的安全穩定運行。當牽引電機散熱不良時，會導致電機故障，嚴重時會自動切除電機電源，影響行車安全[1]。目前國內外高速動車組大多采用強迫通風方式來對牽引電機進行冷卻，在車輛設計時，需根據電機用風參數匹配冷卻系統，并且有必要進行地面匹配試驗，確保冷卻系統能夠滿足電機用風需求。許多高校、機構對牽引電機冷卻系統進行了研究。中車青島四方機車車輛股份有限公司基于CFD仿真，分析了牽引電機冷卻系統風道內的壓力分布、沿程損失、局部渦流分布等空氣流通特性，并與試驗測試數據進行了對比驗證[2]；中車唐山機車車輛有限公司基于CRH380BL型動車組推導出牽引電機冷卻風機在高海拔環境下需要達到的性能參數指標[3]；中車長春軌道客車股份有限公司將風機與動車組使用的風道組合進行地面組合試驗進行驗證[4]；中南大學提出利用風機全壓與流量的定量關系進行測量風機性能參數[5]。

牽引電機冷卻系統包括牽引電機冷卻風機、軟風道、主電動機風道、伸縮管。牽引電機冷卻風機從設備艙內吸入的冷卻空氣，依次經過軟風道、主電動機風道、伸縮管輸送到牽引電機進風口[6]。本文以某高速動車組牽引電機冷卻系統為研究對象，測量了主電動機風道和系統的流通特性曲線，完成了地面匹配試驗，確定了冷卻風機的實際匹配工作點；并根據試驗結果優化了系統零部件，確保冷卻系統的適配性。

1 試驗過程

1.1 試驗設備及儀器

試驗設備及儀器見表1。

表1 試驗設備及儀器

1.2 試驗原理及方法

1.2.1 主電動機風道和系統流通特性試驗

采用風量50m3/min，靜壓≥4300Pa的風機（以下稱試驗風機）進行試驗，給風道供風，通過調整管道閥門對風量進行調節，測試不同流量下的風道阻力，進而得出風道阻力-流量特性曲線。

（1）流量測定

為了準確得到試驗風機運轉時的流量，對試驗風機進風口進行改造。在試驗風機進風口流場較穩定區域設置取壓孔，在取壓孔處焊接導管。導管最終引到試驗風機外部，用于連接差壓計。

對試驗風機進行性能試驗，得出試驗風機空氣流量與進風口靜壓的對應關系，在進行特性測試時，便可以通過測量進風口處的靜壓值快速獲得試驗風機的流量。

（2） 阻力測定

圖1為主電動機風道流通特性測試系統，包括：試驗風機、輔助測試管道1、主電動機風道及輔助測試管道2。輔助測試管道1、2分別設有靜壓取壓孔（測量點1、2）用于測量截面靜壓，同時在風機出風口設置調節門，用于調節風量。

圖1 主電動機風道流通特性測量

通過測量點1、2的靜壓值，即可計算出空氣由點1流至點2的靜壓差ΔPS12，包含主電動機風道損失ΔPS、輔助管道1靜壓損失ΔPS1、輔助管道2靜壓損失ΔPS2。則主電動機風道的靜壓損失可以通過式（1）計算。

式中ΔPS為主電動機風道的靜壓差；ΔPS12為測量點1至測量點2的靜壓差；ΔPS1為輔助管道1的靜壓損失；ΔPS2為輔助管道2的靜壓損失；L1為測量點1到主電動機風道進口的距離；L2為測量點2到主電動機風道出口的距離；D1為輔助管道1的直徑；D2為輔助管道2的直徑。

主電動機風道的阻力（全壓差）可以按照以下公式（2）進行計算為

式中ΔP為主電動機風道的阻力（全壓差）；Pd進為主電動機風道進口動壓；Pd出為主電動機風道出口動壓。

使用相同原理，將試驗風機、軟風道、主電動機風道、伸縮管、牽引電機按實際裝配關系組合起來，試驗風機與軟風道之間設輔助測試管道，輔助測試管道設有靜壓取壓孔（測量點1）用于測量截面靜壓，同時在風機出風口設置調節門，用于調節風量。

通過測量點1的靜壓值和試驗風機流量，即可計算出空氣由測量點1流至牽引電機出口的靜壓差ΔPS1出，包含主電動機風道ΔPS、輔助管道1靜壓損失△PS1。則冷卻系統的靜壓損失由式（3）計算：

式中ΔPS為主電動機風道的靜壓差；ΔPS1出為測量點1至牽引電機出口的靜壓差；ΔPS1為輔助管道1的靜壓損失；L1為測量點1到主電動機風道進口的距離；D1為輔助管道1的直徑。

冷卻系統的阻力（全壓差）可以按照式（4）進行計算。

式中ΔP為冷卻系統的阻力（全壓差）；Pd進為冷卻系統進口動壓；Pd出為冷卻系統出口動壓。

1.2.2 冷卻系統地面匹配試驗

將冷卻系統各部件按實際裝配關系組合起來，即牽引電機冷卻風機樣機（以下簡稱樣機）與流通管路匹配后，測量樣機的實際工作點，用以判斷樣機是否工作在自身允許范圍內、是否能為牽引電機提供足夠的風量。

（1） 流量測定

為準確得到樣機運轉時的流量，對樣機兩側進風口進行改造。在樣機進風口流場較穩定區域設置取壓孔，在取壓孔處焊接導管。導管最終引到冷卻風機外部，用于連接差壓計。風機流量、靜壓測量如圖2所示。

圖2 風機流量、靜壓測量示意圖

對樣機進行性能試驗，得出樣機流量與進風口靜壓的對應關系，在進行匹配試驗時，便可以通過測量進風口處的靜壓值快速獲得試驗風機的流量。

（2） 電量測定

通過風機性能試驗臺，直接讀取風機電壓、電流、輸入功率。

2 試驗結果

2.1 主電動機風道和系統流通特性試驗

按照前述方法，對主電動機風道（本試驗冷卻系統含長、短兩個獨立風道，分別連接風機兩側進風口）的阻力－流量特性進行測量，結果如圖3所示。

圖3 各風道阻力－流量特性曲線

按照前述方法，對冷卻系統的阻力－流量特性進行測量，結果如圖4所示。

圖4 冷卻系統阻力－流量特性曲線

2.2 冷卻系統地面匹配試驗

在冷卻系統匹配狀態下讀取風機進風口靜壓，結合樣機性能試驗測得的風量和靜壓對應關系，可得到匹配狀態下的風量。最終得到冷卻系統匹配工作點見表2。

表2 冷卻系統匹配點

3 優化及結論

（1）根據對風道阻力和系統阻力的測試結果，額定風量下長、短風道阻力和對應系統的阻力相當，風機兩側葉輪可使用對稱結構，以此減少風機生產、維護成本。

（2）根據匹配試驗的結果，冷卻系統的實際匹配點風量滿足要求，但全速時的功率超出了額定功率6kW，風機超功率運行。為降低風機匹配功率，需要增加系統阻力。

將軟風道的流通截面由200mm×200mm減小為130mm×130mm，此時的匹配工作點見表3。

表3 冷卻系統匹配點

根據以上測試可以看出，減小軟風道的流通面積后，風量約為31m3/min，功率約為5.4kW，既能滿足對牽引電機冷卻的要求，也不會導致風機超功率運行。

（3）在進行風機性能參數匹配計算時，基礎數據的誤差，如電機阻力偏大，使風機額定靜壓設計值偏大，實際匹配時可能出現超功率運行。為此，在設計時應確保數據的準確度。本次試驗為后續類似項目的設計、仿真提供了可靠的數據積累。