一种内燃动车冷却系统设计

2014-01-18高洪镇李来彬杨兴清权光辉崔秀玲

铁路技术创新 2014年4期

高洪镇李来彬杨兴清权光辉崔秀玲

一种内燃动车冷却系统设计

高洪镇李来彬杨兴清权光辉崔秀玲

介绍斯里兰卡内燃动车冷却系统设计中涉及的冷却计算；阐述冷却系统的冷却装置、冷却风扇驱动装置、进气滤清窗、顶百叶窗、膨胀水箱等主要部件结构设计的特点。斯里兰卡内燃动车于2012年底开始在斯里兰卡铁路公司投入运用，其车冷却系统工作稳定可靠，经受住了当地高温、高湿、多雨、多盐雾环境的考验。

斯里兰卡；内燃动车；冷却系统；冷却风扇；进气滤清窗；膨胀水箱

斯里兰卡内燃动车组是按照斯里兰卡铁路公司要求专门设计的一款交-直电传动内燃动车组。动车组由动车和拖车编组而成。动车采用MTU12V4000R41柴油机，柴油机功率1 500 kW。柴油机冷却系统分高、低温2个系统，机油散热包含在高温系统中。根据传统成熟结构及设计经验，动车总体要求如下：在动车内设置独立的冷却装置单元，其中包括冷却装置构架、散热器、风扇座、风扇等；冷却风扇由液力偶合器驱动；冷却装置顶部设排风顶百叶窗；冷却系统最高点设膨胀水箱。

1 冷却计算

（1） MTU12V4000R41柴油机热工参数见表1。

（2）环境条件。海拔高度：≤1 800 m；环境温度：5～40 ℃；相对湿度：80%～95%；环境气候特点：热带雨林气候，高温多雨、盐度大。

（3）冷却计算。根据柴油机热工性能参数、斯里兰卡环境条件及动车总体结构要求，拟选用32组管片式双流道散热器、1台SJF-15C型风扇，按表2参数进行冷却计算。

按上述系统配置方案，高、低温冷却系统冷却余量均能达到40%以上，满足用户提出的设计要求。因此，最终选定双流道散热器32组，其中高温冷却系统32组（高温侧），低温冷却系统32组（低温侧）；冷却风扇选用1台SJF-15C型风扇，额定转速1 560 r/min、全压1 300 Pa、空气流量37 m3/s。

表1 MTU12V4000R41柴油机热工参数

表2 冷却计算参数表

2 结构特点

2.1 冷却装置

在动车动力室内设置独立的冷却装置单元，其中包括冷却装置构架、散热器、风扇座、风扇等部件。散热器为双流道散热器，在冷却装置上采用V形安装布置。每节散热器外侧4排散热管为低温水散热，内侧3排散热管为高温水散热。冷却装置构架上设有高、低温水路集流管，分别与散热器高温水侧、低温水侧连通，形成相互独立的冷却回路。高温水为2个流程，低温水为6个流程。在冷却装置高、低温冷却回路最高点均设有排气口，将冷却装置工作时产生的气体排至膨胀水箱。在冷却装置高、低温冷却回路最低点设有排水口，确保冷却系统排水时能够排放干净。尤其需要注意的是，冷却装置在施工过程中务必确保高温水路与低温水路不得连通，这样才能确保经冷却装置冷却后的低温冷却水温度能够符合柴油机的工作要求。冷却装置高、低温冷却水流程见图1。

冷却风扇工作时，将低温空气从散热器外侧吸入冷却装置，然后通过顶部排风口及顶百叶窗排至车外，从而达到冷却散热器的目的。冷却空气流向见图2。

图1 冷却装置高、低温冷却水流程

2.2 冷却风扇驱动装置

冷却风扇驱动装置动力来源于柴油机，经风扇偶合器传递至冷却风扇。冷却风扇驱动装置包括动力输入万向轴、风扇偶合器、偶合器传动油散热器、动力输出万向轴（见图3）。驱动装置工作原理：偶合器传动箱输入功通过偶合器的泵轮、涡轮传递至输出轴，泵轮、涡轮间的工作介质为传动油；泵轮、涡轮间充油或空转是靠偶合器作用阀来控制的，当偶合器充油时冷却风扇工作，偶合器空转时冷却风扇停止工作；在高、低温冷却系统中均装有温度传感器，将水温信号传输至动车PLC，PLC根据水温信号控制偶合器作用阀开启、关闭，从而控制冷却风扇启动、停止；偶合器作用阀在柴油机高温出水温度达到92 ℃时开启、85 ℃时关闭，在柴油机低温进水温度达到55 ℃时开启、48 ℃时关闭；当柴油机转速为1 800 r/min时，对应的冷却风扇转速约为1 560 r/min。

偶合器的工作原理和变扭器基本相似。当泵轮轴带动泵轮旋转时，泵轮中的传动油一方面随泵轮旋转，其速度成为牵连速度，另一方面在离心力作用下，由泵轮入口流向泵轮出口，其速度成为相对速度。液流的绝对速度为牵连速度与相对速度的合成。此时，泵轮将柴油机输入的机械能转换为传动油的动能与势能。以绝对速度从泵轮流出的传动油，立即冲向泵轮出口对面的涡轮进口，在涡轮内与涡轮叶片相互作用，使涡轮获得一定的扭矩和转速。此时，流动的传动油在泵轮中获得的动能和势能，在涡轮中又被转化为涡轮的机械能输出。从涡轮流出的传动油重新进入泵轮，如此循环流动，保证偶合器正常工作。

2.3 进气滤清窗

为确保动力室进气清洁，在动力室冷却空气进气口处设置了瓦楞式进气滤清窗。当冷却风扇工作时，冷却空气在风扇吸力作用下经由瓦楞式进气滤清窗进入动力室。冷却空气中携带的较大直径的沙粒、灰尘等固体杂质在惯性力的作用下与冷却空气分离并经由窗下部排尘口落至车外。为了过滤柳絮、杨絮等絮状杂物，在瓦楞式进气滤清窗内侧设置了不锈钢过滤网窗。不锈钢过滤网窗为方便拆卸式安装结构，可根据过滤网的脏污情况随时进行清洗。瓦楞式进气滤清窗结构见图4。

2.4 顶百叶窗

顶百叶窗安装在冷却装置排风口处。冷却风扇工作时，冷却装置顶部排风口排出的空气将顶百叶窗的百叶吹开并排至车外；冷却风扇停止时，百叶在重力作用下关闭，可防止雨水进入冷却装置。百叶叶片采用0．8 mm厚的薄不锈钢板成型而成，具有足够的线性刚度和较轻的质量，在工作过程中能够承受频繁的撞击而不致变形。该顶百叶窗结构简单，性能稳定可靠，确保了冷却系统的工作可靠性。顶百叶窗结构见图5。

2.5 膨胀水箱

在冷却系统最高点设有膨胀水箱，起到向冷却系统补水及为冷却系统排气的作用。膨胀水箱顶部设有压力调节阀，开启压力为70 kPa，使冷却系统在加压条件下工作。斯里兰卡铁路沿线最高海拔为1 800 m，对应最低大气压约为79．5 kPa，这样冷却系统绝对工作压力最小约为149．5 kPa，该压力值对应的冷却液沸点约为111．2 ℃，大于柴油机最高允许工作温度（99 ℃），确保了柴油机冷却系统能在正常的温度范围内工作。

图4 瓦楞式进气滤清窗结构

图5 顶百叶窗结构

压力调节阀具体工作过程：当柴油机在1 800 m海拔条件下工作时，冷却系统内的冷却液受热膨胀、冷却液内溶解的空气受热汽化，使冷却系统内的压力升高。当系统压力升高至约149．5 kPa时，压力调节阀打开、向外排气。同时，该压力调节阀还有在负压条件下向内吸气的功能，即当柴油机停机、冷却系统停止工作后，冷却液温度下降、体积缩小，冷却系统内的压力降低，当系统内部压力低于外界大气压力约5 kPa时，压力调节阀上的吸气阀打开，确保停机时冷却系统内外压力的平衡。膨胀水箱结构见图6。