高速动车组牵引电机冷却系统地面试验及分析优化

刘 峰，张英姿，汪秀平，刘冬雪

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000）

0 引言

牵引电机作为高速动车组的重要驱动装置，其安全性能直接影响动车组的安全稳定运行。当牵引电机散热不良时，会导致电机故障，严重时会自动切除电机电源，影响行车安全[1]。目前国内外高速动车组大多采用强迫通风方式来对牵引电机进行冷却，在车辆设计时，需根据电机用风参数匹配冷却系统，并且有必要进行地面匹配试验，确保冷却系统能够满足电机用风需求。许多高校、机构对牵引电机冷却系统进行了研究。中车青岛四方机车车辆股份有限公司基于CFD仿真，分析了牵引电机冷却系统风道内的压力分布、沿程损失、局部涡流分布等空气流通特性，并与试验测试数据进行了对比验证[2]；中车唐山机车车辆有限公司基于CRH380BL型动车组推导出牵引电机冷却风机在高海拔环境下需要达到的性能参数指标[3]；中车长春轨道客车股份有限公司将风机与动车组使用的风道组合进行地面组合试验进行验证[4]；中南大学提出利用风机全压与流量的定量关系进行测量风机性能参数[5]。

牵引电机冷却系统包括牵引电机冷却风机、软风道、主电动机风道、伸缩管。牵引电机冷却风机从设备舱内吸入的冷却空气，依次经过软风道、主电动机风道、伸缩管输送到牵引电机进风口[6]。本文以某高速动车组牵引电机冷却系统为研究对象，测量了主电动机风道和系统的流通特性曲线，完成了地面匹配试验，确定了冷却风机的实际匹配工作点；并根据试验结果优化了系统零部件，确保冷却系统的适配性。

1 试验过程

1.1 试验设备及仪器

试验设备及仪器见表1。

表1 试验设备及仪器

1.2 试验原理及方法

1.2.1 主电动机风道和系统流通特性试验

采用风量50m3/min，静压≥4300Pa的风机（以下称试验风机）进行试验，给风道供风，通过调整管道阀门对风量进行调节，测试不同流量下的风道阻力，进而得出风道阻力-流量特性曲线。

（1）流量测定

为了准确得到试验风机运转时的流量，对试验风机进风口进行改造。在试验风机进风口流场较稳定区域设置取压孔，在取压孔处焊接导管。导管最终引到试验风机外部，用于连接差压计。

对试验风机进行性能试验，得出试验风机空气流量与进风口静压的对应关系，在进行特性测试时，便可以通过测量进风口处的静压值快速获得试验风机的流量。

（2） 阻力测定

图1为主电动机风道流通特性测试系统，包括：试验风机、辅助测试管道1、主电动机风道及辅助测试管道2。辅助测试管道1、2分别设有静压取压孔（测量点1、2）用于测量截面静压，同时在风机出风口设置调节门，用于调节风量。

图1 主电动机风道流通特性测量

通过测量点1、2的静压值，即可计算出空气由点1流至点2的静压差ΔPS12，包含主电动机风道损失ΔPS、辅助管道1静压损失ΔPS1、辅助管道2静压损失ΔPS2。则主电动机风道的静压损失可以通过式（1）计算。

式中ΔPS为主电动机风道的静压差；ΔPS12为测量点1至测量点2的静压差；ΔPS1为辅助管道1的静压损失；ΔPS2为辅助管道2的静压损失；L1为测量点1到主电动机风道进口的距离；L2为测量点2到主电动机风道出口的距离；D1为辅助管道1的直径；D2为辅助管道2的直径。

主电动机风道的阻力（全压差）可以按照以下公式（2）进行计算为

式中ΔP为主电动机风道的阻力（全压差）；Pd进为主电动机风道进口动压；Pd出为主电动机风道出口动压。

使用相同原理，将试验风机、软风道、主电动机风道、伸缩管、牵引电机按实际装配关系组合起来，试验风机与软风道之间设辅助测试管道，辅助测试管道设有静压取压孔（测量点1）用于测量截面静压，同时在风机出风口设置调节门，用于调节风量。

通过测量点1的静压值和试验风机流量，即可计算出空气由测量点1流至牵引电机出口的静压差ΔPS1出，包含主电动机风道ΔPS、辅助管道1静压损失△PS1。则冷却系统的静压损失由式（3）计算：

式中ΔPS为主电动机风道的静压差；ΔPS1出为测量点1至牵引电机出口的静压差；ΔPS1为辅助管道1的静压损失；L1为测量点1到主电动机风道进口的距离；D1为辅助管道1的直径。

冷却系统的阻力（全压差）可以按照式（4）进行计算。

式中ΔP为冷却系统的阻力（全压差）；Pd进为冷却系统进口动压；Pd出为冷却系统出口动压。

1.2.2 冷却系统地面匹配试验

将冷却系统各部件按实际装配关系组合起来，即牵引电机冷却风机样机（以下简称样机）与流通管路匹配后，测量样机的实际工作点，用以判断样机是否工作在自身允许范围内、是否能为牵引电机提供足够的风量。

（1） 流量测定

为准确得到样机运转时的流量，对样机两侧进风口进行改造。在样机进风口流场较稳定区域设置取压孔，在取压孔处焊接导管。导管最终引到冷却风机外部，用于连接差压计。风机流量、静压测量如图2所示。

图2 风机流量、静压测量示意图

对样机进行性能试验，得出样机流量与进风口静压的对应关系，在进行匹配试验时，便可以通过测量进风口处的静压值快速获得试验风机的流量。

（2） 电量测定

通过风机性能试验台，直接读取风机电压、电流、输入功率。

2 试验结果

2.1 主电动机风道和系统流通特性试验

按照前述方法，对主电动机风道（本试验冷却系统含长、短两个独立风道，分别连接风机两侧进风口）的阻力－流量特性进行测量，结果如图3所示。

图3 各风道阻力－流量特性曲线

按照前述方法，对冷却系统的阻力－流量特性进行测量，结果如图4所示。

图4 冷却系统阻力－流量特性曲线

2.2 冷却系统地面匹配试验

在冷却系统匹配状态下读取风机进风口静压，结合样机性能试验测得的风量和静压对应关系，可得到匹配状态下的风量。最终得到冷却系统匹配工作点见表2。

表2 冷却系统匹配点

3 优化及结论

（1）根据对风道阻力和系统阻力的测试结果，额定风量下长、短风道阻力和对应系统的阻力相当，风机两侧叶轮可使用对称结构，以此减少风机生产、维护成本。

（2）根据匹配试验的结果，冷却系统的实际匹配点风量满足要求，但全速时的功率超出了额定功率6kW，风机超功率运行。为降低风机匹配功率，需要增加系统阻力。

将软风道的流通截面由200mm×200mm减小为130mm×130mm，此时的匹配工作点见表3。

表3 冷却系统匹配点

根据以上测试可以看出，减小软风道的流通面积后，风量约为31m3/min，功率约为5.4kW，既能满足对牵引电机冷却的要求，也不会导致风机超功率运行。

（3）在进行风机性能参数匹配计算时，基础数据的误差，如电机阻力偏大，使风机额定静压设计值偏大，实际匹配时可能出现超功率运行。为此，在设计时应确保数据的准确度。本次试验为后续类似项目的设计、仿真提供了可靠的数据积累。