和谐机车风机试验台设计黄刚

黄刚

摘要：从HXD3C机车牵引风机、复合冷却器风机和车体风机的参数、规程的要求等方面进行入手，从电气、管道和机架等方面提出一种较为合理的风机综合试验台设计方法，可较为经济地进行检修后风机的综合试压检测。

关键词：HXD3C型电力机车；风机试验台

DesignofHarmonySeriesFreightElectricLocomotiveVentilationFanTestingEquipment

HUANGgang

（GuangzhouLocomotiveCo.，Ltd.CRRCGroup，Guangzhou，Guangdong510800，China）

Abstract：AccordingfromtheParameterandtheTechnicalregulationforoverhaulofTractionventilationfan，compoundcoolerventilationfanandMechanicventilationfanofHXD3Clocomotive，amorereasonabledesignmethodofventilationfancomprehensivetestbenchisproposedfromtheaspectsofelectricity，pipelineandframe，whichcanbeusedforcomprehensivepressuretestoffanafteroverhauleconomically.

依据铁路总公司发布最新的和谐机车C5、C6修检修技术规程，机车牵引风机、冷却塔通风机、车体通风机等须进行解体检修，对叶轮、电机部分分别进行检查及检修，在确定其能满足规程所要求的条件后，方可进行总组装和试验。本文旨在设计一种能满足HXD3C型电力机车牵引风机、复合冷却器通风机、车体通风机等三类风机总成试验用的试验平台，能满足50Hz频率下，风机的运行性能的试验和检测。

一、产品概述

HXD3C型电力机车是大连机车车辆有限公司在HXD3型和HXD3B型电力机车基础上自主研发的交流传动机车。该车通风冷却系统主要主要包括牵引电机通风、复合冷却器通风、机械间通风、列车供电柜通风、空压机通风和司机室通风等，本文涉及的通风主要指作用是牵引电机通风、复合冷却器通风和机械间通风，其中机械间通风仅指车体通风机，不包括冬夏季模式转换时，空压机通风队机械间通风的影响。牵引电机通风由2台牵引通风机组为6个牵引电机提供通风，在牵引通风机组底部通过车体风道一分为三，每组牵引风机为3台牵引电机提供通风降温。复合冷却器通风由2台复合冷却通风机组组成，为2台复合冷却器提供油水冷却回路降温。机械间通风主要由2台车体通风机组成，为机械间列供柜、卫生间、空压机等提供清洁空气，保证机械间微正压，并带走机械间多余热量，保障机械间温度平衡。

三种风机组铭牌参数如下表所示：

二、电路设计

2.1试验台接入电源计算

风机试验台一般安装在车间内部，由于噪音和振动原因，需与其他试验台或作业台位间隔至少10米左右，一般情况下，诸多厂家均将风机试验台安置在隔音房间，以降低噪音危害，并提高车间空间综合利用率。

一般工厂厂房的电路是按照国家标准GB50052-95 《供配电系统设计规范》、GB50053-94 《10kv及以下设计规范》、GB50054-95 《低压配电设计规范》等的规定进行设计的。风机试验装置一般情况会安置在试验库或总装库内，为满足电动机启动时引起的电网电压降大于10%；电动机总容量不应超过供电设备的负荷能力；电动机的启动力矩，应大于所驱动机械的静阻力矩等原则，按试验台所需要的最大额定功率65Kw计算，则试验台所接入的电源应不小于

依据GB50217-2007《电力工程电缆设计规范》的第“3.7电力电缆导体截面”章节内容要求，则要求接入电源电缆（铜线）横截面积不小于150mm²，车间电缆或电器柜内输入电源电缆横截面积须大于或等于150mm²。

2.2试验台电路结构设计

试验台以可同时试验三种风机进行设计，依据1.1计算结果，为了减轻车间线路负载，风机启动电路设计为三种不同的启动方式，其中牵引风机功率为35Kw，额定电流约为66A，如果采用直接启动方式，瞬间电流可达到200A左右，对整个车间电网会造成较大的冲击，引起电网电压压降，综合考虑试压台设计便捷性和经济性，采用变频器变频启动较为合理；复合冷却器风机功率为20Kw，额定电流约为38A，采用直接启动也会对车间电网造成较大冲击，而采用变频器启动却会造成试验台成本增加，软启动器一方面经济实惠，另一方面可显著降低启动电流，综合考虑经济性和适用性，采用软启动器较为合理；车体通风机是一台功率为2.2Kw的小风机，其额定电流约为15A，采用直接启动，其最大电流不超过60A，可采用直接启动方式，对整个车间电网影响较小，从经济性考虑较为合理。

2.3变频器、软启动器选型

目前市面上的变频器品牌和类型繁多，但稳定性和耐用性较好的品牌有ABB、SEW、艾默生、富士、三菱等，有鉴于ABB大量的用户基础，依据牵引风机功率，选择了ABB变频器ACS550系列，该系列可以简单的购买、安装、配置和使用，且具有带现场总线的公共的用户和过程接口，并有公共的软件工具用于选型、调试和维护、具有广泛而充足的公共的备件。依据ABB选型手册，选择型号代码为ACS550-01-087A-4的变频器。

软启动器在市面上也有众多厂家，而ABB公司PSR系列软启动器无论在安装尺寸上还是功能实现上均具有行业先进水平。依据复合冷却器风机功率，选择了型号代码为PSR60的软启动器。

2.4试验台电路设计

图中，f1/f2为ABB可调频矢量变频启动器，用于牵引通风机的降频启动；FR1、FR2、FR3为常闭式接触器，用于风机电机的相序保护和电机启动时瞬间电流的控制；V/A1、V/A2、V/A3为数显电压、电流表，用于实时监控电压、电流；FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6、FU7为熔断保护器；KM1、KM2、KM3为控制开关；SB1为急停保护装置；QF0、QF1、QF2、QF3为空气开关。

三、通风管道设计

试验台管道在工作时，因产生风压、风量都较大，所以，管道出口和试验台位置都不应设置在人员密集区、空间狭窄地区和人员活动频繁区。且试验台周边要保持环境干净、整洁，避免出现扬尘和异物吸入。

为便于安装调整和后期维护检查更换，通风机管网在设计应注意分段组装，使用法兰连接，每段管道长度在1500mm左右，每隔3000mm留有观察窗；管道支架应该与管道采用刚性连接，尽量采用框架环抱式结构，以控制管道在风机运行时的抖动；管道支架留有站立平台，便于管道后期检查。

通风机在管网中工作时，产生一定的风量和一定的压力，通风机产生的风量必定等于管网中通过的风量，所产生的压力必须与管网的阻力损失相等，这样才能达到压力平衡，保证通风机连续稳定工作，这个稳定的点一般就是运行工况，常标注于风机铭牌上。良好的通风机管道设计是降低管道局部压力损失、摩擦力损失和防止喘振的最好解决方法，通过合理的通风管道设计，可最大限度减少通风机试验数据误差，确保结果正确有效。

为了防止风机试验过程中产生的风扰动车间，产生噪音，通过合理的管道设计将风排出厂房，在此基础上进行风机通风管道设计，确保通风机在维持在稳定的工作区，通过计算和查询风机设计手册，可以确定风道的直径等。

2.1牵引通风机通风管道设计

牵引通风机功率35Kw，流量5.5m³/s，静压3600Pa，考虑到经济性和实用性，对比矩形管网和圆形管网，经查询风机手册得知，由薄钢板制作而成的圆形管网在风阻和管道压力损失等方面数值偏小，较为经济合理。为避免过多的弯头造成的局部压力损失导致排气压力过高，从而引起负载过大引起噪音升高，在管道上设计除必要用的90°弯头之外，尽量不再设计多余的弯头；且为了避免在弯头处出现局部的涡流和气流对冲现象，弯头直径不得小于管道直径的1.5倍。为避免出口压力损失过大，在设计时可考虑采用渐扩变径管道，用于进一步减少压力损失；较长的管道存在较大的管道压力损失，因而管道设计尽可能平、直、短。管道观察口应避免设计在弯头连接处，防止产生哨音和多余振动。如下图所示：

查询风机手册，矩形风道流量在≥5.5x3600=19800m³/h的情况下，选择φ1250规格圆形风道，则动压为12.191kPa，风速为4.5m/s。在钢板管道中，风速范围在6-14区间时，噪音则在可接受范围内。1.226㎡的出风口面积与原机车风道0.64㎡出风口面积相比增大了一倍，但原车风道为三通风道，且出风口为牵引电机，管道损失大，因此采用φ1250规格圆形风道在风机试验台上阻力小，能合理地测试出风机的各项基本性能。

2.2复合冷却器通风机通风管道设计

牵引通风机功率20Kw，流量6.5m³/s，静压1570Pa，管网设计结构与牵引风机一致，查询风机手册，圆形风道流量在≥6.5x3600=23400m³/h的情况下，选择φ1250规格圆形风道，则动压为18.211kPa，风速为5.2m/s，风速范围在6-14区间时，噪音则在可接受范围内。风道面积为1.25㎡，原机车风道为0.5024㎡，由于复合冷却器风机底部有复合冷却器，管道损失大，因此采用φ1250规格圆形风道在风机试验台上较为合理。

2.3车体通风机通风管道设计

车体通风机功率2.2Kw，流量7200m³/h，静压520Pa，管网设计结构与牵引风机一致，查询风机手册，矩形风道流量在≥7200m³/s的情况下，选择φ1010规格圆形风道，则动压为4.070kPa，风速为2.6m/s。风道面积为0.8㎡，原机车风道为0.28㎡，由于车体风机底部一般会安置棕纤维过滤器，管道损失大，因此采用φ1010规格圆形风道在风机试验台上较为合理。

三、机架设计

机架是承载风机、连接风道的试验基础设施，机架的设计原则一般从减少振动、方便安装、避免开口过多，水平度等方面进行规范设计。减少振动一般从机架水平度方面和规避共振点进行设计，在水平度方面，为保证风机承载受力点均匀，避免因局部受力导致振动异常，无法准确地测量出风机振动参数，建议机架在设计和安装时，依据1mm/1000mm水平误差进行检查和修整；另一方面，风机振动是由于排风不畅，导致喘振，在机架设计时，底部排风处与管道连接处要尽量设计成喇叭口，垂直安装的机架应设计喇叭口大弯道，尽量避免出风口直接设计弯道。

在方便安装方面，机架应设计成能与风机快速定位快速安装的夹具，避免用螺栓安装固定时浪费大量的时间，从而导致试验周期的延长。

为观察风机出风口状态，叶轮形态，出风口压力，风速等参数，机架底部出风口均应预留便于观察和测量的观察孔，观察孔面积不宜过大，能放入相应的风速测试仪、压力计等仪表尺寸为佳，且观察孔应设置活动盖板，且有密封胶条，避免产生多余的噪音和压力损失。

四、结论

随着中国铁路进入高速发展期，各路局陆续开展C4、C5等修程业务，而大部件自主化检修也被部分路局提上日程，未来铁路格局将以属地化逐渐向自主化检修风机自主化检修能从一定程度上降低机车维修成本。该试验台能同时对牵引风机、复合冷却器风机和车体通风机同时进行性能试验，也可单独进行试验，风机试验台结构简单，经济合理。

参考文献：

[1]通风机实用技术手册商景泰2005年

[2]《HXD3C型交流传动电力机车通风冷却系统》隋锡征，邓纪辰机车电传动2012（6）

[3]《HXD3C型电力机车检修技术规程》（C5修）中国铁道出版社2016

[4]《HXD3C型电力机车检修技术规程》（C6修）中国铁道出版社2018

[5]THTF4.5型牵引风机检修手册株洲联诚