探秘地鐵列車用制動電阻的優(yōu)化設(shè)計(jì) 摘 要：本文通過一種制動電阻的計(jì)算及設(shè)計(jì)實(shí)例, 說明了制動電阻的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程, 并對制動電阻的優(yōu)化設(shè)計(jì)方向進(jìn)行了簡要分析。
雖然制動電阻的結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟可靠,但目前國內(nèi)外的資料尚沒有對各種制動電阻進(jìn)行總結(jié)。因此本文對此進(jìn)行了歸類說明,以便于地鐵設(shè)計(jì)時(shí)作為參考。另外,若不對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的制動電阻要么盈余度太大造成投資浪費(fèi),要么達(dá)不到散熱要求導(dǎo)致燒損, 或者因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理會導(dǎo)致很多故障的發(fā)生。因而,在制動電阻設(shè)計(jì)時(shí)必然要考慮對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
某制動電阻為一地鐵車載強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動電阻, 采用車底懸掛方式安裝。它包括一臺風(fēng)機(jī), 一個(gè)內(nèi)部裝有電阻元件的通風(fēng)風(fēng)道及一套監(jiān)測通風(fēng)和電阻帶溫度的監(jiān)控裝置。為了使該制動電阻在滿足線路運(yùn)行條件的前提下達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果, 就必須對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
一、對制動電阻的溫升進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算
在計(jì)算制動電阻的溫升前必須先初步確定該制動電阻的一些基本數(shù)據(jù), 如散熱面積、冷卻方式及風(fēng)量、規(guī)格及重量、風(fēng)道尺寸等。
1、制動電阻的基本技術(shù)參數(shù)
制動電阻的基本技術(shù)參數(shù)如下:
1)電阻段阻值R( 20 ∀ 時(shí)) 為2. 26 # 2;
2)額定電壓為1 800 V;
3)電阻帶允許最高溫度< 600 ∀ ;
4)最大功率為1 120 kW # 2;
5)柜體尺寸(不包括風(fēng)機(jī)及接線盒)為923 mm( 長) # 760 mm( 寬) # 603 mm( 高) ;
6) 制動電阻功率曲線見圖1。
2、制動電阻溫度模擬計(jì)算
制動電阻內(nèi)溫度場是一個(gè)非線性溫度場, 要進(jìn)行精確的模擬分析必須建立相應(yīng)的有限元模型。但在制動電阻參數(shù)設(shè)計(jì)階段若參數(shù)調(diào)整, 又必須重新建立模型, 故有限元模型顯然是不適合的。根據(jù)對流換熱理論, 實(shí)際計(jì)算時(shí)是按以下模型進(jìn)行計(jì)算:
1) 單個(gè)電阻元件內(nèi)電阻帶表面溫度均勻;
2) 換熱方式為強(qiáng)迫對流外掠平板紊流換熱。
3、制動電阻溫度模擬計(jì)算步聚
1) 確定冷卻方式: 由于此制動電阻的額定功率較大, 而柜體尺寸很小, 必須采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻方式。
2) 確定通風(fēng)截面尺寸: 根據(jù)IEC 60322 標(biāo)準(zhǔn)的電阻元件框架對地電氣間隙及爬電距離的要求, 計(jì)算出電阻元件框架離柜體的最小尺寸; 再由柜體截面尺寸減除該尺寸, 確定出通風(fēng)截面尺寸W( 寬) #H ( 高) 。
3) 確定風(fēng)機(jī)風(fēng)量: 根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn), 初步取冷卻風(fēng)速V ( m/ s) , 算出冷卻風(fēng)量為Q( m3 / s)。此參數(shù)根據(jù)溫升計(jì)算結(jié)果再進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。
4) 確定電阻帶的規(guī)格尺寸及質(zhì)量: 根據(jù)通風(fēng)區(qū)域尺寸及電阻值要求, 初步計(jì)算出電阻帶規(guī)格為( 厚) # w ( 寬) # l ( 長) 。
采用強(qiáng)迫對流外掠平板紊流換熱模型, 利用VBA 軟件, 編制模擬計(jì)算程序( 程序界面見圖2)輸入制動電阻功率曲線, 再分別輸入以上各參數(shù)數(shù)值, 計(jì)算出制動電阻各時(shí)間點(diǎn)的溫度并繪制溫度時(shí)間曲線。
4、模擬計(jì)算結(jié)果
模擬計(jì)算往往不會一次得到理想的結(jié)果, 會出現(xiàn)計(jì)算溫度超出電阻帶允許的工作溫度; 或者比允許溫度低得太多, 造成盈余過大。因此, 需要不斷調(diào)整計(jì)算參數(shù)進(jìn)行反復(fù)模擬計(jì)算。若計(jì)算溫度過高,說明散熱面積、風(fēng)量或者電阻帶質(zhì)量不夠。這就要相應(yīng)調(diào)整電阻帶寬度、電阻帶厚度和通風(fēng)風(fēng)量, 直至計(jì)算溫度值接近且低于電阻帶允許的工作溫度; 反之亦然。
最后確定的參數(shù)見圖2; 計(jì)算出的溫度曲線見圖3。由圖3 可知, 溫度曲線最高點(diǎn)為530 , 接近且低于允許的工作溫度600 ∀ �？紤]到制動電阻內(nèi)溫度場的不均勻性, 此計(jì)算結(jié)果是合適的。
二、制動電阻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
1、優(yōu)化制動電阻帶的表面形狀
優(yōu)化制動電阻帶的表面形狀, 合理布置電阻元件, 以強(qiáng)化制動電阻散熱能力。前面溫升計(jì)算采用的是紊流計(jì)算公式。但是, 若電阻帶表面平直, 電阻帶表面的層流底層厚度將明顯增厚, 從而使換熱系數(shù)大大降低。因此必須改變電阻帶表面形狀(見圖4) , 以增加冷卻空氣的紊流度, 減小層流底層厚度,提高換熱系數(shù)。
另外, 將相鄰兩電阻元件的電阻帶進(jìn)行∃ 叉排%( 見圖5) , 使氣流流經(jīng)下一電阻元件時(shí)的流動方向發(fā)生改變, 也有助于提高紊流度, 提高換熱效率。
2、防電阻帶熱變形的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
電阻帶的線脹系數(shù)為19 # 10- 6 / ∀ , 電阻元件兩絕緣子間電阻帶長度為365 mm。當(dāng)電阻帶溫度由20 ∀ 升高到600 ∀ 時(shí), 電阻帶將膨脹4 mm。如果電阻帶兩端固定, 產(chǎn)生的彎曲變形將達(dá)到23. 5mm。因此, 電阻帶兩端與絕緣子安裝處采用腰形孔, 以保證兩端各有2 mm 的調(diào)整間隙(見圖6) 。除此以外, 在電阻帶中部加裝一隔離瓷柱(見圖7),以保證即使電阻帶彎曲變形也不至于引起電阻帶間接觸短路。
3、優(yōu)化電阻元件阻值
由于制動電阻由12 個(gè)電阻元件組成, 冷卻空氣經(jīng)過前面的電阻帶加熱后溫度升高, 從而使靠近出風(fēng)口方向的電阻帶換熱系數(shù)降低, 使最后面的電阻帶表面溫度將大大高于最前面的, 從而不能充分利用前面電阻帶的熱容量。經(jīng)過計(jì)算, 由進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口分別采用三種阻值為R 1、R2 、R3 (R1 > R 2> R3 )的電阻元件, 提高進(jìn)風(fēng)口處電阻元件發(fā)熱量, 降低出風(fēng)口處電阻元件發(fā)熱量, 使各電阻元件的表面溫度均勻。
4、制動電阻可維護(hù)性的優(yōu)化
由于制動電阻使用環(huán)境惡劣, 不可避免地有燒損現(xiàn)象發(fā)生, 并且有大量灰塵需要經(jīng)常清理, 因此需要使制動電阻的維護(hù)方便快捷。本制動電阻將電阻元件設(shè)計(jì)成抽屜式結(jié)構(gòu)。維護(hù)時(shí), 只需將有問題的電阻元件抽出即可更換。另外, 將制動電阻底板設(shè)計(jì)成鎖扣型式, 拉開鎖扣即可打開底板對制動電阻內(nèi)部進(jìn)行維護(hù)作業(yè), 大大縮短了維護(hù)作業(yè)的時(shí)間和強(qiáng)度。
三、制動電阻的優(yōu)化設(shè)計(jì)方向
以上只是某一制動電阻的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。對于不同線路、不同種類的制動電阻, 其具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法雖有所不同, 但方向都是一致的。即結(jié)構(gòu)盡可能緊湊, 質(zhì)量盡可能小, 能夠承受車輛的振動沖擊,能有效地冷卻并具有高可靠性和可維護(hù)性, 并使制動電阻全壽命周期成本最小化。
為使制動電阻的結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小, 并能有效地冷卻, 就必須對制動電阻溫升進(jìn)行盡可能精確的分析。有條件的可采用有限元分析方法, 使制動電阻帶使用量最小化、風(fēng)量及風(fēng)道尺寸最小化,并合理布置電阻帶, 使溫度分布均勻, 避免局部高溫的出現(xiàn)。
為能夠承受車輛的振動沖擊, 就必須使制動電阻具有足夠的強(qiáng)度和剛性。通過有限元強(qiáng)度分析和模態(tài)分析, 并通過樣機(jī)的振動沖擊試驗(yàn)來驗(yàn)證制動電阻抗振動的沖擊性能。為保證制動電阻的高可靠性, 就必須在設(shè)計(jì)的全過程進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的失效模式分析, 發(fā)現(xiàn)存在的失效隱患并予以改進(jìn), 以便有效地避免失效的發(fā)生。
縮小制動電阻全壽命周期成本除了選擇制動電阻種類外, 還與制動電阻的可靠性、可維護(hù)性有很大關(guān)系�？煽啃圆桓�, 必然故障較多, 維護(hù)次數(shù)和成本增加; 而若可維護(hù)性不好, 必然增加維護(hù)的時(shí)間和強(qiáng)度, 從而增加維護(hù)成本。
四、設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證
通過計(jì)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì), 制作了該型制動電阻, 并對其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。由于試驗(yàn)條件限制,不能完全模擬制動電阻功率曲線來進(jìn)行試驗(yàn), 因此采用等周期能量模擬試驗(yàn)方法。即試驗(yàn)周期與功率曲線相同, 每個(gè)周期輸入的能量也與功率曲線每個(gè)周期的能量相等。型式試驗(yàn)結(jié)果(見圖8) 中測點(diǎn)4 的溫度曲線為所有測點(diǎn)中檢測到的最高溫度曲線, 其溫度曲線最大值為538。
試驗(yàn)結(jié)果表明, 模擬計(jì)算溫度曲線與試驗(yàn)得到的溫度曲線基本一致, 基本反映了制動電阻的實(shí)際工況。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的制動電阻獲得了國家專利, 并在上海軌道交通1 號線車輛∃ 6 改8%和廣州地鐵1號線中得到了應(yīng)用。長期運(yùn)營的結(jié)果表明, 該制動電阻的性能可靠, 維護(hù)方便,滿足了用戶的要求。 |
