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冷却装置综述

随着我国经济的高速发展，铁路运输的繁忙亦更加突显，国内各铁路编组站以及路外的调车机车作业量在加大，对内燃机车的质量要求也越来越高，除了提高机车各零部件的质量水平外，在拆检与维修工艺上，能够做到简便、快速维修才是最佳工艺选择。而达到这一目的的措施就是让内燃机车按照标准化、规范化、模块化的方式形成系列化。

模块化思维方式的引进，有助于机车制造工艺水平的提升。内燃机车的设计、制造实现标准化、规范化、模块化以后，对分散机车总组装工序，使总组装的若干工序转为前置工序，化零部件为模块，再将各模块变为整组装车的工艺理念，对净化总组装环境，提高部件组装质量水平都有很大帮助。还为机车各零部件先油漆后组装创造了良好的工艺基础。

冷却装置是由冷却室钢结构、集流箱、散热器、冷却风扇、风扇驱动装置、顶百叶窗、侧百叶窗及水管路等组成。由此可见，冷却装置安装的零部件较多，接口衔接比较复杂。冷却室钢结构作为模块化冷却装置的基本框架，要有很好的通用性，通过选装不同的零部件，组合成与不同功率等级柴油机配套的冷却装置。钢结构设计必须达到标准化、通用性。由于冷却室钢结构设计具有良好的兼容性，使得机车冷却装置模块具有较宽的适应范围，从而形成系列化、规范化、标准化、模块化，这对提升整个机车质量有很大帮助。

一、内燃机车冷却系统

1.1 内燃机冷却系统的作用

内燃机运行时，机车的冷却水、润滑油、牵引电机及电器或液力传动装置的传动油等的温度均会不断地升高，若不加以冷却，将要影响到柴油机及传动装置的功率发挥，工作效率下降，润滑油老化变质，破坏润滑，影响机车零部件的使用寿命，甚至损坏。因此，在内燃机车上采取必要的冷却措施，设置一些装置来保证柴油机、传动装置工作时所产生的热量能及时适度地排放到大气中去，使其温度维持在允许的范围内，以改善零部件的热强度和润滑状况，提高内燃机车工作的经济性和可靠性，延长其使用寿命，这就是内燃机车冷却系统的主要任务。

1.2 内燃机冷却系统的分类

内燃机车冷却装置的作用就是要将柴油机、牵引电机及电器( 电传动内燃机车) 、液力传动油 ( 液力传动内燃机车) 工作时散发的热量排放到大气中去。

在液力传动的内燃机车上，通过油水热交换器用冷却水使液力传动油冷却，也有用油散热器靠冷空气使之冷却的。

就传热介质来区分，内燃机车大体有以下几种冷却方式：热固体表面与冷空气间的对流换热；热空气与冷空气、热水与冷空气，以及冷热空气间的传热；热油（润滑油、液力传动油、液力制动油等）与冷空气或冷却水间的热交换，汽化冷却等。

就冷却方式的不同，内燃机车上的冷却系统大体上可分为通风冷却系、柴油机水冷却系统、增压空气冷却系统和各类油的冷却系统。油冷却系统包括润滑油冷却系统、活塞冷却油冷系统、液力传动油冷却系统、液力制动油冷却系统、静液压传动油冷却系统和中间齿轮箱油冷却系统。除通风冷却系统外，其余各系统均与水系统有联系。因此，亦可将其系余各统归于水冷却系统之内。

冷却系统是内燃机车的一个重要组成部分，它对保证内燃机车的正常可靠工作具有重要作用。不仅如此，随着高速、重载大功率内燃机车的发展，冷却系统还对提高机车运行的经济性具有重要意义。近年来，国内外对内燃机车冷却技术的研究有了很大发展，并取得显著成效，现如今使用比较普遍的有双流道散热器冷却技术、散热器干式冷却系统以及高温冷却等。

1.2.1 散热器冷却技术

（1）单流道散热器

目前的内燃机车冷却系统普遍采用单流道散热器，根据散热器的要求，由不同数量的散热器构成两个彼此独立的冷却系统即高温系统和低温系统，两个系统有各自的冷却风扇及其调节系统见图1。单流道散热器高低温冷却水系统完全独立，散热器布置在两侧的同一平面内，空气同时流进高低温散热器的入口，因而进口温度相同。散热器出口空气温度因高低温水温、散热量以及流经散热器的空气量不同而有所不同。

图1 单流道冷却系统示意图

1—冷却风扇；2—散热器；3—机油热交换器；4—高温水泵；

5—低温水泵；6—柴油机；7—中冷器；8—膨胀水箱；

（2）双流道散热器

双流道散热器冷却技术，则是两个系统的冷却水进入同一个散热器的两个相对独立的冷却水腔内进行散热，两个系统具有相同数量的散热器，低温水腔在前，高温水腔在后，从而提高了散热器的散热能力，冷却装置更加紧凑，如图2。双流道散热器的每一个散热单节内有两个独立的水腔，迎风侧为低温水腔，背风侧为高温水腔，空气先流经低温散热器，再流经高温散热器。

图2 双流道冷却系统示意图

1-膨胀水箱 2-冷却风扇 3-散热器 4-机油热交换器

5-高温水泵 6-低温水泵 7-柴油机8-中冷器

机车散热器采用水-空气热交换的方式。为了增加柴油机气缸内的空气充量，必须使增

压空气的冷却水温大大低于气缸等受热机件的冷却水温。由于柴油机对这两者的工作要求不同，所以设置了两套冷却水系统。冷却气缸套等部件的冷却水系统，其工作水温通常为65℃～88℃，称为高温冷却水系统；而将冷却增压空气的水系统称为低温冷却水系统或中冷冷却水系统。机车上也相应的设置了两套散热装置。柴油机高温水出口平均带有燃烧总热量的10%左右的热量，中冷水和机油平均带有燃烧总热量的6%及7%左右的热量。为便于生产和布置，一般使高、低温水系统的散热量基本平衡，为此将中冷器及机油热交换器等的冷却水串连在一起。

高温水系统循环通路：高温水泵—左右进水总管—前、后增压器/各进水支管、气缸、气缸盖—出水总管—高温散热器组—逆止阀—高温水泵。

低温水系统循环通路：低温水泵—前、中冷器—机油热交换器—低温散热器组—静液压油热交换器—逆止阀—低温水泵。

1.2.2 高温冷却技术

高温冷却是通过提高柴油机冷却介质（冷却水或机油）温度，来增加冷却介质与外界空气之间的温差，使之提高机车冷却装置的散热能力，同时，由于冷却介质与气缸的温差缩小，减少了柴油机的热损失，提高了柴油机的经济性。目前，我国内燃机车冷却系统冷却水和机油的最高温度一般为88 ℃，而高温冷却系统的冷却水温可提高到100℃～120℃，机油温度也可提高到 100℃。为了避免由于冷却水温的提高而引起冷却水沸腾，保持柴油机的正常工作，高温冷却的冷却系统必须是一个具有一定压力的封闭系统，故高温冷却亦称加压冷却。

1.2.3 干式冷却技术

所谓“干式冷却”就是在机车柴油机停机和冷却水温度比较低时，冷却水不进入散热器而全部流回到特设的水箱里，或贮存在柴油机的水腔和低位置冷却系统的管路中，散热器呈“干式”。当冷却水温度上升到设定的温度时冷却水就进入散热器。

干式散热器的冷却系统仍分高、低温两个独立的冷却水循环系统。这种冷却系统，一般采用闭式循环，以适当提高冷却水温度，进而提高系统散热能力。但更多的好处在于维护保养方面。冬季在停机状态时，因为散热器内没有冷却水，一则不易冻坏，二则冷却水集中，能较快地将油、水加热到规定的起机温度，节省打温时间。此外，在干式冷却系统中，散热器必须位于系统的最高处，冷却风扇置于其下，散热器的通风采用压风式，冷却风扇及其驱动电机是在与外界温度相同的环境下工作，因而工作条件较好。

1.3 内燃机冷却系统的组成

冷却水系统由冷却水泵、中冷器、机油热交换器、散热器、冷却风扇、静液压油热交换器、膨胀水箱、阀门管路及仪表等组成。①高温水循环系统。柴油机工作时驱动高温水泵将冷却水压入柴油机左、右两侧气缸套和气缸盖及柴油机前、后涡轮增压器出气壳。冷却后出来的热水汇合进入散热器，被冷空气冷却后经止回阀又回到高温水泵.②低温水循环系统。柴油机工作时低温水泵转动，将冷却水送入前、后中冷器，机油热交换器出来的热水在散热器被冷空气冷却后，进入静液压油热交换器，最后经逆止阀又进入低温水泵。③冬季司机室需要取暖和燃油需要预热时，可打开柴油机热水总管中的截止阀，使部分热水进入司机室的热风机和燃油预热器，出来的热水流回高温水泵吸水管。膨胀水箱安装在水冷却系统的最高处，它的作用是给冷却水系统自动补水（水的泄漏、蒸发），清除系统中产生的汽泡和使冷却水受热后有膨胀的余地等。

管片式散热器由连接箱、扁铜管、管板、支撑管、侧护板等组成。扁铜管和散热片组成散热器的冷却芯。散热片上冲有许多小凸球或其他的结构形状，以增强空气湍流特性，提高传热系数。冷却芯两端焊接在补强板和管板的扁孔内，两端的连接箱和管板焊接，连接箱与管板之间构成的空间，为冷却水进、出流动的水腔。散热器通常呈V形布置，安装在机车冷却室钢骨架的集流管上。内燃机车上使用的散热器有管片式、强化型管片式，管带式、板翅

式（铝）和新型管带式双流道散热器等。内燃机车散热器采用单节型式，有利于内燃机车配件的标准化，给制造检修部门带来方便。检修时如发现损坏，可更换有关单节。不同功率的机车可采用不同数量或者不同结构而安装尺寸相同的单节，这对制造检修部门非常有利。内燃机车上所用散热器单节数目的多少，要根据机车功率的大小、应散走的热量多少计算而定。

冷却风扇为扭曲叶片的轴流式风扇。由轮毂、叶片、流线罩组成，有钢板焊接结构和整体铸造结构两种。单流道冷却系统的高温、低温水冷系统，各有一个冷却风扇，双流道系统的高、低温水冷系统只有一个冷却风扇。风扇组装后需对风扇半径、中片顶部之间的距离、顶部的高度及安装角进行检查，并进行静平衡和超速试验。

冷却风扇安装在冷却室钢结构的顶部，与两侧的散热器构成V字形空间。当冷却风扇转动时，将冷空气从散热器机外侧吸进，并穿过散热片与散热器的热水进行热交换，然后向车顶排出。

二、电力机车冷却系统

2.1 电力机车冷却系统的组成

交流传动电力机车冷却系统包括牵引变压器冷却系统、牵引变流器冷却系统、牵引电机冷却系统、车内通风系统、司机室空调通风系统等。后几种冷却系统比较简单，比如牵引电机和辅助变流器一般采用通风机供风的直接风冷方式进行冷却。但牵引变压器冷却系统、牵引变流器冷却系统却比较复杂，前者通常使用变压器油作为冷却介质对变压器线圈等进行冷却，后者通常使用纯水+乙二醇(以下简称水)的混合液作为冷却介质对变流器功率模块半导体器件进行冷却，冷却介质吸收的热量再通过外部二次冷却装置散发到大气中去。

牵引变压器油冷却系统一般由油箱、油泵、油流继电器、温度传感器、压力传感器、副油箱、空气干燥器、气体触发继电器、油散热器、各种控制阀门及管路等部件组成，如图3。冷却系统工作时，变压器油箱中的高温油在油泵的作用下沿着油管路，经过阀、油泵、波纹管、各种传感器后进入油散热器，在散热器中通过外部风机强制通风完成热交换，被冷却后的低温油流回变压器油箱。变压器副油箱与主油箱之间安装有气体触发继电器，当变压器因故障区过热或强电场作用造成绝缘材料分解产生气体时，可通过气体触发继电器排气、报警或跳闸；变压器副油箱还通过气体触发继电器及管路向主油箱补充油量。变压器副油箱上安装有空气干燥器，当变压器内部压力过小或过大时，空气通过干燥器进入或流出副油箱，达到调节冷却系统压力平衡的目的。

图3 牵引变压器油冷系统组成

牵引变流器水冷却系统一般由水冷基板(半导体器件初级散热器，也称一次散热器)、水散热器(外部二次散热器)、膨胀水箱、水泵、过滤器、流量计、温度传感器、压力传感器、

各种控制阀门及管路等部件组成，如图4。水冷基板上涂覆导热硅脂，半导体器件紧密贴装固定在水冷基板的外表面组成牵引变流器功率模块。半导体器件工作时产生的热量首先传到水冷基板上，水冷基板再将热量传导到内腔的冷却水中，系统通过冷却水泵将水冷基板内腔中的水强制循环到外部水散热器中，高温水在水散热器中通过外部风机强制通风散热，完成热交换后的冷却水再流回水冷基板内腔重复上述冷却过程。

图4 牵引变流器水冷系统组成

水系统中安装膨胀水箱，其作用是补偿温度变化引起的冷却液体积的变化，调节水泵进口的压力。若膨胀水箱内部的空气压力大于或小于某一规定值时，可以通过膨胀水箱上的双向阀门和周围空气交换；当冷却液体积膨胀引起水箱过满时，可以通过膨胀水箱上的溢水阀排出液体。

牵引变压器油散热器和牵引变流器水散热器是外部冷却装置中的部件，散热器通过风机强制换热，散热器、冷却风机组、安装箱体等关键部件和重要附件组成外部冷却装置。即在散热器冷却空气侧，冷却风机组带动外部环境空气流动，空气经过散热器时吸收变流器冷却水和变压器冷却油带来的热量，然后再散发到环境当中。

2.2 冷却装置的介绍

无论是牵引变压器油冷却系统，还是牵引变流器水冷却系统，都需要外部二次冷却装置。交流传动电力机车冷却装置按总体结构来分，基本有两种:一种是集成式冷却塔，另一种是组装式冷却装置。

集成式冷却塔是将牵引变压器外部二次冷却装置、牵引变流器外部二次冷却装置以及牵引变流器水冷却系统和牵引变压器油冷却系统的主要部件集成在一起，作为一个整体部件安装在车体地板上。集成式冷却塔通常包括:过渡风道、风机和风机驱动电机组成的风机组、水散热器、油散热器、安装箱体、膨胀水箱、水泵、变压器副油箱、空气干燥器、气体触发继电器、接线盒等部件，或上述部件中的部分关键部件。经整体设计的过渡风筒、风机组、水散热器和油散热器自上而下依次排列安装在一个周围密闭的箱体内，冷却风机组安装在冷却塔上箱体内，水散热器和油散热器安装在冷却塔下箱体内或安装座上；膨胀水箱、水泵、变压器副油箱、空气干燥器，气体触发继电器、接线盒等经整体设计设置在冷却塔箱体外壳相应的位置上。其中，水散热器、油散热器和风机组是集成式冷却塔的核心部件。集成式冷却塔的功能除了核心作用———散热之外，还具有为水系统补水、排气、过滤金属离子的作用；为油系统补油、除湿、排气、调节平衡压力的作用。

集成式冷却塔技术是目前国际上交流传动电力机车使用的最先进的冷却技术。这种冷却塔技术不仅关注散热器的换热能力，还综合考虑水泵和油泵流量、风机流量和静压力、冷却液流过散热器产生的压力损失等因素之间的整体匹配。因此，集成式冷却塔具有结构紧凑、

传热能力强、辅助功率消耗低、噪音低、安装方便、维护维修工作量小和安全可靠等优点。

组装式冷却装置是指由机车制造厂向冷却装置不同的部件供应商分别提出设计要求，订购所需部件，再由机车制造厂进行组装。组装式冷却装置通常包括:过渡风道、风机和风机驱动电机组成的风机组、水散热器、油散热器、安装框架等部件。根据机车的总体设计要求，组装式冷却装置可以整体安装在车体地板上，也有的将水散热器布置在变流装置中，将油散热器安装在牵引变压器上，随变压器一起吊装在车架下。

2.3 冷却系统组成

2.3.1 散热器

（1）散热器冷却芯体结构

根据散热器冷却芯体的结构来划分，散热器有两种结构，即板翅式和管带式结构。其中，板翅式芯体由翅片、封条和隔板等零件组成；管带式芯体由翅片、封条和管子等零件组成。管带式芯体与板翅式芯体相比较，空气侧翅片结构类似，但液体通道结构不同，其中管带式芯体液体通道采用带内肋的无缝拉制管，而板翅式芯体采用翅片、封条和隔板经过焊接后形成液体通道。前者结构和工艺简单，适用于变流器水冷却；后者散热性能强，适用于变压器油冷却。

（2）散热器的布置

根据水散热器和油散热器的布置来划分，电力机车冷却装置用散热器有3种结构:①独立式水散热器和油散热器；②分体复合式散热器；③整体复合式散热器。

所谓独立式散热器，是指水散热器和油散热器相对独立，水散热器布置在牵引变流装置中，油散热器安装在牵引变压器上，两个散热器通风截面尺寸不同，但共用一个风道，风机组安装在变流装置上方的风道内。

所谓分体复合式散热器，是指水散热器和油散热器为两个独立的个体，两个散热器之间相互接触的法兰通过螺栓连接；两个散热器通风截面尺寸相同，共用一个风道；风机组安装在水散热器上方的风道内。

所谓整体复合式散热器，是指水散热器和油散热器芯体为一个整体结构，其典型特点是芯体内的空气通道对应共用。

上述三种结构的散热器都采用水散热器在上、油散热器在下的布置方式；冷却空气自上而下先后通过水散热器和油散热器完成冷却任务。

目前，国内制造的交流传动电力机车牵引变压器和牵引变流器用冷却装置，通常采用独立式散热器或组装复合式散热器。由于水散热器和油散热器之间留有一定的安装距离，两个散热器芯体内对应的通风腔道不可能精确对中。因此，冷却装置工作时，冷却空气从装置上侧进入，先后经过水散热器和油散热器时，会在水散热器与油散热器之间的通道内产生涡流，增加冷却空气的压力损失，导致机车辅助功率消耗增大。随着使用时间的延长，在水散热器和油散热器之间的通道内容易积聚灰尘，严重影响散热器的换热能力和通风性能，并且此处积聚的灰尘不容易清除。因此，这种结构不利于保证散热器的换热性能，增加了机车辅助功率消耗，不便于维护。

而国外制造的交流传动电力机车牵引变压器和牵引变流器用冷却装置，通常采用最先进的整体复合式散热器。整体复合式散热器冷却芯体采用板翅式结构，由相间的隔板构成液体通道，液体通道的中部设有分隔阻热腔，其上部依次设有水侧封条和水侧翅片，构成水流通道，其下部依次设有油侧封条和油侧翅片，构成油流通道，相邻的液体通道间设有与其相连的空气侧散热翅片，其两端设有空气侧封条。整体复合式散热器的冷却芯体也可以是管带式结构，管带式芯体为带有内加强筋或扰流片的无缝扁管构成液体通道，相邻的液体通道间设有与其相连的空气侧散热翅片，其两端设有空气侧封条。整体复合式散热器由两个隔开的液体回路组成，分隔阻热腔贯穿整个散热器。散热器通过各自的回路分别与牵引变流器和牵引

变压器相连接。整体复合式散热器的冷却芯体水侧翅片、油侧翅片根据液体的不同性质采用相同或不同的结构，但其高度应保持一致。空气侧散热翅片可采用同一种结构的连续或断续等高度翅片，也可采用不同结构的断续等高度翅片。每个水流通道与同一位置处的油流通道共用同一隔板，水流通道与油流通道间用封条隔开，每个水流通道与同一位置处的油流通道之间设有分隔阻热腔。根据不同的设计要求可调节分隔阻热腔的尺寸和分隔阻热腔的数量。

采用具有连续空气通道的整体复合式散热器代替目前国内已有技术中具有断续错位空气通道的独立式散热器或组装复合式散热器，使冷却空气通过散热器时流动更加通畅，不会在水散热器与油散热器之间产生涡流，降低了冷却空气压力损失，可使机车的辅助功率消耗下降，节约能源；由于冷却空气通道连续光滑，极大地提高了冷却空气中污脏物颗粒的通过能力，降低了污脏物颗粒沉积粘附在散热器空气侧翅片上的可能性，同时解决了在水散热器和油散热器之间的通道内灰尘积聚问题，保证了散热器的换热能力和通风性能，提高了散热器的可靠性；整体复合式散热器，不需要对水散热器和油散热器拆解，即能有效清除散热器空气侧的灰尘等污脏物。因此，这种结构更便于使用维护；另外，整体复合式散热器结构简单紧凑，能极大地提高生产效率。经过对比，我们可以推测，整体复合式散热器是未来交流传动电力机车冷却装置用散热器的首选。

2.3.2 水冷基板

牵引变流器是交流传动电力机车的核心部件，随着半导体器件功率等级、开关频率的不断提高，牵引变流器经历了晶闸管牵引变流器、GTO牵引变流器、IGBT(IGCT)牵引变流器等几个发展阶段，IGBT牵引变流器具有体积小、可靠性高等优点，已经成为国际上牵引变流器的主流产品。由于整流器和逆变器功率等级和开关频率很高，半导体器件工作时的损耗和热流密度很大，传统的风冷却方式已经不能满足器件的冷却要求。按照与半导体器件直接接触的散热器(即初级散热器)的冷却原理和冷却介质的不同，IGBT牵引变流器冷却大致可分为热管冷却、沸腾冷却、水冷却和油冷却等几种冷却方式。从提高冷却能力和减少环境污染等方面来看，水冷是比较理想的冷却方式。目前，国际上大功率交流牵引广泛采用水冷方式。

所谓水冷，就是在水冷基板与半导体器件接触面上涂覆导热硅脂，将半导体器件紧密贴装固定在水冷基板的外表面组成牵引变流器功率模块，水冷基板一般由主板、副板、进出水管等零部件组成，其结构示意图见图5。水冷基板承担着变流器功率模块半导体器件的散热作用，同时又是半导体器件的安装基体。由于水冷基板的换热结构独特，加工精度要求高，表面处理工艺复杂，特别是承受冲击振动、脉冲压力和冷热交变条件下的抗变形能力要求极高，目前，国外只有日本、法国、美国、德国等国家生产牵引变流器用水冷基板。

图5 水冷基板结构示意图

2.3.3 风机组

交流传动电力机车冷却装置风机所需压头大风量也比较大。风机组一般采用铝合金轴流通风机，由整流罩、冷却风扇、电机、上风筒体和下风筒体组成，上风筒体和下风筒体通过螺栓联接在一起。对于压头和风量不大的风机组，也可不使用整流罩、上导风板等部件。风

机组叶轮直径一般在600～900 mm；电机均采用变频调速三相异步电机。目前，铁道部引进的和谐号电力机车冷却装置用风机组已经实现国产化生产，但国产风机振动和噪音量级尚需进一步降低。

三、总结

本文分别对内燃机车和电力机车的冷却系统、冷却装置进行了详细的介绍。由以上介绍可见冷却系统将朝着集成化、模块化方向发展，未来的冷却系统产品必须具有更加紧凑、高效、低噪环保、易于维护等特点。