【摘 要】 自上世纪八十年代引进国外机车以来，国产电力机车呈现蓬勃发展。本文综述了我国不同型号电力机车的发展历程，并简要介绍了国产电力机车通风系统的特点。分析了8K机车车体、6K机车以及国产SS3B～SS9型机车等型号的通风散热方式，研究了SS4改型电力机车通风散热系统存在的主要问题，并针对性的提出了解决措施及建议。
【关键词】 国产电力机车 通风系统 SS4型号 改进措施
1 引言
电力机车是通过大功率能量转换设备，将接触网上的电能转换为动能驱动机车运行。随着电力机车的发展，这些大功率电气设备的功率越来越高，但由于电力机车重量和空间的限制，这些大功率电气设备都尽量做得重量轻、体积小。而这直接造成的结果就是这些电气设备自通风散热能力较差，这就与这些电气设备工作时不可避免要产生大量的热量发生了矛盾[1]。因为产生的热量如不能及时散发掉，就要引起温度的升高；温升过高则将影响设备的正常工作，以致将设备烧坏。
尤其一些大型的电气设备，如机车主变压器、牵引电动机、硅整流装置、平波电抗器、制动电阻等等[2]。这些设备产生的热仅依靠自然冷却，往往会造成设备的过热，从而影响了正常工作。因此，为保证设备在正常温度内工作，强制性散热冷却措施的采取是十分必要的。电力机车通风系统就是专门的通风冷却系统。
2 国产电力机车通风散热系统的发展现状
我国最早自行开发设计的第一代干线电力机车是SS1型电力机车，采用车体通风方式，空气滤尘的方式是采用机车进风口的设备进行，它由2×13块纤维层过滤器组成。树叶、颗粒较大的尘土和雨雪等宏观物质的排除由垂直百叶窗完成，颗粒细小灰尘的捕捉使用的纤维层过滤器。当含尘气流经过百叶窗V型栅时，气流产生旋转，迫使尘粒从气流中分离出来并沿V形栅内角往下落[3]。气流的前行会带走一些粒度较小的灰尘，但纤维层过滤器会通过碰撞、粘附作用将这些灰尘拦截下来。
我国的第二代大功率客、货运电力机车是SS3型电力机车。此机车的通风方式仍采用车体式通风，进风口的构成是无纺编织料过滤器与立式百叶窗。其与第一代机车相比有两点不同。首先，牵引变压器会由于机车功率的提高而独立出来，一个独立通风支路就会形成，由车内吸入的冷却风先后经由通风机和油冷却散热器排向车底大气空间，经油泵循环的变压器油在散热器中以进行热交换的方式被冷却的。其次，车顶安装的制动电阻柜变成车内安装，取立式代替卧式，吸入空气的位置是车底下方，而后依次经通风机和风道直接吹向制动电阻，热风由车顶活动百叶窗排向大气。
我国第三代电力机车为SS4～SSn型号，其中的“领头”产品是SS4型电力机车。传统的车体通风方式仍然是SS4型电力机车主要采用的通风方式。双走廊侧墙大面积百叶窗进风，双层V型百叶窗结构改为合金铝材减轻重量，过滤器过滤材料原采用天然棕丝胶合物，由于经不住冲洗，现全部改为无纺合成棉新材料。
SS4改型电力机车是在8K等机车引进后，对SS4型电力机车作了重大的设计改进而成的，因屏柜结构及总体布置改动故取消了主整流柜通风支路，改成与牵引电机通风道串联，变压器通风支路改成从车内吸风并向车顶排风。
SS6与SS6B二车通风系统与SS4型电力机车基本相同。
SS7型电力机车是为了适应山区小曲率半径电气化线路而研制3B0转向架的客货运电力机车。
SS8型是提速机车，采用了传统的车体通风方式。
3 电力机车的通风散热特点
国产机车的通风系统有如下特点：（1）采用双侧走廊大面积V形百叶窗进风的车体通风方式。（2）采用纤维层过滤器。纤维过滤材料最早采用天然棕丝喷乳胶，成本低，缺点是不耐水冲洗，使用寿命短；后来被便于冲洗的无纺棉毡、针刺绒取代：近期又开发了不锈钢丝网，正在装车考核，具有质轻、寿命长等特点。（3）结构简单，进风面积大，风阻小，车内风量分配均匀，容易实施，车内温度低。（4）基本采用主变流器与牵引电动机风道串联，以减少通风机组，提高机车的可靠性和效率。（5）制动通风支路采用独立式风道。
在实际应用中发现V形百叶窗纤维层过滤器车体通风方式存在以下不足：（1）滤尘效果不佳。百叶窗进风口风速偏低，普遍只有1～2米/秒，V形百叶窗未能发挥有效的拦尘效果，阻挡住的仅仅是类似于树叶的粗大杂物，而过滤器沉积有大量粉尘，在这样的环境下，粉尘会很快将滤层堵塞从而增大了风阻，导致了车内负压的增高，风压使滤器受压力变形，滤层与窗框接缝处变得不够紧密而引起空气直接窜入车内；另外冲击振动或触碰过滤器，可撒落大量细小粉尘。经过雨天，过滤层容易板结，堵塞过滤器。（2）车内成了积尘间。经风窗进入车内含尘气流使其空间突然增大，引起气流速度急剧降低，粉尘的惯性作用使得粉尘和气流分离并降落在车体内部。再者，车体的吸风道性质使得车体内部气压低于外部大气压，导致含尘空气极易从门窗及缝隙结合处进入车内。（3）影响车内电气件的可靠性。车体通风造成车内外温度几无差别，尤其在北方寒冷冬季，超低的温度对电气设备的正常工作有极大影响，从而使机车在严寒地区的冬季使用受到了极大的限制。车内粉尘太多会加重电气运动件的磨损程度，表面电阻的绝缘效果也会被大幅削弱，造成控制触点接触不可靠，使机车使用的可靠性降低。
4 电力机车的通风散热方式
4.1 8K机车车体通风方式
采用集中惯性滤清器通风方式，进风口百叶窗和惯性滤清器安装在侧墙后部的左右两侧。车体两侧走廊就构成了通风冷却通路。机车上所有的通风机都是从车体内部吸风的。机车走廊门关闭后机械室完全密封，当通风机工作时，车体内部便形成了负压力，车外空气自然从后部的百叶窗进入到惯性滤清器，经过滤清后，空气和灰尘分离，清洁空气被流向各个需要通风的设备，空气中的灰尘和水分通过动力惯性作用排到车外。
惯性滤清器是8K机车车体通风系统中的重要组成。夹带大量泥砂、水分的空气经过惯性滤清器的百叶窗进风口，空气的流速很高，因为泥砂、水分的质量远大于空气，在惯性作用引导下直接冲向滤清器的端头集尘槽里，然后落到底部，被排风机排出车体。而另一个通路，质量轻的空气经过135°的急转弯后吸人被冷却的设备，从而达到空气与泥砂、水分的滤清和分离。深人分析可发现，这里存在一个通风截面先变小再扩大的变化过程，去集尘糟的风道截面变小狭窄，气流加速使灰尘、水分直冲集尘槽而分离；过滤后空气在大风柜里得到缓冲从而减小气流阻力。这也是惯性滤清器达到高滤清度的必需条件。8K机车的动力惯性滤清器滤清后的空气清洁度达到90%。
4.2 6K机车独立风道通风方式
整个机车根据需要冷却设备可以分为牵引电动机、牵引变压器、主整流柜、制动电阻等4个独立通风系统，每个通风系统进口的空气都经过动力惯性滤清器过滤后再去冷却设备。这对运行在黄土高原多灰尘、风沙、雨水的环境的机车来说是不可缺少的环节。多年来，运行在洛阳东机务段6K机车的电气设备，具有很高的可靠性，很重要的因素是得益于为电气设备（车体风道内和风道外）创造的清洁的工作环境条件。
这种通风方式的特点是：独立风道；采用动力惯性滤清器；进柜前有长的风道保证冷却风的高质量；适当放风使车体内部具有正气压。由于惯性滤清器存在通风损失大和占有空间大的缺点，为此必须增设排风机，迫使总体空间布置上采用单边走廊。唯一好处是动力惯性滤清器滤清后的空气清洁度比较高（6K机车达到87%）。
4.3 国产SS3B～SS9型机车车体通风方式
这种通风装置是由V形垂直百叶窗和无纺布滤层组成，结构简单；因为进风面积大风速低，所以有一定过滤效果。但是依靠过滤层吸附灰尘，没有排泄功能，灰尘积填间隙后，风路变窄，风速增大，反而会带走灰尘吸人车体内，进人设备，这是普通过滤器的缺点。因车体通风的内空间大，风路又较长，灰尘是分散平均地进人冷却设备的。
这种通风系统的特点是：车体通风方式；双侧墙大面积过滤百叶窗；有一定的过滤效果，但随着时间增长，灰尘积累后会下降。它的缺点是要经常清洗百叶窗和滤层，工作量大。
4.4 SS7D/SS7E机车风道独立通风系统
整个机车的通风冷却系统由牵引电动机、牵引变压器、变流装置和制动电阻等4个通风冷却系统组成，各个部分互相独立，因此称为风道独立通风系统。
牵引变压器通风系统从车顶进风道，冷却油散热器后从车下排出；制动电阻的冷却空气从车下进入，冷却电阻后从车顶排出。由于牵引变压器油散热器是二次热交换，而制动电阻是工作在500℃的高温，不怕水分、灰尘的侵人。而对于牵引电动机和变流装置的通风冷却系统，除了保证足够冷却风量外，由于装置内部结构绝缘强度的要求，冷却空气需要过滤和净化，因此在这4个风道的人口设置了滤清器，称为无滤层惯性过滤器，安放在车体侧墙百叶窗内。
通风系统的特点是：风道独立通风系统，各设备的通风风量按需设置；车体内部正气压，风道与设备间隔离，因此车内设备进灰少；但是未设专门排尘的通风机。
5 国产SS4改型电力机车通风散热系统概述及存在的主要问题
5.1 系统概述
SS4改型电力机车通风系统采用车体通风和独立通风相混合的通风方式，分为三大通风支路，其中除制动电阻柜通风支路为独立通风以外，其它均为车体通风和独立通风相混合的通风方式。
（1）牵引通风支路。该通风支路由侧墙百叶窗经滤尘网进风，吸入车内，先冷却整流柜和PFC电空柜后，被引入牵引通风机，再由风机加压，通过风道和帆布连接管，从牵引电机非换向器端排向大气。通风支路中，在牵引通风机的进风口冷却了整流柜和PFC电容柜，出风口冷却了牵引电机。
（2）机车主变压器通风支路。该通风支路由侧墙百叶窗经滤尘网进风，吸入车内，先冷却变压器散热器后，再经通风机，由车顶排出。
（3）制动电阻通风支路。该系统由通风机、过渡风道和制电动阻柜组成一个独立的通风系统。由车体下方吸风，经通风机组、过渡风道直接吹向制动电阻，热风由车顶活动百叶窗排向大气。
5.2 存在的主要问题
（1）车体通风方式产生的冷空气质量和流量不能得到有效的保证。因为车体通风外界冷空气通过车体侧墙上的百页窗进入车体后，再经过滤元件进入车体内部的，因此车内冷空气质量就取决于车外冷空气质量和过滤元件的过滤能力，外界空气质量越高，过滤元件的过滤能力越强，车内冷空气的质量越好，而车内冷空气的流量则取决于车外冷空气进入车体侧墙的风速和过滤元件的过滤能力，风速越高，过滤元件的过滤能力越差，则流量越大。因此质量和流量就成为一个矛盾。
过滤元件上依附的灰尘会随着电力机车运行时间的增加而不断增多，因此其过滤能力也会变差，导致越来越多的尘土进入车体内部，引起机车的通风污染，使有触点电器的使用寿命大幅降低。加之灰尘堵住冷空气的进入通道大幅减少了冷空气的流量，但机车上对冷空气的需求量是很大的，如此一来则导致了车体内部的负压区，引起了车体内部的大量空气的进入，不仅会造成机车密封性变差，甚至对机车运行安全造成影响。
（2）变压器通风支路设计不当。变压器通风支路中，冷空气从变压器散热器外面向上抽，经过变压器风机再通过车顶百页窗排向大气。因为从下往上抽风，风中的粉尘就会由于重力下落而依附在变压器油散热器上，时间长了以后，变压器油散热器上灰尘越积越多，就会影响变压器油散热器的冷却效果。
因为在风路中先冷却了变压器油散热器，这样抽上去经过变压器风机的就是热风，变压器风机在运行中本来就要发热，再加上这些热风的影响，就使变压器风机的发热严重，长此以往，就降低了变压器风机的使用寿命。并且因为变压器通风支路和牵引通风支路均由车体通风供风，车内冷空气的流量就更加捉襟见肘，从而加剧了车体内的负压。
5.3 改进措施
针对国产SS4改型电力机车通风散热系统存在的问题，提出如下的改进措施及建议：
（1）改进过滤元件的质量，使之容易清洗和更换。特别是在环境污染比较严重的地区，需要及时更换和清洗过滤元件。而现在的过滤元件，清洗不方便，更换也不方便，最好改进制造成类似空调的滤尘网，拆装和清洗都比较方便，这样就可以及时更换和清洗，从而保证车体通风的冷空气的质量和流量。
（2）将变压器通风支路改成由车顶百页窗进风，经变压器风机后冷却变压器油散热器后吹向机车车体下方。这样既节约了车内的冷空气，又避免了上述缺点。只不过由于制动电阻通风支路中热空气由车顶排出，可能会串入变压器通风支路中，但考虑到机车主要是牵引运行，电阻制动的时间比较短，而且电阻制动时变压器的功率发挥很小，因此可以在电阻制动时关闭变压器风机，从而避免热风串入变压器通风支路中。
6 结语
电力机车通风系统是电力机车能够正常运行的保证。通风系统的性能优劣，直接影响电力机车整体性能的发挥。在设计通风系统时，应在保证通风效果的基础上，尽量降低机车运用成本。在电力机车使用和维修过程中，不断对电力机车通风系统进行改进和完善，以适应电力机车和铁路运输的发展需要。
参考文献：
[1]程怀汶.电力机车机械部分.北京：中国铁道出版社，2004.
[2]饶忠.列车制动[M].北京：中国铁道出版社，2001.
[3]Ma C，Lu C，Guo X Y，et al.Selection and Lab Research of Retarder for Phosphoaluminate Cement[J].Applied Mechanics and Materials，2012，174：1317-1320.
