嵇玉龍

摘 要：當(dāng)前，280柴油機(jī)逐步成為我國鐵路機(jī)車的主型動力，柴油機(jī)燃燒過程需要供給氣缸大量空氣，進(jìn)氣系統(tǒng)則是柴油機(jī)的重要保護(hù)裝置之一。本文通過對不同車型柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的消化、吸收和改進(jìn)，研發(fā)出了適用于R12V280ZJ型柴油機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)。通過有限元仿真分析和性能計(jì)算，該進(jìn)氣系統(tǒng)滿足該柴油機(jī)的性能要求。

關(guān)鍵詞：280柴油機(jī)；進(jìn)氣系統(tǒng)；濾清元件；有限元仿真

1 背景

戚墅堰公司自上世紀(jì)七十年代開發(fā)280系列機(jī)車柴油機(jī)以來，通過幾十年不斷改進(jìn)完善，280柴油機(jī)逐步成為我國鐵路機(jī)車的主型動力。進(jìn)氣系統(tǒng)作為柴油機(jī)非常重要的保護(hù)裝置之一，在行車安全方面，影響機(jī)車的正常運(yùn)行，大風(fēng)沙地區(qū)尤為明顯；經(jīng)濟(jì)性上，它的性能直接影響柴油機(jī)缸頭缸套等的使用壽命，影響柴油機(jī)的油耗；可維護(hù)性上，直接影響人工操作的難易程度。

2 進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)柴油機(jī)的進(jìn)氣量、吸入真空度及機(jī)車的結(jié)構(gòu)布置空間來完成所需各級濾清元件的設(shè)計(jì)選型工作，依據(jù)柴油機(jī)增壓器進(jìn)氣口與濾清元件安裝箱體接口的相對位置來設(shè)計(jì)相應(yīng)的空氣流經(jīng)通道，以滿足功能的需要。

2.1 工作原理

進(jìn)氣系統(tǒng)是對柴油機(jī)進(jìn)氣空氣進(jìn)行過濾的重要保護(hù)裝置之一，它可以濾除空氣中的硬質(zhì)灰塵顆粒，為柴油機(jī)提供清潔空氣，防止空氣中雜質(zhì)對中冷器污染、堵塞并造成柴油機(jī)相關(guān)部件的異常磨損，從而保證柴油機(jī)的正常工作，并具有一定的消聲作用（見圖1）。所以，研發(fā)一個合適的，高效的，經(jīng)濟(jì)的進(jìn)氣系統(tǒng)對于整個柴油機(jī)來說是非常重要的。尤其對運(yùn)行于風(fēng)沙地區(qū)的機(jī)車來說，采用一種濾清效率高，進(jìn)氣阻力小，容塵能力強(qiáng)，重量輕，更換周期長，維保、更換簡單、安全可靠的空氣濾清元件，無論是從提高機(jī)車的工作效率及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，延長柴油機(jī)的壽命，還是從節(jié)能的角度，都有著十分重要的意義。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該進(jìn)氣系統(tǒng)通過機(jī)車兩側(cè)上方進(jìn)氣，吊掛在機(jī)車頂懸梁上，集成了排塵風(fēng)機(jī)，且在箱體內(nèi)部設(shè)有排水裝置。

該進(jìn)氣系統(tǒng)將箱體、袋式濾清器、慣性濾清器、排塵風(fēng)機(jī)、檢修門和排水裝置等零部件集成為一個模塊（見圖2），極大程度提高了整車的模塊化組裝；且在袋式濾清器的前端設(shè)有密封檢修門，方便了袋式濾清器的更換，并且此檢修門具有密封效果，臟空氣不會通過此處進(jìn)入增壓器影響其性能。但是由于受機(jī)車結(jié)構(gòu)布置的限制，進(jìn)氣系統(tǒng)只能安裝在機(jī)車較高的位置，故將該進(jìn)氣系統(tǒng)吊掛在機(jī)車頂懸梁上。由于袋式濾清器維護(hù)更換周期較短，所以袋式濾清器必須放置于下端以便更換維護(hù)，在此方式布置下，慣性濾清器則需布置于上端。但是此種結(jié)構(gòu)有兩大不足：1、外界雨水可能會隨著慣性濾清器進(jìn)入進(jìn)氣箱體，雨水可能會通過袋式濾清器進(jìn)入增壓器，影響柴油機(jī)性能。據(jù)此，在進(jìn)氣系統(tǒng)中增設(shè)排水裝置，以避免上述現(xiàn)象；2、袋式濾清器進(jìn)風(fēng)方向與進(jìn)氣系統(tǒng)出風(fēng)方向垂直，阻力可能會較大。

2.3 濾清元件的選型

R12V280柴油機(jī)的額定進(jìn)氣流量：

根據(jù)柴油機(jī)的進(jìn)氣流量及進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求和限制，故選用現(xiàn)有的BKXF-3型慣性濾清器，其額定流量為2770 m3/h。因此，所需的慣性式空氣濾清器的數(shù)量為： n1=Q/2770=21600/2770=7.8>7，所以采用8個BKXF-3型慣性式空氣濾清器

由于結(jié)構(gòu)限制，現(xiàn)有的三種規(guī)格的袋式濾清器都不能滿足該進(jìn)氣系統(tǒng)的要求，故需研制出一種新型的袋式濾清器，其額定流量為3960 m3/h。因此，所需的袋式空氣濾清器的數(shù)量為： n2=Q/3960=21600/3960=5.45>5，所以采用6個新型的袋式空氣濾清器。袋式濾清器由玻璃纖維和地棉材料組成，多層過濾，濾清效率高、過濾面積、流量大。表面噴涂有阻燃膠質(zhì)油，灰塵吸附能力強(qiáng)， 具有阻燃、防雨特性?？諝膺^濾路徑為內(nèi)進(jìn)外出。

3 性能分析

整個進(jìn)氣系統(tǒng)阻力包括慣性濾清器阻力、袋式濾清器的阻力、以及系統(tǒng)沿程阻力和局部阻力，根據(jù)280柴油機(jī)的要求，干凈濾芯最大阻力小于2.45Kpa。

3.1 濾清元件阻力計(jì)算

3.1.1 慣性濾清器阻力

根據(jù)TB/T2722-2013 《內(nèi)燃機(jī)車用空氣濾清器》的要求，慣性濾清器的初始阻力：f1≤850pa

3.1.2 袋式濾清器阻力

根據(jù)BKDL-1型袋式濾清器試驗(yàn)報告，其在額定流量3500 m3/h時的阻力為300pa，故文中的新型袋式濾清器的阻力應(yīng)該在f2 = 350pa 左右。

3.2 箱體阻力有限元仿真

3.2.1網(wǎng)格模型劃分及流場曲線

為了更準(zhǔn)確的計(jì)算箱體阻力，需要借助仿真分析軟件ANSYS 14.0對箱體沿程阻力和局部阻力進(jìn)行估算，本次分析主要利用幾何模型處理工具ANSYS DM 、流體網(wǎng)格劃分工具ICEM CFD及流體動力學(xué)分析軟件FLUENT等軟件，最終得到風(fēng)道的流場分布和阻力特性。

圖2為從Creo 2.0輸出到ANSYS中的模型，系統(tǒng)可近似看成對稱結(jié)構(gòu)，在ANSYS ICEM CFD中將模型處理為沒有厚度的壁面來進(jìn)行網(wǎng)格劃分，針對進(jìn)出口段增長了一部分管道，有利于提高CFD分析的收斂性以及分析精度。在該幾何模型的基礎(chǔ)上，使用ICEM CFD中的直接從幾何體上劃分網(wǎng)格的魯棒性高的Octree的四面體劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格模型及流場場線如圖3和圖4：

3.2.2 邊界條件及分析模型

邊界條件見表3.1。

3.2.3 分析結(jié)果

通過收斂曲線、監(jiān)控變量的值是否不再變化及進(jìn)出口流量差是否小于規(guī)定值來判斷分析過程是否收斂，獲得了箱體阻力f3 = 830pa。

因此，整個進(jìn)氣系統(tǒng)阻力f =慣性濾清器阻力（f1）+袋式濾清器阻力（f2）+箱體阻力（f3）

=850pa+350pa（試驗(yàn)值）+830=2030pa<2450pa

4 結(jié)論

綜上所述，整個進(jìn)氣系統(tǒng)的總阻力為2030Pa，滿足干凈濾芯最大阻力小于2.45Kpa的要求。因此，此進(jìn)氣系統(tǒng)方案滿足柴油機(jī)性能的要求。

參考文獻(xiàn)

1.一種內(nèi)燃機(jī)車新型防風(fēng)沙空氣濾清系統(tǒng)的運(yùn)用淺析 張曉芳 吉林化工學(xué)院學(xué)報 第24卷 第2期 2007年4月

2. TB/T 2722-2013 《內(nèi)燃機(jī)車用空氣濾清器》