内燃机车膨胀水箱设计

夏芳

摘 要：以出口苏丹CKD8S型内燃机车为例，结合机车柴油机和散热器的要求，对膨胀水箱的容积计算、主要配件选型、结构设计及安装进行了说明及探讨。

关键词：膨胀水箱；容积计算；水位控制；冷却系统

中图分类号：U262 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）09-0126-02

Abstract： Taking CKD8S diesel locomotive exported from Sudan as an example， and in accordance with the requirements of diesel engine and radiator of locomotive， the volume calculation， selection of main fittings， structural design and installation of expansion tank are described and discussed.

Keywords： expansion tank； volumetric calculation； water level control； cooling system

前言

近几年，随着中国铁路跨越式发展战略的提出，我国出口内燃机车也在不断增多。出口内燃机车在世界不同市场的运用，促进了机车整体质量的提升，对于冷却系统中的膨胀水箱有了更高标准。因此，精细设计膨胀水箱也是必然之要求。膨胀水箱是内燃机车冷却系统中的部件之一，作用是为柴油机冷却系统储备冗余冷却水，排出柴油机冷却过程所产生气体并对循环系统进行补水。膨胀水箱的精确设计匹配，才能保证冷却系统正常工作。膨胀水箱设计主要包括：容积计算、主要配件选型、结构设计及安装等。本文以出口苏丹CKD8S型内燃机车冷却系统为例，介绍膨胀水箱的设计和注意事项。

1 容积计算

膨胀水箱的容积要结合理论容积和实际容积计算来确定。

1.1 理论容积计算

1.1.1 系统水容积

苏丹CKD8S型内燃机车采用美国卡特彼勒公司的CAT3516B型柴油机，系统中的水包括柴油机、散热器和冷却水管系的水，各储水部位具体容积如下：

CAT3516B柴油机内部水：233L

散热器的水： 129L

冷却水管系的水： 33L

综上，系统水容积为233+129+33=395L。

1.1.2 额定容积（溢水位到水箱底）

溢水位（见图1）到水箱底的容积是储水容积，即额定容积。溢水位是膨胀水箱的最高水位，当膨胀水箱加水超过溢水位时，多余的水自动从溢水管中排出。根据我公司设计经验，该部分容积一般取系统水容积的15%。因此，膨胀水箱的额定容积为395×15%=59.25L。

1.1.3 膨胀容积（溢水位到水箱顶）

机车运行过程中，冷却系统最高水温将超过90℃。随着温度升高，系统中的水密度变小，容积也不断增加，因此需要给冷却系统留出膨胀空间，即预留膨胀水箱的膨胀容积。由于水在4℃时的体积最小，当水温由4℃升到95℃时，水的加热膨胀系数为0.03958。冷却系统水容积包括系统水容积和膨胀水箱额定容积，因此冷却系统水的膨胀量为：（395+395×15%）×0.03958=18L，即膨胀容积至少需要18L。

1.1.4 理论容积

膨胀水箱的容积包括额定容积和膨胀容积，即苏丹CKD8S型内燃机车水箱的理论容积为：

V'=59.25+18=77.25L。

1.2 实际容积计算

（1）实际容积。考虑延长冷却液加装周期的要求，并类比我公司相似车型，膨胀水箱实际设计时会在理论计算的基础上增大容积。在满足机车冷却系统补水需要以及车上空间允许的情况下，将苏丹CKD8S型内燃机车膨胀水箱外形尺寸设计为：长×宽×高=1800×458×309（单位：mm，见图1），总容积V =202L。膨胀水箱顶部留40L膨胀空间，可储水162L。（2）实际膨胀容积（溢水位到水箱顶）。根据《卡特彼勒3500B机车发动机操作和保养手册》，CAT3516B型柴油机要求膨胀容积不少于冷却系统水容积的5%。因此，苏丹CKD8S型内燃机车膨胀水箱的膨胀容积应不少于（395+395×15%）×0.05=22.7L，理论容积计算的18L膨胀空间不满足要求。结合我公司相似车型经验，为防止膨胀水箱误加满冲顶压力调节阀，因此适当加大膨胀容积。即设定膨脹容积为40L，保证了膨胀空间足够的裕量。（3）实际额定容积（溢水位到水箱底）。实际额定容积指减去膨胀空间后的储水容积，是机车整备后膨胀水箱的额定容积，即有效容积。苏丹CKD8S型内燃机车膨胀水箱的实际额定容积为202-40=162L。（4）报警容积（报警水位以下）。报警水位（见图1）指最低使用水位，低水位报警的作用是提醒司乘人员适时补水。苏丹CKD8S型内燃机车膨胀水箱报警容积设定为60L。

2 主要配件选型

膨胀水箱的主要配件包括液位器、液位开关和压力调节阀等，选用合适的配件对于确保水箱功能有着重要意义。

2.1 液位器

苏丹CKD8S型内燃机车选用了自闭式玻璃管液位器，型号 STIC-316H（DS）。该液位器安装在膨胀水箱的前方中间位置，通过液位器的玻璃外罩可直观观察水位。液位器也可以对称布置在水箱两侧，工作人员在机车左、右两侧均可以随时观察水位高度。

2.2 液位开关

液位开关是膨胀水箱的低水位报警装置，安装在水箱的报警水位高度，与司机室控制台的报警装置通过电信号连接。苏丹CKD8S型内燃机车采用的液位开关型号为TD-YK-1，当膨胀水箱的水低于报警水位时，司机室控制台会有报警显示。液位开关的具体型号选择要参考机车柴油机的要求。有些型号的液位开关设有两级报警装置：一次报警停机，二次报警卸载。这种液位开关灵敏度更高，更能确保柴油机安全工作。

2.3 压力调节阀

压力调节阀主要用于调节膨胀水箱内压力，使水箱保持一定的正压，防止系统水因水温过高气化流失；也能够保证水箱向循环系统形成补水正压，形成闭式压力冷却系统。苏丹CKD8S型内燃机车安装了柴油机自带的压力调节阀（型号：4N-3311），压力50kPa。当膨胀水箱内压力高于大气压50kPa时，压力调节阀自动打开排出水汽；反之，当水位下降时，又可以及时向水箱内补气，以保证水箱内正压。压力调节阀的使用，使整个冷却系统的安全性、可靠性大幅提高，也提高了系统的冷却能力。

3 结构与安装

3.1 结构

内燃机车膨胀水箱一般采用钢板焊接的箱型结构（见图1），外形设计考虑尽量利用车内空间以及安装的便利性。为了保证膨胀水箱的强度，在内部采用了隔板和角钢的加强结构，即两块支撑隔板对称布置。隔板中间开孔以便于水的流通，确保水箱内部压力均匀。另外，由于苏丹CKD8S型内燃机车柴油机冷却系统是单循环系统，对于分高、低温两路独立循环的冷却系统，膨胀水箱设计时要根据容积计算给水箱内部加装高、低温水隔板。膨胀水箱的盖板上设有两个检查孔盖，以备日常观察、维修使用。膨胀水箱通过补水管与冷却水系统连通，及时补充系统的水分损失，保证了系统水量稳定。同时，补水管接管通至机车两侧，可用于機车日常补水。机车上水时，打开溢水管通至车下水管中的阀门，使多余的水排掉，水箱加满水后关闭阀门。

3.2 安装位置

为确保冷却系统补水以及顺利排气，膨胀水箱一般安装在冷却系统的最高点，即高于柴油机和散热器的位置。近年来，我公司在出口苏丹、坦赞、刚果（金）等内燃机车设计中，冷却系统普遍采用大片顶置式散热器，且均安装在冷却室的最高点。在这种情况下，膨胀水箱的安装无法完全高于散热器。通过对膨胀水箱实际运行情况进行分析，当膨胀水箱水位低于报警水位时，司机室控制台有报警显示提示补水。因此，苏丹CKD8S型内燃机车膨胀水箱的安装确保了报警水位（最低使用水位）高于散热器的最高水位，这样可以实现水箱额定容积（有效容积）的最充分使用。

4 结束语

柴油机是内燃机车的心脏，能够保证其正常工作的正是冷却系统，而膨胀水箱的精准设计，对于保证冷却系统的排气、进气以及向循环系统补水是至关重要的。出口苏丹CKD8S型内燃机车投入运营情况表明，本车膨胀水箱结构合理，智能性和可控性相较过去车型均有大幅提高，完全满足机车运用要求。内燃机车膨胀水箱的设计，要充分参考柴油机操作和保养手册等文件，明确柴油机对膨胀水箱容积计算及配件选型的要求；柴油机有自带配件的，要优先使用。另外，散热器对膨胀水箱的容积计算、结构设计和安装的影响也要充分考虑。

参考文献：

[1]苏喜庆，何帅.基于水位控制的膨胀水箱选型计算新方法[J].制冷与空调，2014.

[2]赵俊勇.CKD8E型内燃机车膨胀水箱设计[J].铁道机车与动车，2017.

[3]王磊.膨胀水箱容积计算及布置原则[J].汽车实用技术，2016.

[4]杨世铭.传热学（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[5]黄玉峰.互换性与测量技术基础[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，1988.