張　璇，張　筍

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 常州鐵道分院，江蘇 常州 213011；2.戚墅堰機(jī)車車輛有限公司,江蘇 常州 213011)

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HXn5型機(jī)車空調(diào)電加熱管參數(shù)優(yōu)化及工藝研究

張璇1，張筍2

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 常州鐵道分院，江蘇 常州 213011；2.戚墅堰機(jī)車車輛有限公司,江蘇 常州 213011)

摘要：電加熱管燒毀是HXn5型機(jī)車空調(diào)機(jī)組在運(yùn)行中出現(xiàn)的主要問題之一。首先對(duì)燒毀電加熱管進(jìn)行試驗(yàn)，找出電加熱管燒毀的原因；然后對(duì)燒毀原因進(jìn)行分析，得出要解決電加熱管燒毀問題，一方面需要對(duì)電加熱管的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，另一方面需要對(duì)電加熱管的工藝進(jìn)行改進(jìn)。在電加熱管參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，以影響電加熱管的主要參數(shù)為因子，針對(duì)電加熱管的表面負(fù)荷與表面溫度這兩個(gè)指標(biāo)，進(jìn)行DOE優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn),得出最佳參數(shù)組合。在電加熱管的加工工藝中采取了二次高溫去應(yīng)力處理和U型壓扁處理，并將彎管工藝過程中退火機(jī)瞬間導(dǎo)電改為延時(shí)導(dǎo)電，達(dá)到徹底排潮、降低應(yīng)力的目的。應(yīng)用證明，利用新參數(shù)、新工藝生產(chǎn)的電加熱管，能夠保證在工況條件下穩(wěn)定工作，擊穿、燒損幾率大大降低。

關(guān)鍵詞：電加熱管；機(jī)車空調(diào)；DOE；新工藝

HXn5型機(jī)車空調(diào)機(jī)組配套的電加熱管曾在齊齊哈爾客戶使用過程中出現(xiàn)過電加熱管擊穿燒毀事故，在全國(guó)引起重大影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，HXn5機(jī)車空調(diào)機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)過多次類似質(zhì)量問題。

針對(duì)HXn5型機(jī)車空調(diào)電加熱管燒毀事件，相關(guān)部門專門成立小組對(duì)燒毀情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)電加熱管質(zhì)量問題主要集中在兩方面：1)電加熱管大面積被燒毀(見圖1a)；2)電加熱管彎曲處被擊穿(見圖1b)。

圖1　電加熱管燒毀圖

經(jīng)過對(duì)大面積燒毀的電加熱管進(jìn)行分析，可以得到下述結(jié)論：所燒毀的電加熱管基材為不銹鋼管AISI304，電熱管直徑為12 mm，電加熱管單根功率為3 750 W。通過對(duì)電加熱管表面溫度、負(fù)荷和濕度情況進(jìn)行計(jì)算及相應(yīng)試驗(yàn)，得到的結(jié)果為：1)電加熱管的表面溫度>800 ℃；2)電加熱管的表面負(fù)荷約為14 W/cm2，超過該基材國(guó)標(biāo)規(guī)定值2.5倍；3)電加熱管填充物氧化鎂粉質(zhì)量差，耐高溫性能差，吸水率偏高。按照J(rèn)B 2379—1993《金屬管狀電熱元件》，AISI304電加熱管的允許最高表面負(fù)荷為5.5 W/cm2，允許的最高溫度為600 ℃[1-3]。

通過對(duì)電加熱管彎處燒損形成孔洞問題進(jìn)行分析，判定為生產(chǎn)工藝原因?qū)е聫澒芴幃a(chǎn)生細(xì)小裂紋，在機(jī)組運(yùn)行過程中，由于濕空氣進(jìn)入到電加熱管內(nèi)部，導(dǎo)致內(nèi)部電加熱絲與外部管殼導(dǎo)通，在通電情況下?lián)舸┏煽锥础?/p>

1電加熱管燒毀的原因分析

分析上述試驗(yàn)結(jié)果，得出如下結(jié)論：1)電加熱管燒毀的根本原因是電加熱管基材所能承受的最高溫度不滿足800 ℃高溫要求，需要重新選擇耐高溫、耐腐蝕性的基材作為新型電加熱管材料；2)電加熱管的表面負(fù)荷大大超過標(biāo)準(zhǔn)要求，需要增大電加熱管直徑，減小電加熱管的表面負(fù)荷；3)目前，使用的氧化鎂粉等級(jí)太低，應(yīng)采用更高一級(jí)的電工氧化鎂粉，增加氧化鎂粉的壓縮密度，一方面可降低電阻絲的工作溫度，另一方面能更好地阻止?jié)窨諝膺M(jìn)入電加熱管內(nèi)部，避免電加熱絲與外部管殼導(dǎo)通；4)電加熱管的生產(chǎn)工藝存在一定的缺陷，需將現(xiàn)有工藝進(jìn)行改進(jìn)，以解決彎管處小裂縫的問題。

綜上所述，電加熱管燒毀與電加熱管的基材、電加熱管的直徑、氧化鎂粉的等級(jí)以及電加熱管的生產(chǎn)工藝有著直接的關(guān)系。要解決電加熱管燒毀問題，需要對(duì)電加熱管的基材、電加熱管的直徑和氧化鎂粉的等級(jí)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行重新選擇，并對(duì)電加熱管的加工工藝進(jìn)行改進(jìn)。

2運(yùn)用 DOE優(yōu)化電加熱管的參數(shù)

電加熱管的基材、電加熱管的直徑和氧化鎂粉的等級(jí)是影響電加熱管性能的主要因素，這3個(gè)因素怎樣組合能達(dá)到既滿足機(jī)車空調(diào)工作環(huán)境又能節(jié)約材料達(dá)到最高的性價(jià)比，需要通過DOE進(jìn)行分析，并通過試驗(yàn)方法找出最佳參數(shù)組合。

2.1試驗(yàn)指標(biāo)

上述分析可知，電加熱管燒毀的主要原因是表面負(fù)荷和表面溫度超出原有材料的承受范圍，所以將表面負(fù)荷與表面溫度確定為試驗(yàn)指標(biāo)。

2.2確定因子與水平

確定基材、電加熱管直徑和氧化鎂粉等級(jí)為3個(gè)因子，將表面負(fù)荷與表面溫度作為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行正交優(yōu)化試驗(yàn)。

根據(jù)因子的可能取值范圍，設(shè)置因子水平表(見表1)。

表1　因子水平表

2.3進(jìn)行正交試驗(yàn)

根據(jù)因子的水平數(shù)，找出一類正交表，進(jìn)行正交試驗(yàn)。本正交試驗(yàn)共包含3個(gè)水平與3個(gè)因子，可以選用L9正交表來安排試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　因素水平表

2.4正交試驗(yàn)結(jié)果分析

利用極差法分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出指標(biāo)因素變化圖(見圖2和圖3)。

圖2　表面負(fù)荷指標(biāo)因素變化圖

圖3　表面溫度指標(biāo)因素變化圖

通過圖2和圖3可以看出，對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)表面負(fù)荷，最佳的試驗(yàn)方案為A3、B1、C3；而對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)表面溫度，最佳的試驗(yàn)方案則為A3、B3、C2，結(jié)果不完全一致，由于因素B(電加熱管直徑)在計(jì)算結(jié)果中的極差較小，分別為5和94，因此，實(shí)際上可以忽略不計(jì)。由此通過DOE試驗(yàn)可得出最佳參數(shù)組合：1)對(duì)于因素A(基材)，兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均指出最佳為AISI310S，因此基材選用AISI310S；2)對(duì)于因素B(電加熱管直徑)，其最終結(jié)果影響很小，考慮綜合成本等因素，選擇電加熱管直徑為14 mm；3)試驗(yàn)方案A3、B1、C3和試驗(yàn)方案A3、B3、C2的表面溫度分別為480和420 ℃，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于AISI310S允許的最高溫度(1 500 ℃)，因此在選用氧化鎂粉顆粒直徑參數(shù)時(shí)，主要考慮表面負(fù)荷評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終氧化鎂粉的顆粒直徑選擇為7 mm。

3電加熱管的工藝改進(jìn)

通過對(duì)電加熱管的工藝進(jìn)行分析，得出傳統(tǒng)工藝中存在的問題主要有如下幾點(diǎn)。

1)排潮不徹底，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的絕緣導(dǎo)熱性。電加熱管內(nèi)填料的氧化鎂粉在自然狀態(tài)下會(huì)吸收空氣中的水分，傳統(tǒng)制造工藝是在管口密封前加溫至300 ℃進(jìn)行排潮處理，排出水分后，在盡量短的時(shí)間內(nèi)封口。由于傳統(tǒng)工藝的排潮溫度較低，不足以形成較高的水汽壓力，內(nèi)部的水汽難以克服窄長(zhǎng)、密實(shí)的氧化鎂粉層阻力從管口全部排出[4]。

2)U型管處，由于彎管工藝是在填入氧化鎂粉之后，不可能在之前。彎管變形導(dǎo)致內(nèi)圈氧化鎂粉的密實(shí)度大于外圈，介質(zhì)密度ρ內(nèi)>ρ外，填料氧化鎂粉密度不一致，導(dǎo)致電加熱管在該處的熱傳導(dǎo)不穩(wěn)定，降低了使用壽命[5]。

3)生產(chǎn)過程中的冷變形使管體產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，容易在使用過程中產(chǎn)生微裂紋，最終導(dǎo)致電加熱管過早失效。傳統(tǒng)制造工藝中的改善方法是增加“去應(yīng)力處理”，采用300~350 ℃回火，卻沒能實(shí)現(xiàn)氧化鎂粉徹底排潮，去除應(yīng)力也不完全[6]。

針對(duì)傳統(tǒng)工藝中存在的問題，新工藝增加了如下工序改進(jìn)措施。

1)增加“二次高溫排潮去應(yīng)力”處理。可以實(shí)現(xiàn)電加熱管內(nèi)氧化鎂粉所吸附水分完全排除，也消除了縮管所引起的內(nèi)應(yīng)力和表面硬化狀態(tài)。

2)U型管處采用壓扁工藝。壓扁工藝使得U型部位內(nèi)填料氧化鎂粉密實(shí)度均勻、密集，改善了電加熱管的絕緣導(dǎo)熱性。

3)在彎管工藝過程中退火瞬間導(dǎo)電改為延時(shí)導(dǎo)電。保證退火可消除所有彎管形成的應(yīng)力，并對(duì)彎管處加強(qiáng)質(zhì)量檢查。經(jīng)過改善工藝，后續(xù)生產(chǎn)的電加熱器未再發(fā)生此類問題。

應(yīng)用證明，新工藝生產(chǎn)的電加熱器，能夠保證在工況條件下穩(wěn)定工作，不發(fā)生爆管、燒損現(xiàn)象，解決了電加熱管彎管處擊穿的難題。

4結(jié)語

運(yùn)用正交試驗(yàn)分析的方法，基于電加熱管的基材、氧化鎂粉顆粒直徑以及電加熱管直徑這3個(gè)因素，同時(shí)針對(duì)電熱管表面負(fù)荷和表面溫度等2個(gè)具體指標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。選用合理參數(shù)和采用優(yōu)化的加工工藝，改善了電加熱管的產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到了產(chǎn)品工藝標(biāo)準(zhǔn)要求。使用改進(jìn)后電加熱管，可以明顯降低機(jī)車空調(diào)事故率，客戶滿意度得以升高。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯鄭練

Parameters Optimization and Technology Research on the Tubular Electric Heating Element of HXn5 Locomotive Air Conditioner

ZHANG Xuan1, ZHANG Sun2

(1. Jiangsu Joint Institute of Technology of Changzhou Railway Branch, Changzhou 213011, China;2. CSR Qishuyan Co., Ltd., Changzhou 213011, China)

Abstract：According to the present research of failure analysis, tubular electric heating element failure is one of the major problem. Focus on the air conditioning unit, investigation and research the main problem. After the analysis to solve the problem of the tubular electric heating element burned, on the one hand, we need to optimize the parameters of the tubular electric heating element, and on the other hand, we need to improve the process of tubular electric heating element. On the basis of DOE technology, conduct the optimization design towards the main parameters. During the research and development phase of this kind of new type tubular electric heating element, the best parameter combination is decided. Aiming at the problem of local breakdown of tubular electric heating element, after analysis and experiment，it has been brought forward new technology with two-time high temperature treatment and compressedin processing technology of the new type tubular electric heating element，then the water has been excluded completely, and the internal stress is reduced. Application proves that the tubular electric heating element with using of new parameters and process can guarantee the stable work in operating conditions, and breakdown and burning rate has been greatly reduced.

Key words:tubular electric heating element, locomotive air conditioner, DOE, new technology

收稿日期：2015-04-20

作者簡(jiǎn)介：張璇(1984-)，女，講師，碩士，主要從事控制工程等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TB 6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A