升溫法測試鐵道車輛K值的研究及應(yīng)用

孫德世 李 楠 高成林

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

0 引言

車輛隔熱性能是評價車輛性能的重要指標(biāo)之一[1]，同時也是空調(diào)機(jī)組選型的重要依據(jù)之一[2]。鐵道車輛中，車輛隔熱性能使用綜合傳熱系數(shù)K值表示，按照《鐵道客車隔熱性能試驗方法》（TB/T 1674—1993）[3]或《鐵道車輛空調(diào)第2部分：型式試驗》（GB/T 33193.2—2016）[4]要求，K值采用車內(nèi)加熱的熱穩(wěn)定試驗方法，在環(huán)境試驗室中測得。因車體熱容的存在，實際測試中，車輛內(nèi)部與外部環(huán)境達(dá)到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)常常需要耗費大量時間。因此，為了縮短試驗時間，提高試驗效率，本文依據(jù)升溫法測試K值原理[5]，研究了在車內(nèi)升溫階段快速測試鐵道車輛K值的方法，并使用該方法測試了某型號鐵道車輛的K值。

1 熱穩(wěn)定法測試K值原理

采用熱穩(wěn)定法測試車輛綜合傳熱系數(shù)，要求將車輛置于恒定的環(huán)境溫度中（如車輛熱工試驗室），使用電加熱器加熱車內(nèi)空氣，當(dāng)車輛內(nèi)部與外部環(huán)境達(dá)到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)后，由公式（1）計算得到車輛K值：

式中：P為在熱穩(wěn)定狀態(tài)下輸入車內(nèi)的加熱功率（W）；F為車體隔熱壁的外表面面積或幾何平均面積（m2）；Tin為車內(nèi)平均溫度（℃）；Tout為車外平均溫度（℃）。

使用熱穩(wěn)定法測試鐵道車輛K值，啟動車內(nèi)電加熱器后，車內(nèi)平均溫度隨時間的變化如圖1所示。

由圖1可知，采用熱穩(wěn)定法測試鐵道車輛K值過程中，車內(nèi)平均溫度先快速升高，然后逐漸趨于平穩(wěn)，最終車內(nèi)溫度與車外環(huán)境達(dá)到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。其中，熱穩(wěn)定狀態(tài)的判定有嚴(yán)格要求。例如，《鐵道客車隔熱性能試驗方法》（TB/T 1674—1993）標(biāo)準(zhǔn)要求在車輛隔熱壁平均溫度維持在（22.5±0.5）℃、車內(nèi)平均溫度與車外平均溫度的溫差維持在（25±1）K的前提下，熱穩(wěn)定時間不少于8 h，其間車外平均溫度、車內(nèi)外溫差的波動不得大于±0.5 K，且波動不得單調(diào)上升或下降，另外要求熱穩(wěn)定期間車內(nèi)加熱功率波動不得大于3%，且波動不得單調(diào)上升或下降。使用熱穩(wěn)定法測試車輛K值時，因車體熱容的存在，車輛內(nèi)部與外部環(huán)境完全達(dá)到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)需耗費大量時間，整個測試過程一般需要2～3天。

2 升溫法測試K值原理

采用升溫法測試車輛K值，僅需記錄車內(nèi)平均溫度的升溫數(shù)據(jù)，無須等待車輛內(nèi)部和外部環(huán)境達(dá)到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)，即可計算得到車輛K值。

使用升溫法測試車輛K值時，同樣將車輛置于恒定的環(huán)境溫度中（如車輛熱工試驗室），并使用電加熱器加熱車內(nèi)空氣。保持輸入車內(nèi)的加熱功率Qs和車外平均溫度tout恒定，那么在升溫階段，只有車內(nèi)平均溫度tin發(fā)生變化。假設(shè)此時測試得到的車輛瞬時K值為Ks，根據(jù)K值計算公式有：

式中：Qs為輸入車內(nèi)的恒定加熱功率（W）；Ks為升溫階段的車輛瞬時K值[W/（m2·K）]；F為車體隔熱壁的外表面面積或幾何平均面積（m2）；tin為車內(nèi)平均溫度（℃）；tout為車外平均溫度（℃）。

另一方面，因升溫階段車體熱容的存在，實際輸入車內(nèi)的熱量一部分由車體隔熱壁傳出，另一部分由車體吸收，即加熱功率Qs又可以寫成：

式中：Q0為單位時間內(nèi)由車體隔熱壁傳出的熱量（J/s）；Q1為單位時間內(nèi)車體吸收的貯存熱量（J/s）。

其中，Q0與車輛真實K值有關(guān)，可以寫成：

式中：K為車輛真實K值[W/（m2·K）]。

Q1與車體熱容有關(guān)，假設(shè)車輛平均熱容量為W，dτ時間內(nèi)車內(nèi)溫度變化為dt，則Q1可寫為：

因此，由公式（2）～（5）可得：

車輛內(nèi)部與環(huán)境溫度達(dá)到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)時，dt/dτ=0，此時Ks=K。記錄車內(nèi)平均溫度的升溫曲線，如圖2所示。根據(jù)公式（2）計算得到升溫階段車輛的瞬時K值，繪制車輛瞬時K值隨時間的變化曲線如圖3所示。

由圖2和圖3可知，隨著車內(nèi)平均溫度的升高，車輛瞬時K值變小，并逐漸趨于車輛真實K值。取車內(nèi)平均溫度上升曲線及車輛瞬時K值曲線上任意兩點P1及P2，對應(yīng)的車內(nèi)平均溫度為t1和t2，車輛瞬時K值為Ks1和Ks2，對應(yīng)記錄時間為τ1和τ2。在升溫曲線上，對兩點作切線，切線的斜率即為兩點處的溫度變化率dt/dτ。

根據(jù)公式（6），對于P1和P2點分別有：

式（7）（8）中，只有車輛真實傳熱系數(shù)K以及車輛平均熱容量W兩個未知量，因此，可以求出車輛平均熱容量為：

將車輛平均熱容量W代入公式（7）或（8），得到車輛真實傳熱系數(shù)K為：

3 升溫法測試K值的應(yīng)用

使用升溫法測試某型號鐵道車輛K值，按照《鐵道車輛空調(diào) 第2部分：型式試驗》（GB/T 33193.2—2016）標(biāo)準(zhǔn)要求，將車輛置于熱工試驗室內(nèi)，布置車內(nèi)外溫度測點以及車內(nèi)電加熱器，設(shè)置并保持環(huán)境溫度約5℃，電加熱器功率約8 800 W，記錄車內(nèi)升溫數(shù)據(jù)。圖4為車內(nèi)平均溫度的升溫曲線，圖5為升溫階段車輛瞬時K值變化曲線。

分別取升溫過程中第9個小時和第17個小時的溫度測試數(shù)據(jù)，根據(jù)上述升溫法測試K值原理計算得到該鐵道車輛K值為1.178 W/（m2·K），使用升溫法測試該鐵道車輛K值共耗時20 h。

按照GB/T 33193中熱穩(wěn)定法測試要求，等待車輛內(nèi)部與環(huán)境溫度達(dá)到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)后，測試得到該鐵道車輛K值為1.191 W/（m2·K），使用熱穩(wěn)定法測試該鐵道車輛K值共耗時53 h?？梢?，與熱穩(wěn)定法相比，升溫法測試得到的車輛K值誤差僅為1.1%，同時測試時間僅為熱穩(wěn)定法的一半不到。

4 結(jié)語

本文對升溫法測試軌道車輛K值的原理進(jìn)行了分析，并使用升溫法對某型號鐵道車輛K值進(jìn)行測試。結(jié)果表明，升溫法測試軌道車輛K值具有較高的精度，并且該測試方法只記錄車內(nèi)的升溫過程，無須等到車輛內(nèi)部與環(huán)境溫度達(dá)到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)，即可快速得到車輛K值。

使用升溫法測試鐵道車輛K值，可縮短試驗時間，提高試驗效率，適用于某些需要快速測試軌道車輛K值的研究項目。另外，針對實際測試中車輛容易出現(xiàn)“假熱穩(wěn)定狀態(tài)”的現(xiàn)象，也可采用升溫法輔助判定熱穩(wěn)定法測試的準(zhǔn)確性。