CN108436087A - 一种高速列车保护变压器用滤网及其增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高速列车保护变压器用滤网，包括至少一组滤片组件，所述滤片组件由多个平行且间隔设置的单滤片通过两侧的连接板连接组成；其中，所述单滤片的横截面为等腰三角形，所述横截面为等腰三角形的单滤片均以底边一致朝外，顶角一致朝内的方式间隔排列形成。该特殊结构使得高速气流穿入倒锥形滤网的同时将絮尘、杂物等隔置在滤网窄细缝隙的外侧，等待气流触碰变压器表面并对其降温后，气流会形成涡流，再次经滤网锥形口（由宽到窄）穿出，较小的压力即可将隔置在滤网窄口外的絮尘、杂物等排走，通过风场流向模拟以及实践运用得到了证实，达到了设计规范要求，为持续时速为350公里的高速列车提供了合格的遮杂散热滤网。
Description
技术领域
本发明涉及一种高速列车保护变压器用滤网及其增材制造方法，特别涉及一种使用3D打印技术制造高速列车保护变压器用滤网。
背景技术
高速列车在地面上高速运行，列车与地面之间存在强烈的相互作用，夹杂在气流中的一些杂质如飞絮、灰尘等会随着高速气流紧贴到列车表面，进而会影响到高速列车零部件的相关性能。特别的，高速列车变压器位于列车底部，当灰尘、飞絮等紧贴至变压器表面时，变压器的散热性能会受到极大影响。
现有技术中，可以采用普通滤网置于变压器底部进行过滤，然而由于普通滤网的缝隙内外宽度一致，当采用的滤网缝隙较宽时，则一些飞絮、杂物等依然会随持续高速气流穿过滤网紧贴至变压器表面，起不到过滤空气遮挡飞絮的作用；当采用的滤网缝隙太窄时，则导致飞絮、杂物等将缝隙“封死”，且无足量内部涡流气体足够压力倒穿滤网将缝隙打开，起不到对变压器的降温散热作用，不能满足设计要求。
因而，需要开发一种新型护滤网，特殊的结构形成特定的涡系，小压力反气流对杂物等起到反冲刷作用，既能保护列车变压器等零部件，又不影响变压器的通风散热。
发明内容
为了解决现有高速列车普通滤网的上述技术问题，本发明提供了一种特殊结构形式的滤网，及其一次成型的增材制造方法。制备效率高、机械强度优异。所设计的滤网外形结构，可使气流流经滤网与变压器之间空隙时形成涡系，流出时对滤网外的杂物起到反冲刷作用，进而使高速列车的变压器受到保护。
本发明所述高速列车保护变压器用滤网，包括至少一组滤片组件，所述每一组滤片组件由多个平行且间隔设置的单滤片通过连接板连接而成，其中，所述单滤片的横截面为三角形，所述横截面为等腰三角形的单滤片均以底边一致朝外，顶角一致朝内的方式间隔排列形成。
进一步地，所述高速列车保护变压器用滤网，包括多组滤片组件，所述多组滤片组件之间通过连接板连接。
进一步地，所述单滤片的横截面为等腰三角形，底边长为0.75mm~6mm，高为1.5mm~12mm，且高为底边长的两倍。
进一步地，所述单滤片的长度为0.2m~1m。
进一步地，所述滤网中横截面为等腰三角形的单滤片均以底边一致朝外，顶角一致朝内的方式间隔排列形成。
进一步地，所述相邻的单滤片之间最小距离处的间距为1mm。
进一步地，本发明还提供了所述高速列车保护变压器用滤网的增材制造方法，包括如下步骤：
S1：建立高速列车保护变压器用滤网的三维模型；
S2：制定激光选区熔化成型的制造方案，对数模进行切片并规划激光扫描路径；
S3：设定激光选区熔化制造参数并编制工艺控制程序；
S4：按照设定的程序进行激光选区熔化制造滤网；
S5：将滤网连同基板一同进行热处理；
S6：将热处理后的滤网从基板切割分离；
S7：将去除基板的滤网的表面进行喷砂处理，获得最终成品滤网。
进一步地，所述步骤S1中，所述三维模型为多件单滤片通过两侧的连接板连体以等腰三角形的底面朝下、顶角朝上的连体模型为3D打印的三维模型。
进一步地，所述步骤S3中，设定激光选区熔化制造的参数如下：激光光斑直径为0.02 mm~0.07 mm，激光功率为60 w~400 w，激光扫描速度1 m/s~7 m/s，激光扫描搭接率为30 %~70 %，切片层厚为0.02 mm~0.10 mm。
进一步地，所述步骤S4中，
S4-1：对基材去油污，表面打磨清洗烘干；
S4-2：将基材放置到氩气氛保护的激光选区熔化成形仓的工作平台上并固定，调整铺粉器到基材表面的距离，并设定激光扫描的起点和终点；
S4-3：将激光选区熔化制造滤网毛坯用原材料粉末，粒度为15 μm~53μm，装入铺粉仓；
S4-4：进行激光选区熔化制造程序预运行，检测设备运行准确性和程序运行的合理性。
进一步地，所述步骤S5中，首先对激光选区熔化成形的滤网基体毛坯进行固溶处理，固溶处理的条件为随炉升温至400℃，保温0.5h，然后继续升温至1100℃~1150℃之间，保温时间1h，冷却方式为水冷；然后再对其进行回火处理，回火处理的条件为随炉升温至280℃~300℃，保温时间1h，冷却方式为空冷。
采用上述技术方案，本发明所产生的有益效果在于：
（1）本发明所述高速列车保护变压器用滤网，通过采用横截面为等腰三角形，底边朝外并排单滤片多连体作为新型的滤网，该特殊结构使得高速气流穿入倒锥形滤网的同时将絮尘、杂物等隔置在滤网窄细缝隙的外侧，等待气流触碰变压器表面并对其降温后，气流会形成涡流，再次经滤网宽口穿出，较小的压力即可将隔置在滤网窄口外的絮尘、杂物等排走，通过风场流向模拟以及实践运用得到了证实，达到了设计规范要求，为持续时速为350公里的高速列车提供了合格的遮杂散热滤网。
（2）本发明所述高速列车保护变压器用滤网的增材制造方法，通过3D打印方法制造本发明所述滤网，具有轻量化一体成形的特点以及超复杂防冲击结构净成形的优点，所制造产品精密度高，表面光洁度好，成形效率高。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明中高速列车保护变压器用滤网的制备方法流程图；
图2是本发明中高速列车保护变压器用滤网的结构图；
图3是四组变压器倒锥形滤网压力分布；
图4是四组变压器倒锥形滤网合速度分布；
图5合速度分布-局部放大；
图6变压器空腔内流线图（合速度表征）；
图7滤片之间流线图（合速度表征）；
图8速度矢量图（合速度表征）；
图9速度矢量图-局部放大。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明：
本发明提供一种高速列车保护变压器用滤网，包括至少一组滤片组件，所述每一组滤片组件由多个平行且间隔设置的单滤片通过连接板连接而成，具体地，需要的滤片组件的个数与单滤片的长度以及需要保护的变压器的长度大小相关，如果所采用的单滤片的长度足以覆盖变压器的短边，则只需采用一组滤片组件组成滤网即可，此时只需要通过调整单滤片的个数，以使滤片组件足以覆盖整个变压器即可；如果变压器的短边的长度较长，而所采用的单滤片的长度不足以覆盖变压器的短边，则不仅要考虑每组滤片组件中单滤片的个数，还需要同时考虑所需要的滤片组件的个数，以使其可以覆盖整个变压器，当需要多组滤片组件组成一个滤网时，多组滤片组件之间通过连接板连接，构成合适尺寸的滤网；本发明中尤其是，所述单滤片的横截面为三角形，所述横截面为等腰三角形的单滤片均以底边一致朝外，顶角一致朝内的方式间隔排列形成。
具体地，本发明提供了以下实施例对本发明所述技术方案进行详细介绍：
实施例1
本实施例中所述高速列车保护变压器用滤网1，所述滤网长为1m，宽为2m，由一组滤片组件2组成，所述滤片组件2由50个平行且间隔设置的单滤片3通过两侧的连接板4连接组成；其中，所述单滤片3的横截面为等腰三角形，所述等腰三角形的底边长为3mm，高为6mm，高为底边长的两倍，所述单滤片3的长度为1m，所述横截面为等腰三角形的单滤片3均以底边一致朝外，顶角一致朝内的方式间隔排列形成；相邻的单滤片3之间最小距离处的间距为1mm。
本实施例中所述高速列车保护变压器用滤网的增材制造方法，包括如下步骤：
S1：建立高速列车保护变压器用滤网的三维模型，其中所述三维模型为114件单滤片通过两侧的连接板连体以等腰三角形的底面朝下、顶角朝上的连体模型为3D打印的三维模型；
S2：制定激光选区熔化成型的制造方案，对数模进行切片并规划激光扫描路径；
S3：设定激光选区熔化制造参数并编制工艺控制程序；其中，所述激光选区熔化制造的参数如下：激光光斑直径为0.02 mm，激光功率为60 w，激光扫描速度1 m/s，激光扫描搭接率为30 %，切片层厚为0.02 mm；
S4：按照设定的程序进行激光选区熔化制造滤网；具体操作步骤如下：首先对基材进行去油污，并将基材表面打磨清洗烘干；将处理后的基材放置到氩气氛保护的激光选区熔化成形仓的工作平台上并固定，调整铺粉器到基材表面的距离，并设定激光扫描的起点和终点；将激光选区熔化制造滤网毛坯用原材料粉末，粒度为15 μm~53μm，装入铺粉仓；进行激光选区熔化制造程序预运行，检测设备运行准确性和程序运行的合理性，预运行合格后，进行激光选区熔化制造滤网；
S5：将滤网连同基板一同进行热处理，具体步骤包括：首先对激光选区熔化成形的滤网基体毛坯进行固溶处理，固溶处理的条件为随炉升温至400℃，保温0.5h，然后继续升温至1100℃之间，保温时间1h，冷却方式为水冷；然后再对其进行回火处理，回火处理的条件为随炉升温至280℃，保温时间1h，冷却方式为空冷；
S6：将热处理后的滤网从基板切割分离；
S7：将去除基板的滤网的表面进行喷砂处理，获得最终成品滤网。
实施例2
本实施例中所述高速列车保护变压器用滤网，所述滤网长0.67m，宽为1.625m，由一组滤片组件组成，所述每组滤片组件由23个平行且间隔设置的单滤片通过两侧的连接板连接组成；其中，所述单滤片的横截面为等腰三角形，所述等腰三角形的底边长为6mm，高为12mm，高为底边长的两倍，所述横截面为等腰三角形的单滤片均以底边一致朝外，顶角一致朝内的方式间隔排列形成；本实施例中所述单滤片的长度为0.67m，相邻的单滤片之间最小距离处的间距为1mm。
本实施例中所述高速列车保护变压器用滤网的增材制造方法，包括如下步骤：
S1：建立高速列车保护变压器用滤网的三维模型，其中所述三维模型为114件单滤片通过两侧的连接板连体以等腰三角形的底面朝下、顶角朝上的连体模型为3D打印的三维模型；
S2：制定激光选区熔化成型的制造方案，对数模进行切片并规划激光扫描路径；
S3：设定激光选区熔化制造参数并编制工艺控制程序；其中，所述激光选区熔化制造的参数如下：激光光斑直径为0.05mm，激光功率为200 w，激光扫描速度4 m/s，激光扫描搭接率为50 %，切片层厚为0.05 mm；
S4：按照设定的程序进行激光选区熔化制造滤网；具体操作步骤如下：首先对基材进行去油污，并将基材表面打磨清洗烘干；将处理后的基材放置到氩气氛保护的激光选区熔化成形仓的工作平台上并固定，调整铺粉器到基材表面的距离，并设定激光扫描的起点和终点；将激光选区熔化制造滤网毛坯用原材料粉末，粒度为15 μm~53μm，装入铺粉仓；进行激光选区熔化制造程序预运行，检测设备运行准确性和程序运行的合理性，预运行合格后，进行激光选区熔化制造滤网；
S5：将滤网连同基板一同进行热处理，具体步骤包括：首先对激光选区熔化成形的滤网基体毛坯进行固溶处理，固溶处理的条件为随炉升温至400℃，保温0.5h，然后继续升温至1130℃之间，保温时间1h，冷却方式为水冷；然后再对其进行回火处理，回火处理的条件为随炉升温至290℃，保温时间1h，冷却方式为空冷；
S6：将热处理后的滤网从基板切割分离；
S7：将去除基板的滤网的表面进行喷砂处理，获得最终成品滤网。
实施例3
设定本实施例中所述高速列车保护变压器用滤网1的长为0.67m，宽为1.625m，所述滤网由一体成型的三组滤片组件2组成，所述每组滤片组件2由 92个平行且间隔设置的单滤片3通过两侧的连接板4连接组成，所述相邻的滤片组件2之间通过连接板4一体成型连接；其中，所述单滤片3的横截面为等腰三角形，所述等腰三角形的底边长为0.75mm，高为1.5mm，高为底边长的两倍，所述单滤片的长度为0.223m，相邻的单滤片3之间最小距离处的间距为1mm，所述横截面为等腰三角形的单滤片3均以底边一致朝外，顶角一致朝内的方式间隔排列形成。
本实施例中所述高速列车保护变压器用滤网的增材制造方法，包括如下步骤：
S1：建立高速列车保护变压器用滤网的三维模型，其中所述三维模型为114件单滤片通过两侧的连接板连体以等腰三角形的底面朝下、顶角朝上的连体模型为3D打印的三维模型；
S2：制定激光选区熔化成型的制造方案，对数模进行切片并规划激光扫描路径；
S3：设定激光选区熔化制造参数并编制工艺控制程序；其中，所述激光选区熔化制造的参数如下：激光光斑直径为0.07mm，激光功率为400w，激光扫描速度7 m/s，激光扫描搭接率为70 %，切片层厚为0.1 mm；
S4：按照设定的程序进行激光选区熔化制造滤网；具体操作步骤如下：首先对基材进行去油污，并将基材表面打磨清洗烘干；将处理后的基材放置到氩气氛保护的激光选区熔化成形仓的工作平台上并固定，调整铺粉器到基材表面的距离，并设定激光扫描的起点和终点；将激光选区熔化制造滤网毛坯用原材料粉末，粒度为53μm，装入铺粉仓；进行激光选区熔化制造程序预运行，检测设备运行准确性和程序运行的合理性，预运行合格后，进行激光选区熔化制造滤网；
S5：将滤网连同基板一同进行热处理，具体步骤包括：首先对激光选区熔化成形的滤网基体毛坯进行固溶处理，固溶处理的条件为随炉升温至400℃，保温0.5h，然后继续升温至1150℃之间，保温时间1h，冷却方式为水冷；然后再对其进行回火处理，回火处理的条件为随炉升温至300℃，保温时间1h，冷却方式为空冷；
S6：将热处理后的滤网从基板切割分离；
S7：将去除基板的滤网的表面进行喷砂处理，获得最终成品滤网。
此外，在本发明上述实施例中所采用的基板的基材为不锈钢，如12Cr17Mn6Ni5N，12Cr18Ni9，Y12Cr18Ni9，Y12Cr18Ni9Cu3，06Cr19Ni10，00Cr18Ni9-N的任意一种；所述滤网所采用的原材料粉末为304LN不锈钢粉末。该材质粉末的制造方法为旋转电极法或者气体雾化法。
性能测试：
本发明对实施例3中制备得到的滤网进行了如下性能测试模拟，测试模拟结果如图3~图9所示。
其中，图3滤网压力分布图中，可以看到，倒锥形滤网1上方的气流在流经到变压器5第二个凹腔（从左至右数）上方时开始出现了极大的扰动，逐渐出现尺度变化越来越大、交替变化的高压区和低压区，这是由于高速气流逐渐渗透至底部凹腔内，并受到底部凹腔中大尺度涡的干扰，使得滤片附近的流动方向变化极大，相向旋转的漩涡在接近区域就会出现高压或者低压。
从图4滤网合速度分布图上可以看出，在滤网前方壁面上，存在很薄的一层速度边界层，而在边界层上方的区域，速度值在100m/s左右，这就是受到干扰较小的来流速度。从滤网表面看，滤网上方的速度边界层沿流向逐渐变厚，第一个凹腔上方的区域边界层厚度较薄且比较均匀，同时该凹腔内的速度扰动也比较小，这说明，当气流流经第一个凹腔上方时凹腔对气流的干扰较小。从第二个凹腔上方区域开始，可以非常明显地看到边界层变厚，且不均匀，这与滤片上方形成的涡系密不可分。
对上图进行局部放大，如图5所示，可以更明显地看到这种速度变化。气流方向上，存在向上冲刷的气流和向下冲刷的气流，这主要由空腔内形成的涡系旋转方向决定的。
为了方便显示速度，下面同样给出区域内速度表征的流线分布，如图6变压器空腔内流线图所示，从图6可以看到，第一个凹腔内尽管同样存在几个尺度不同的漩涡，但是流速稳定，均低于10m/s。而后面三个凹腔附近气流收到了极大扰动，与滤片内外的交流也大幅度增强，这种内外沟通的高速气流对吹除当地的飞絮等吸附物具有较大的作用。
图7给出了在第二和第三凹腔中段滤片之间的流线图，同样以速度表征，可以看到，尽管不同滤片间经过的气流速度值差异较大，但是其幅值均不小，最大值甚至达到了50m/s，这是滤网的一个非常显著的正作用。
为了更直观地研究观察滤片间的气流运行方向和速度幅值，本发明还提供了以速度表征的速度矢量图，如图8所示，从图8可以看到，滤片上方的气流方向从上游到下游，基本处于水平方向，说明受到滤网的干扰较小，在凹腔内的速度矢量颜色较浅，说明凹腔内的气流速度值要远低于滤片表面上方气流速度。而滤片附近的气流速度幅值介于这两者之间，图9进一步给出了滤片附近的速度矢量图的局部放大图，如图9所示，在第一个滤片左右两侧均存在向上的气流，幅值在50m/s左右，在滤片尖端，存在强度不一的涡流，气流速度要小于底边附近的流速。
由上述测试结果可知，本发明所述滤网可以实现：高速气流穿入倒锥形滤网的同时将絮尘、杂物等隔置在滤网窄细缝隙的外侧，等待气流触碰变压器表面并对其降温后，气流会形成涡流，再次经滤网宽口穿出，较小的压力即可将隔置在滤网窄口外的絮尘、杂物等排走。通过本发明所述风场流向模拟测试方法以及实践运用证实，本发明所述滤网结构的设计达到了设计规范要求，可以为持续时速为350公里的高速列车提供了合格的遮杂散热滤网。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (10)
1.一种高速列车保护变压器用滤网，其特征在于，包括至少一组滤片组件，所述滤片组件由多个平行且间隔设置的单滤片通过两侧的连接板连接组成；其中，所述单滤片的横截面为三角形，所述横截面为三角形的单滤片均以底边一致朝外，顶角一致朝内的方式间隔排列形成。
2.根据权利要求1所述高速列车保护变压器用滤网，其特征在于，包括多组滤片组件，所述多组滤片组件之间通过连接板连接。
3.根据权利要求1所述高速列车保护变压器用滤网，其特征在于，所述单滤片横截面为等腰三角形，底边长为0.75mm~6mm，高为1.5mm~12mm，且高为底边长的两倍。
4.根据权利要求1~3任一所述高速列车保护变压器用滤网，其特征在于，所述单滤片的长度为0.2m~1m。
5.根据权利要求1~4任一所述高速列车保护变压器用滤网，其特征在于，所述相邻的单滤片之间最小距离处的间距为1mm。
6.权利要求1~5任一所述高速列车保护变压器用滤网的增材制造方法，包括如下步骤：
S1：建立高速列车保护变压器用滤网的三维模型；
S2：制定激光选区熔化成型的制造方案，对数模进行切片并规划激光扫描路径；
S3：设定激光选区熔化制造参数并编制工艺控制程序；
S4：按照设定的程序进行激光选区熔化制造滤网；
S5：将滤网连同基板一同进行热处理；
S6：将热处理后的滤网从基板切割分离；
S7：将去除基板的滤网的表面进行喷砂处理，获得最终成品滤网。
7.根据权利要求6所述高速列车保护变压器用滤网的增材制造方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述三维模型为多件单滤片通过两侧的连接板连体以等腰三角形的底面朝下、顶角朝上的连体模型为3D打印的三维模型。
8.根据权利要求6或7所述高速列车保护变压器用滤网的增材制造方法，其特征在于：所述步骤S3中，设定激光选区熔化制造的参数如下：激光光斑直径为0.02 mm~0.07 mm，激光功率为60 w~400 w，激光扫描速度1 m/s~7 m/s，激光扫描搭接率为30 %~70 %，切片层厚为0.02 mm~0.10 mm。
9.根据权利要求6~8任一所述高速列车保护变压器用滤网的增材制造方法，其特征在于：所述步骤S4中，
S4-1：对基材去油污，表面打磨清洗烘干；
S4-2：将基材放置到氩气氛保护的激光选区熔化成形仓的工作平台上并固定，调整铺粉器到基材表面的距离，并设定激光扫描的起点和终点；
S4-3：将激光选区熔化制造滤网毛坯用原材料粉末，粒度为15 μm~53μm，装入铺粉仓；
S4-4：进行激光选区熔化制造程序预运行，检测设备运行准确性和程序运行的合理性。
10.根据权利要求6~9任一所述高速列车保护变压器用滤网的增材制造方法，其特征在于：所述步骤S5中，首先对激光选区熔化成形的滤网基体毛坯进行固溶处理，固溶处理的条件为随炉升温至400℃，保温0.5h，然后继续升温至1100℃~1150℃之间，保温时间1h，冷却方式为水冷；然后再对其进行回火处理，回火处理的条件为随炉升温至280℃~300℃，保温时间1h，冷却方式为空冷。
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