軌道交通道床吸污車吸污性能優(yōu)化與驗(yàn)證

張 靈 史天亮

(1.湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,412007,株洲; 2.中國鐵建高新裝備股份有限公司,650215,昆明∥第一作者,高級(jí)工程師)

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軌道交通道床吸污車吸污性能優(yōu)化與驗(yàn)證

張 靈1史天亮2

(1.湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,412007,株洲; 2.中國鐵建高新裝備股份有限公司,650215,昆明∥第一作者,高級(jí)工程師)

針對(duì)TX-65型道床吸污車吸污性能不足的缺陷,從工作裝置結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)等方面分析原因并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明:通過優(yōu)化改進(jìn),各類污物吸收效果有大幅度提升,對(duì)粒徑3 mm以下污物的吸收率達(dá)到100%,對(duì)粒徑10 mm以下混合污物的吸收率提升5%～20%。

鐵路道床; 吸污車; 吸污性能; 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Author′s address School of Mechanical Engineering,Hunan University of Technology,412007,Zhuzhou,China

隨著近年京津線、武廣線、石太線、滬寧線及鄭西線等無砟軌道客運(yùn)專線的開通,無砟軌道開通前道床表面的除塵以及開通后鋼軌定期打磨時(shí)的吸污,成為高速鐵路開通前后除塵技術(shù)難題。為解決此問題,昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司自主研發(fā)了一種清潔客運(yùn)專線無砟軌道道床的吸污車(TX-65吸污車),用以吸收道床表面沉積的粉塵、固體碎片、微小石子及鋼軌打磨磨屑等污物,避免動(dòng)車高速運(yùn)行時(shí)將污物卷起撞擊損壞傳感器,以保證動(dòng)車高速運(yùn)行的安全性。

TX-65吸污車樣機(jī)研制完成后,與96型鋼軌打磨車配合使用。由于作業(yè)的天窗時(shí)間有限,當(dāng)吸污車作業(yè)速度大于6 km/h時(shí),不能一次吸凈污物,會(huì)有部分污物殘留,吸污性能的效果與使用需求方面有較大差距。為解決此問題,本文從工作裝置結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)等方面分析原因并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

1 吸污車工作原理和吸污能力

1.1 主要構(gòu)造和工作原理

圖1為TX-65吸污車外觀圖。吸污車由吹吸裝置(主要工作裝置)、集塵裝置、前后轉(zhuǎn)向架、吹風(fēng)風(fēng)機(jī)、吸風(fēng)風(fēng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、空氣制動(dòng)及氣動(dòng)系統(tǒng)、液壓油箱、柴油箱、發(fā)電機(jī)、電氣系統(tǒng)、司機(jī)室及主車架等組成。整機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)采用液壓傳動(dòng)方式,發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵旋轉(zhuǎn),為轉(zhuǎn)向架、吹噴風(fēng)機(jī)及吸污風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力,以驅(qū)動(dòng)整車的走行和作業(yè)。設(shè)有前、后司機(jī)室,前、后司機(jī)室均可控制車輛向前或向后運(yùn)行,且無論向前或向后均可實(shí)現(xiàn)作業(yè)。

圖1 TX-65吸污車外觀圖

吸污車的作業(yè)原理是通過吹風(fēng)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速吹噴氣流將道床表面的污物吹起,再由吸風(fēng)風(fēng)機(jī)形成的吸污氣流帶入集污裝置內(nèi),夾雜污物的氣流經(jīng)沉降和過濾后排放到空氣中,從而達(dá)到清潔鐵路軌道的目的[1]。

1.2 吸污能力設(shè)定

吸污車的設(shè)計(jì)吸污能力設(shè)定為可清除最大粒徑不低于3 mm的石子以及鋼軌打磨下來的散狀磨屑。對(duì)3 mm粒徑的污物,在作業(yè)區(qū)受到氣流作用的最小浮力為:

(1)

式中:

ρ1——空氣密度;

v——?dú)饬魉俣?

D——污物顆粒的當(dāng)量直徑,取D=3 mm。

污物顆粒所受重力大小為

(2)

式中:

ρ2——污物顆粒的密度，由于鋼軌打磨產(chǎn)生的鐵屑密度比普通泥沙、石子密度更大,計(jì)算污物顆粒所受重力時(shí)取密度為7.9×103kg/m3的鐵屑密度；

g——重力加速度。

由于污物顆粒在吹吸裝置的工作區(qū)域內(nèi)主要受到重力和氣流浮力的作用,根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算結(jié)果,表明粒徑3 mm的鐵屑浮力大于重力,將在氣流的作用下浮起并被吸入集塵器中。且D越小,重力相對(duì)減小得更快,因此小于3 mm的顆粒在吸污車作業(yè)時(shí)可以很容易被清除。

2 吸污性能不足的原因

2.1 吸風(fēng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不足

為滿足吸污車的作業(yè)性能,吸風(fēng)風(fēng)機(jī)的最低作業(yè)轉(zhuǎn)速需滿足2500±20 r/min。對(duì)吸污車的實(shí)際作業(yè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了現(xiàn)場測試,結(jié)果顯示吸風(fēng)風(fēng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速只能達(dá)到2 325 r/min,沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求的轉(zhuǎn)速,氣流對(duì)灰塵的作用力將大大減小,不利于吸塵作業(yè)的進(jìn)行。

2.2 吹風(fēng)風(fēng)量不足

吸污車作業(yè)的過程中,利用吹風(fēng)的高速氣流將灰塵吹離道床是最重要的環(huán)節(jié),當(dāng)灰塵離開道床面處于懸浮狀態(tài)才能被有效吸走[2]。吹風(fēng)風(fēng)量從吹風(fēng)口出來到道床后,將會(huì)沿道床方向流動(dòng),吹風(fēng)風(fēng)量越大,灰塵被吹起的高度越高,越接近吸風(fēng)口,則越容易被吸收[3]。通過現(xiàn)場測試,由于吸污車整機(jī)功率的限制,消耗功率約為75 kW,理論吹風(fēng)風(fēng)量只能達(dá)到15 000 m3/h,不能滿足工作需要。

2.3 吹風(fēng)口與道床板距離過大

吸污車吹風(fēng)口位置距道床板約為270 mm,氣流從吹風(fēng)口出來后到道床板的過程中,將會(huì)產(chǎn)生很大的衰減,實(shí)際到道床面的風(fēng)速大大減小,極大地影響吸污效率,為了提高吸污效率需要吹風(fēng)口距離道床板越近越好。

3 優(yōu)化改進(jìn)措施

3.1 提高吹風(fēng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速

液壓泵排量采用模塊控制,手柄可以控制輸入電流的大小,最初設(shè)定液壓泵的最大輸入電流為485 mA。通過現(xiàn)場實(shí)際測試,將最大輸入電流提高到512 mA時(shí),吹風(fēng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即馬達(dá)的轉(zhuǎn)速達(dá)到了2 480 r/min,基本滿足目標(biāo)要求。

3.2 優(yōu)化供風(fēng)方式

按原設(shè)計(jì)要求,吹風(fēng)風(fēng)量全部由吹風(fēng)風(fēng)機(jī)提供。受吸污車整機(jī)功率的限制,無法通過增加吹風(fēng)風(fēng)機(jī)的數(shù)量或提高吹風(fēng)風(fēng)機(jī)功率的方式來提高吹風(fēng)風(fēng)量。為解決此問題,改變過去將吹風(fēng)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量平分供給兩側(cè)吹嘴的做法,而是將吹風(fēng)機(jī)的風(fēng)量僅供給一側(cè)吹嘴,另一側(cè)吹嘴的供風(fēng)來自于吸風(fēng)機(jī)排風(fēng),其工作原理如圖2所示。

圖2 循環(huán)式吹吸風(fēng)工作原理示意圖

這種循環(huán)式吹吸裝置將吸風(fēng)機(jī)排放的風(fēng)量利用起來,一部分引至吹嘴作為吹風(fēng)使用,另一部分通過風(fēng)門排放到大氣中。通過調(diào)節(jié)風(fēng)門開啟的大小,可控制排放至大氣中的風(fēng)量,從而調(diào)節(jié)吹風(fēng)的風(fēng)量和風(fēng)速,以達(dá)到合適的吹風(fēng)效果[4-5]。根據(jù)吸風(fēng)風(fēng)機(jī)及整車結(jié)構(gòu),重新設(shè)計(jì)通風(fēng)管道,通過測試可知，吹風(fēng)的風(fēng)量增加到了55 000 m3/h。

3.3 改進(jìn)吹風(fēng)口的結(jié)構(gòu)

在吹風(fēng)管道等剛性件不低于軌面的情況下,為使吹風(fēng)口的出口低于軌面,采用加裝一段橡膠軟管的方式來實(shí)現(xiàn)。橡膠軟管安裝后其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

通過改進(jìn),在保證出口風(fēng)速的前提下,將吹風(fēng)的出口延長到軌面以下50 mm處。由于橡膠軟管的柔性非常好,碰到障礙物時(shí)變形不至于碰壞線路上的部件,無障礙物時(shí)又可恢復(fù)到原來的狀態(tài),故具有非常好的實(shí)用性。

圖3 改進(jìn)后吹風(fēng)口結(jié)構(gòu)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及對(duì)比

4.1 不同污物類型和體積大小的吸污能力試驗(yàn)

為了驗(yàn)證吸污車優(yōu)化改進(jìn)后的吸污能力,選取一段廠內(nèi)有砟軌道線路,在鋼軌下方鋪設(shè)了木板,用來模擬無砟軌道的情況進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)考慮測試吸污車對(duì)不同污物和污物體積大小的吸收能力差異,設(shè)置A、B、C、D、E和F六個(gè)區(qū)域,分別放置小石子顆粒、鋸屑顆粒、磨屑顆粒、細(xì)沙顆粒、泥土顆粒、銑屑顆粒,如圖4所示。

圖4 作業(yè)性能試驗(yàn)分區(qū)

試驗(yàn)材料經(jīng)過篩選,對(duì)不同體積大小的顆粒和混合體作對(duì)比試驗(yàn),其中混合體是指0～1 mm、1～2 mm、2～3 mm、3～10 mm 4種不同粒徑按1∶1∶1∶1比例構(gòu)成的混合污物(由于粒徑為3～10 mm細(xì)沙不常見,試驗(yàn)時(shí)未對(duì)其采樣)。當(dāng)作業(yè)速度6 km/h時(shí),改進(jìn)前后的試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)對(duì)比如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)后各類污物吸收效果有大幅度提升。實(shí)際吸污能力為:對(duì)粒徑3 mm以下的污物,吸收能力達(dá)到100%;對(duì)粒徑3～10 mm的污物雖然視粒徑的不同仍會(huì)有6%以內(nèi)的顆粒殘留,但其性能已經(jīng)有了極大的提升。F區(qū)域內(nèi)放置的銑屑吸收效果優(yōu)于密度小的石子沙粒,主要是由于其呈卷曲狀,粒徑雖較大但非實(shí)心,易于吹起并吸入風(fēng)口。

表1 改進(jìn)前后吸污效果調(diào)查統(tǒng)計(jì)

4.2 不同區(qū)域的吸污能力試驗(yàn)

由于吹吸裝置的結(jié)構(gòu)及布置,鋼軌內(nèi)、外側(cè)和道床中間不同區(qū)域位置的吸污效果有所差異。試驗(yàn)作業(yè)情況為：吸污車在標(biāo)準(zhǔn)的無砟軌道線路作業(yè),試驗(yàn)對(duì)象為普通碎石、沙粒以及鋼軌打磨作業(yè)后殘留的散狀磨屑和片狀聚集磨屑,試驗(yàn)材料未經(jīng)篩選,以自然狀態(tài)分布于道床表面。試驗(yàn)作業(yè)前后對(duì)比如圖5所示。

從試驗(yàn)結(jié)果來看,作業(yè)后整體道床表面基本處理干凈,鋼軌和扣件周邊污物無殘留,只在道床中間位置的水溝槽縫隙處有極少量殘留顆粒,其原因是兩側(cè)吹風(fēng)氣流相互影響導(dǎo)致。若是僅通過人工清掃,不僅勞動(dòng)量大、效率低下,而且鋼軌和扣件周邊、水溝槽內(nèi)的磨粉和沙粒基本無法清理,電纜兩側(cè)和道床外側(cè)也都有大量殘留鐵屑,無法滿足高速鐵路高速運(yùn)行的需要。

5 結(jié)語

(1) 通過提高吹風(fēng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、優(yōu)化供風(fēng)方式以增加吹風(fēng)風(fēng)量和改進(jìn)吹風(fēng)口結(jié)構(gòu)這三項(xiàng)措施,可有效提高吸污工作性能,滿足設(shè)計(jì)需求。當(dāng)作業(yè)速度在6 km/h左右時(shí),基本能夠吸凈道床表面散狀分布的石子顆粒、鋸削鐵屑顆粒、打磨鐵粉顆粒、含塵砂子顆粒、泥土顆粒以及銑屑顆粒。通過優(yōu)化改進(jìn),10 mm以下粒徑混合污物的吸收率能提升5%～20%。

(2) 作業(yè)速度越慢,吸污效果越好。軌道表面沉積污物越厚,特別是當(dāng)污物板結(jié)時(shí),一次性吸凈所需的速度越慢,需要降低作業(yè)速度或者多次作業(yè)才能吸凈。

(3) 兩側(cè)吹風(fēng)氣流相互影響,導(dǎo)致道床中間位置的水溝槽縫隙處有極少量殘留顆粒,道床表面其他位置吸污效果良好,今后可通過進(jìn)一步優(yōu)化吹吸風(fēng)口結(jié)構(gòu)布置加以改善。

[1] 郭關(guān)柱.新型軌道吸污裝置吸污能力研究[J].中國鐵道科學(xué),2012,33(3):76.

[2] 李戰(zhàn)軍,鄭炳旭.塵粒起動(dòng)機(jī)理的初步研究[J].爆破,2003,20(4):17.

[3] 史天亮.鐵路道床吸污車吸塵機(jī)理分析及吸塵效果數(shù)值模[J].鐵道建筑,2014(4):135.

[4] 郭關(guān)柱.吸風(fēng)循環(huán)式軌道吸污裝置的吸污能力及能耗研究[J].中國鐵道科學(xué),2013,34(5):108.

[5] 陳忠基,吳曉元,徐廣譜,等.路面清掃車吸嘴裝置的實(shí)驗(yàn)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,29(12):1483.

Optimization and Test of the Dust Absorption of Railway Ballast Bed Cleaning Truck

ZHANG Ling, SHI Tianliang

In line with the defects that the dust absorption of TX65railway ballast bed cleaning truck is insufficient, through investigation to the structure and design parameters of the truck, the main reasons are analyzed and corresponding measuressare taken.The test results provethat these measures can effectively improve the performance of dust absorption,to dusts with diameter less than 3 mm, the absorption rate has reached 100%, while to diameter less than 10 mm mixed with other materials, the absorption capability also increases to about 5%～20%.

railway ballast bed; cleaning vehicle; dust absorption capability; structure optimization

U216.6

10.16037/j.1007-869x.2016.08.019

2014-11-03)