氣力吸取式軌道吸沙機的吸沙特性探討

郭關柱

(中國鐵建高新裝備股份有限公司 研究院，云南 昆明 650215)

從20世紀50年代以來，我國在沙化地區相繼修建了包蘭、蘭新、集二、干武等20余條沙漠鐵路干線。沙化地區具有氣候干燥、降雨稀少、日照強烈、冷熱劇變、風大風多的特殊自然環境，致使地表植被稀少，加之大部分地表為疏松的沙質地層，這些地區鐵路線路沙害嚴重。尤其是2014年12月26日開通的蘭新二線無砟軌道高鐵，經過三十里風區、百里風區、大板城風區和煙墩風區4大風區，所處風區線路共計有400余公里。為了保障高鐵動車在風區運行的安全，蘭新二線采取了防風措施，在線路一側修建了擋風墻，夾帶沙粒和塵土的強風在越過擋風墻時，在擋風墻順風下側區域風速降低，強風夾帶的沙粒和塵土沉降到軌道表面，在軌道表面及側面形成嚴重積沙，如圖1所示。

圖1 蘭新二線高鐵線路積沙情況

沙害會影響道床溝槽排水和列車正常運行，加大鋼軌及扣件等磨損，破壞道床彈性并增加線路維修成本。解決鐵路沙害問題主要有主動預防和被動除沙2種方法，預防性治沙工程量大、費用高、短期內難以從根本上解決問題；被動除沙主要是在突發性沙害線路或沙害嚴重部位線路進行被動清除，在線路上定點監測沙害部位及時清掃。

國內目前尚無大型鐵路除沙設備，還是采用人工清掃的方式，而人工清掃沙粒作業勞動強度大、效率低、環境惡劣，效果不理想。國外通常采用安裝了刮板式除沙裝置的軌道機械清掃沙粒，這類設備能夠清掃鋼軌表面上方的沙粒，適合于清掃沙粒掩埋較深的普速鐵路，其不足之處是單車鉤、不能與牽引機車聯掛，只能進行單向作業且無法清掃鋼軌表面下方的沙粒。

為了能夠清掃鋼軌表面下方較薄積沙，解決我國沙化地區普通鐵路和高速鐵路沙粒可機械清掃的問題，結合氣力輸送技術在鐵路裝備行業應用中取得的一定基礎[1-2]，本文提出一種氣力吸取式軌道吸沙機，并對該設備性能進行理論計算、分析及試驗。

1 氣力吸取式軌道吸沙機的工作原理

氣力吸取式軌道吸沙機的工作原理如圖2所示。圖中：vXG，vX和vRS分別為吸沙管內的氣流速度、旋風分離筒入口處的氣流速度和沉降及貯沙筒右半部分氣流上升的速度；pT和pF分別為沉降及貯沙筒內的風壓和吸沙風機入口處的風壓；h為吸沙嘴至吸沙管最高點的垂直高度；l為吸沙管在水平方向的長度。

圖2 氣力吸取式軌道吸沙機工作原理

由圖2可知：在負壓氣流作用下，沙粒由吸沙嘴吸入，經吸沙管輸送到沉降及貯沙筒，因筒內風速減小，大部分沙粒通過重力作用沉降到筒底，沒有沉降的小粒徑沙粒和粉塵隨氣流懸浮進入旋風分離筒，從懸浮氣流中分離出來后沉積到旋風分離筒筒底。氣流經上述2套裝置后匯總到1根排風管內，經排風管進入過濾筒，將氣流紊流帶入過濾筒內的微量沙粒過濾掉，以防止其進入吸沙風機損壞風機葉片或縮短風機使用壽命，起到安全和保護作用。吸沙風機依靠電動機旋轉使氣流產生負壓，吸走的氣流經消聲器排走，以降低排風噪聲。

2 軌道吸沙機吸沙能力的理論計算

氣力吸取式軌道吸沙機的吸沙特性由最大吸沙量、沉降沙粒的最小粒徑、旋風分離筒分離出沙粒的最小粒徑、最大粒徑和分割粒徑以及過濾筒過濾性能決定。

2.1 吸沙管內徑、壓力及風速

最大吸沙量與沙粒的物理特性、吸沙管內徑、吸沙壓力、沙粒輸送的垂直高度和水平距離密切相關，還受走行吸沙速度、沙層厚度、沙粒直徑、吸沙后的潔凈度等影響，走行吸沙速度和沙層厚度主要影響吸沙后的潔凈度，當走行吸沙速度過快或沙層厚度較厚時，軌道表面吸沙后的潔凈度較低，會滯留大量沙粒；反之，則吸沙后的潔凈度較高。為保證正常吸沙，需要吸沙管暢通而不會堵塞。為使沙粒在吸沙管內不發生堵塞，考慮吸沙管塞滿沙粒這種極端情形即吸沙管內沙粒仍可被吸走，則吸沙管將不會發生堵塞。考慮吸沙管包含垂直提升和水平輸送兩部分功能，為使沙粒在管內正常流動，則吸沙機產生的負壓力要能夠克服沙粒受到垂直提升部分重力和水平輸送部分摩擦力的作用[3-4]，則

pA-pF≥(h+dXG)ρSg+lρSgλXF

(1)

式中：pA為大氣壓力；dXG為吸沙管內徑；ρS為沙粒的堆積密度；g為重力加速度；λXF為沙粒流動時的摩擦阻力系數。

吸沙需要的負壓及氣流流量由吸沙風機產生，驅動吸沙風機消耗的軸功率PF[5]為

(2)

式中：qLE為吸沙風機的氣流流量；ηF0為吸沙風機的內效率；ηFm為吸沙風機的機械效率。

從氣力輸送角度看，為使吸沙氣流能夠正常輸送沙粒，則需要沙粒在吸沙管內與氣流一起形成懸浮流。沙粒能被負壓氣流懸浮起來的最低速度為懸浮速度vt，需滿足[3]

(3)

式中：dS為沙粒粒徑；μ為空氣動力黏度系數；ρSS為沙粒實體密度；ρA為空氣密度。

當吸沙管發生塞滿沙粒這種極端情況時，氣流只能通過吸沙管內沙粒間的縫隙內流過，為使氣流將吸沙管內的沙粒帶走，以保證吸沙管內氣流和沙粒的流動暢通，參照式(1)，需要吸沙管內沙粒段前段壓差能夠達到最高壓力差pA-pF。此時，吸沙管內氣流的有效過流面積為吸沙管橫截面上沙粒間縫隙所占面積，通過吸沙管內沙粒縫隙間的吸沙氣流流量qSA[6]為

(4)

其中，

式中：α為流量系數，如為音速流，則α=1；CXG為氣體流量系數，與孔口形狀相關；SFX為吸沙管橫截面上沙粒間縫隙的總流通面積；ΔpG為吸沙管前后端壓差；MA為空氣相對分子量；k為空氣絕熱指數；R為空氣氣體常數；TA為空氣溫度。

將沙粒視為理想球體，吸沙管內塞滿沙粒時，在吸沙管任意1個截面上，沙粒均挨個擠在吸沙管內，其最小過流面為截面上全部沙粒正好截到沙粒正中心的面，在該截面上，就任意1個沙粒而言，它所對應縫隙的面積為它的直徑所對應正方形面積與球體橫截面面積之差。通過吸沙管內沙粒縫隙的面積為全部沙粒對應縫隙的總流通面積之和，故SFX滿足下式。

(5)

2.2 管道壓降與吸沙量

氣力吸取式吸沙方式采用的是氣力輸送原理，氣流輸送沙粒的實際速度應高于懸浮速度。根據氣力輸送固氣比定義，輸送沙粒的質量流量與輸送沙粒所消耗空氣的質量流量之比為固氣比φ，即

(6)

式中：qmS為輸送沙粒的質量流量；qmA為輸送沙粒所消耗空氣的質量流量。

沙粒從吸沙嘴進入后，需要流經吸沙管的垂直段和水平段，才能進入沉降及貯沙筒。假設沙粒在吸沙管內流動時均勻分布，則吸沙管內氣流壓力降包括水平段壓力降和垂直段壓力降2部分[7]，水平段壓力降主要用于克服沙粒輸送時的摩擦力，而垂直段壓力降則主要用于克服沙粒重力輸送沙粒，參照文獻[3]，輸送沙粒的氣流流經吸沙管后的總壓力降pXL為

ρSghkSA+pGL

(7)

其中，

式中：λA為吸沙管內純空氣流動時的摩擦系數；Re為雷諾數；pGL為吸沙管進口、出口和中間彎頭處的局部壓力損失之和[6]；kSA為吸沙管截面上，沙粒流動所占面積與空氣流動所占面積之比。

式(7)中，局部壓力損失之和pGL[6]為

(8)

式中：ζE為吸沙嘴入口壓力損失系數；ζO為吸沙管進入貯沙筒壓力損失系數；ζM為吸沙管中間彎頭處壓力損失系數；n為吸沙管中間彎頭數量。

依據式(6)和式(7)，得到

(9)

作為氣力輸送，沙粒隨氣流流動過程中獲得的動能均由吸沙氣流提供。根據能量守恒定理，被輸送沙粒可獲得的動能應不超過風機提供的總能量減去吸沙氣流自身消耗的能量，故有

(10)

2.3 最小沉降粒徑

為了分析簡便，將沉降及貯沙筒截面平均分成左右兩部分。沙粒經吸沙管進入重力分離和貯沙筒左半部分空間后，氣流流通面積突然增大，風速突然降低，在沙粒自身重力作用下沉降，未能沉降的沙粒將隨著氣流從沉降及貯沙筒的右半部分空間上升，伴隨氣流進入旋風分離筒。

沙粒最小沉降粒徑與筒內右半部分上升風速和沙粒比重相關，沙粒受到的氣體浮力較小可忽略，則沙粒自身的重力大于或等于受到的氣流升力時，沙粒才能沉降[8]，故可沉降的最小沙粒滿足下式。

(11)

由式(11)，可得到沉降沙粒的最小粒徑dSmin為

(12)

當吸起沙粒的粒徑大于dSmin時，則容易沉降在沉降及貯沙筒內；沙粒的粒徑小于dSmin時，則容易隨著吸沙氣流進入旋風分離筒。

2.4 旋風分離筒阻力與分離效果

旋風分離筒的阻力pXF滿足下式[8]。

(13)

式中：hX和bX分別為旋風分離筒的入口高度和寬度；vXE旋風分離筒的入口風速；dXO為旋風分離筒排風管直徑。

旋風分離效果多以不同粒度的分離效率來衡量，通常引用分割粒徑dC50的分離效率進行評價[9]。考慮到作業現場沙粒粒徑大小不一，且分析測試手段較為有限，為了使測試評價方法便于實施，從旋風分離筒底部取樣，采取將拍照獲得的照片放大觀察的方法分析沙粒粒徑分布。由于氣流紊流等因素的影響，能分離出來沙粒粒徑的界限不是絕對的，通常采用分割粒徑dC50來劃分，即從概率統計觀點看，處于這種狀態的顆粒有50%的可能被捕捉，有50%的可能進入內漩渦，故分割粒徑dC50[10]為

(14)

式中：r0旋風分離筒交界面的半徑，r0≈0.6rXO，rXO為排風管半徑；vRD為旋風分離筒交界面上氣流徑向速度，vRD=qLE/(2πr0hXF)；hXF為交界面假想高度；vRT為旋風分離筒交界面上氣流切向速度。

2.5 過濾性能

過濾筒設置的目的是將因湍流導致未被沉降和旋風分離掉的極少量較大粒徑沙粒過濾出來，防止進入風機損壞葉片或降低風機使用壽命，過濾筒濾網網孔越小，過濾效果越好，但越容易造成堵塞，且現場難于維護，設計時取過濾筒濾網網孔直徑與吸沙風機葉片最小間隙相當。

3 軌道吸沙機吸沙能力的計算結果

將軌道吸沙機安裝在軌道車上，在哈密地區的蘭新二線(無砟軌道)和哈羅線(有砟軌道)等鐵路線路進行吸沙作業。哈密地區海拔高度約2 692 m，考慮使用環境溫度約為30 ℃，當地氣壓為100.2 kPa，空氣密度為1.15 kg·m-3。故按此環境條件進行計算分析。

3.1 吸沙內管徑、壓力及風速

軌道吸沙機安裝在軌道車上，根據現場實際需要，吸沙嘴至沉降及貯沙筒入口處最高點的垂直高度達5.0 m。被吸沙粒均為較干沙粒，沙粒需要提升的垂直距離較高，為低混合比氣力輸送，摩擦阻力系數取值約0.012[3]。重力加速度取值9.8 m2·s-2。取現場適量沙粒進行測量，沙粒的堆積密度為1 190 kg·m-3。相比吸沙嘴到最高點的垂直高度，吸沙管內徑較小，可忽略。根據現場吸沙實際需要，吸沙管總長約15 m，水平輸送段管長約10 m。將相關參數代入式(1)，計算出吸沙風機入口風壓pF應低于40 490 Pa。

為防吸沙管內堵塞，風機能產生的最大負壓應不低于59 710 Pa，實際取值600 kPa。吸沙風機的內效率取0.75，機械效率取0.75[11]。吸沙作業時，軌道車通過發電機向軌道吸沙機提供電源，為保證其它設備的運行正常，能夠提供電源的最大功率為30 kW。將相關參數代入式(2)，計算出最大負壓條件下，吸沙風機能產生的流量qLE為0.28 m3·s-1。

現場單個最大沙粒的粒徑約為10 mm，沙粒的實體密度為2 800 kg·m3，空氣動力黏度系數μ值為1.86×10-5Pa·s。將相關參數代入式(3)，計算出懸浮速度vt為40.0 m·s-1。

吸沙管塞滿沙粒時，風機形成的負壓最大，吸沙管前后壓差可達60 kPa，前后壓力比約0.404，低于0.528，故吸沙管內氣流流過沙粒間縫隙的流動為音速流，則α=1；氣體流量系數為0.9；空氣相對分子量取29；空氣絕熱指數為1.4；空氣的氣體常數為287 J·kg-1·K-1。將相關參數代入式(4)，計算出吸沙管內沙粒間縫隙的總流通面積為410 mm2。1套軌道吸沙機配置2根吸沙管，將相關參數代入式(5)，可計算出吸沙管內徑dXG應為31.3 mm。考慮到吸沙管垂直段只要局部有一段接近堵塞狀態，無須全部堵塞，就能夠在堵塞沙粒前后端建立起最高壓差，氣流能夠將沙粒輸送走，如此時不能保持暢通，則沙粒將不斷堆積，堵塞會越來越嚴重，故吸沙管內徑的選擇可大于按全部堵塞計算出來的管徑，綜合考慮現有耐負壓吸沙管的標準和規格，實際選取吸沙管內徑為38 mm。

忽略各部件泄漏流量，則吸沙管內的氣流流量為qLE。吸沙管內徑為38 mm，可計算出正常吸沙時吸沙管內平均風速約為123 m·s-1，遠高于沙粒懸浮速度40.0 m·s-1，能夠正常吸沙。

3.2 管道壓降與吸沙量

管內純空氣流動時摩擦系數計算值為0.014；吸沙時，吸沙管入口近似為無限空間收縮流，吸沙嘴入口壓力損失系數ζE為0.5；吸沙管出口近似為無限空間擴張流，吸沙嘴出口壓力損失系數ζO為1.0；吸沙管中間共有90度彎頭3個，單個彎頭壓力損失系數為0.65。相關參數代入式(8)，計算出局部壓力損失約30.8 kPa。

依據式(10)，可計算出純氣流壓力的損失為35.8 kPa，代入相關參數，可算出維持吸沙氣流壓力消耗的功率約12.7 kW；考慮吸沙風機的機械效率后，吸沙風機能夠輸出的功率約16.9 kW。沙粒流動中可獲得動能約4.2 kW，考慮到吸入沙粒的數量增加后，氣流的流量會降低，但沙粒流動的動能應低于吸沙氣流消耗的功率 12.7 kW較多。

吸沙風機風壓是基于吸沙管不堵塞條件設計的，在吸沙管內塞滿沙粒時壓力最高，正常使用時，考慮吸沙風機吸沙的實際風壓約為最高風壓的3/4，將相關參數代入式(7)，考慮沙粒堆積密度，計算出不同沙粒輸送速度時固氣比和輸送沙粒的體積流量見表1。

表1 沙粒速度與固氣比和沙粒體積流量的關系

3.3 最小沉降粒徑

軌道吸沙機安裝在軌道車上，貯沙筒做得越大，可貯存沙粒越多。但受車輛限界空間限制，沉降及貯沙筒的內徑只能做到0.9 m，忽略沿程各部件的泄漏損失，可計算出貯沙筒右半部分氣流上升最低速度為0.44 m·s-1；對于球體，空氣阻力系數CSd為0.9。將相關參數代入式(12)，得到沉降沙粒的最小粒徑dSmin為0.06 mm。

3.4 旋風分離筒阻力與分離效果

為了與軌道車空間相匹配，設計的旋風分離筒主要參數為：入口高度hX和寬度bX均為112 mm；旋風分離筒排風管直徑dXO為150 mm；正常吸沙時，旋風分離筒的入口風速vXE為9.7 m·s-1。相關參數代入式(13)，計算出旋風分離筒的阻力pXF為482 Pa。相比吸沙管的壓降，旋風分離器阻力較小，可忽略。

旋風分離筒排風管半徑rXO為75 mm，交界面的半徑r0約為0.045 m，由旋風筒結構得知交界面假想高度hXF為0.55 m，故算出旋風分離筒交界面上氣流徑向速度vRD為0.9 m·s-1；取旋風分離器切向速度vRD為旋風分離筒入口風速vXE，即9.7 m·s-1。將相關參數代入式(14)，計算出分割粒徑dC50大小為0.03 mm。因此，旋風分離筒能夠將氣流中50%粒徑大于0.03 mm沙粒分離出來。

3.5 過濾性能

過濾性能由過濾筒的濾網孔徑和材質決定，鑒于吸沙風機葉片最小間隙為0.2 mm，故確定過濾網孔徑取0.2 mm，過濾筒濾網采用金屬編織過濾網。

4 試驗驗證與分析

試驗驗證時，氣力吸取式軌道吸沙機固定在軌道車上，通過軌道車自帶的發電機供電，運輸到蘭新二線和哈羅線沙害區域鐵路線路上進行試驗。試驗分為2部分：先開展空載試驗，驗證空載壓力與風速；再進行吸沙特性試驗，驗證吸沙相關的參數與性能。

空載試驗時，軌道車停在鐵路線路上，將吸沙管嘴拉至軌道側面準備吸沙位置，啟動吸沙風機，測試風壓和風量。試驗測出風機入口負壓約30 kPa，風量約為0.22 m3·s-1。

吸沙特性試驗時，軌道車停在鐵路線上，人工攜帶吸沙嘴在軌道車附近進行吸沙，如圖3所示。吸完該區域后，軌道車向前移動一段距離，再停下來進行吸沙。測試風壓及最大吸沙量時，將2根吸沙嘴直接插入松散的沙粒內。試驗中吸沙管未堵塞，測出風機入口負壓約42 000 Pa，最大吸沙量略高于理論計算值約為1.76 m3·h-1。

圖3 吸沙特性試驗

試驗結束后，由軌道車將氣力吸取式軌道吸沙機運回車場站段，從沉降及貯沙筒、旋風分離筒和過濾筒底部取出沙粒，發現有超過95%沙粒沉降在貯沙筒內，旋風分離筒底有少量沙粒，過濾筒內過濾出微量沙粒，通過沙粒粒形分布來分析最小沉降粒徑、分離效果和過濾性能。將取出的3種沙粒分別拍照，放大后沙粒粒形分布如圖4所示，圖中每小格表示1 mm。

圖4 沙粒粒形微觀圖

依據圖4中沙粒粒形分布情況，獲得如下結果：

(1)貯沙筒內沉降沙粒的最小粒徑與理論計算值相近約0.06 mm；

(2)旋風分離筒內分離出來的沙粒表面含有少量粉塵，沙粒最小和最大粒徑分別為0.025和0.45 mm，分割粒徑dC50約0.10 mm，高于理論計算值0.03 mm；

(3)過濾筒過濾出來的沙粒最小粒徑約0.15 mm，最大粒徑約0.62 mm。

試驗驗證結果表明：最大吸沙量略高于理論計算值，主要是軌道吸沙機實際壓力損失低于理論計算值形成的；旋風分離筒分離沙粒的分割粒徑高于理論計算值，是由于旋風分離筒交界面假想高度低于實際高度造成的；過濾筒內沙粒的情況表明過濾筒能夠過濾掉因吸沙氣流紊流帶入過濾筒內的沙粒。

5 結 論

(1)基于建立的模型及計算結果和試驗驗證情況，探索性研究了氣力吸取式軌道吸沙機的吸沙特性，獲得吸沙快、管路不易堵、分離過濾好及可滿足實際使用要求的吸沙部件推薦設計參數和選型。

(2)在現有軌道和軌道車安裝空間及供電條件下，推薦軌道吸沙機的風量0.22 m3·s-1，最大風壓60 kPa；吸沙管內徑38 mm；貯沙筒內徑按照車輛限界空間限制盡量取大為0.9 m；旋風分離筒排風管直徑150 mm；濾網過濾網孔直徑0.2 mm。

(3)依據推薦設計參數和選型，最大吸沙量可達1.76 m3·h-1，貯沙筒可沉降分離95%以上沙粒，貯沙筒內沉降沙粒最小粒徑與理論值相近約0.06 mm，旋風分離筒分離出沙粒的最小粒徑、最大粒徑和分割粒徑dC50分別為0.025，0.45和0.10 mm，過濾筒內過濾出的最小沙粒粒徑約0.15 mm。