鐵路客車真空發(fā)生器的研制

初紅權(quán)

（青島亞通達(dá)鐵路設(shè)備有限公司，山東 青島 266000）

目前，國內(nèi)鐵路客車所安裝的真空保持式集便器中，絕大多數(shù)都采用EVAC的真空發(fā)生器。本文主要根據(jù)此類型的真空發(fā)生器進行研究，確定其主要參數(shù)及工作原理。

1 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

真空發(fā)生器主要應(yīng)用于鐵路客車真空保持式集便器中，要求具有工作穩(wěn)定、耗氣量小、效率高等特點，如何能保證真空發(fā)生器較高的工作效率和合理的穩(wěn)定性，是設(shè)計的重點，通過對產(chǎn)品的多次試驗驗證，特別是抽真空特性、耗氣量和工作效率方面，不斷改進設(shè)計，達(dá)到了預(yù)定效果；我們利用記錄數(shù)據(jù)，與段方一起分析真空發(fā)生器在各種運行環(huán)境下的差異，并結(jié)合EVAC的真空發(fā)生器的技術(shù)參數(shù)，我們制定了真空發(fā)生器的主要技術(shù)參數(shù)：

使用溫度：0～60℃；存儲溫度：－40～80℃；氣源要求：500～1000kPa；工作時耗氣量：350L/min;極限負(fù)壓：-60kPa；最大真空的效率：不小于0．55；氣密性：在－45kPa的真空條件下，5小時內(nèi)真空度下降≤3kPa。

2 工作原理

（1）真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)。真空發(fā)生器外形尺寸為φ120X320，其中，噴嘴入口尺寸（文丘里管出口直徑）b=1．5mm，出口尺寸（文丘里管喉部直徑）a=12mm，全管分四部分串聯(lián)而成，總長度為140mm。

（2）原理分析。真空發(fā)生器內(nèi)部的文丘管射流裝置的工作原理可以用伯努利方程和連續(xù)方程來表達(dá)：

式中，V為氣體流速，m/s；g為重力加速度，n；p為氣體壓力，Pa；r為氣體比重，M/n3，Z為氣體勢能，m；A為過流截面，m2。

真空發(fā)生器內(nèi)部的文丘里管的流量特征可用下式表示：

式中，Q1為注入真空發(fā)生器氣體流量，m2/s；Q2為真空發(fā)生器內(nèi)文丘里管流出流量，m2/s；ΔH為真空發(fā)生器內(nèi)文丘里管前后壓差，m；Δp為真空發(fā)生器內(nèi)文丘里管前后壓力損失，Pa；k2為與ΔH相對應(yīng)的總阻力綜合參數(shù)，p1為并聯(lián)文丘里管的入口壓力，Pa；p2為并聯(lián)文丘里管出口壓力，Pa。

真空發(fā)生器噴嘴兩端的壓力損失ΔH可用下式表達(dá)：

式中，∑ξ為噴嘴各處的總阻力參數(shù)；v為通過噴嘴各處的流量，m2/s。

導(dǎo)出總阻力綜合參數(shù)k2及流速v2、v3由公式（2）（3）（4）可以推出：

式中，d為噴嘴各處的直徑，m。

又由式（2）（3）可以推出：

式中，v2為通過真空發(fā)生器噴嘴（即文丘里管）到處的氣體流速，m/s；v3為通過噴嘴喉部的流速，m/s。

在噴嘴喉部，應(yīng)用伯努力方程（1）得：

式中，p3為真空發(fā)生器噴嘴（文丘里管）喉部壓力，Pa；Δh1為真空發(fā)生器噴嘴（文丘里管）逐步縮小的壓力損失，m；Δh2為真空發(fā)生器出口與噴嘴前端的壓力損失，m。

由（3）（4）（5）（6）（7）（8）可以推出p3與 Δp、p4、Q2以及噴嘴管結(jié)構(gòu)性能參數(shù)（k2、c1、c、d2、d3）之間的函數(shù)關(guān)系式：

式中，c1為與Δh1相對應(yīng)的前傾角阻力參數(shù)，c為與Δh2相對阻力參數(shù)。

根據(jù)以上推論可得出：

（1）真空發(fā)生器噴嘴喉部壓力（氣源入口壓力）p3與前后壓力差Δp成線性關(guān)系即與ΔH成線性關(guān)系。

（2）真空發(fā)生器噴嘴喉部壓力（氣源入口壓力）p3與流量平方（Q2-Q1）2成線性關(guān)系。

3 產(chǎn)品設(shè)計

由于污物箱內(nèi)要求可產(chǎn)生的最高負(fù)壓-60kPa以及氣源的條件500～1000kPa，僅僅依靠四組噴嘴串聯(lián)而成無法達(dá)到此條件，又在結(jié)構(gòu)上采用多組并聯(lián)方式來解決此情況，通過分析和試驗，六組噴嘴并聯(lián)為最佳效果。

4 試驗驗證

產(chǎn)品經(jīng)試驗證明，各項技術(shù)參數(shù)均達(dá)到要求，主要試驗數(shù)據(jù)及分析結(jié)果如下。

（1）氣密性。利用真空發(fā)生器對400L的污物箱進行抽真空，當(dāng)真空達(dá)到-45kPa時，系統(tǒng)保壓，通過真空表觀察，系統(tǒng)的真空變化，通過數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)在4小時內(nèi)，真空值保持不變，由此得出，真空發(fā)生器氣密性完全符合要求抽真空效率（如表1）。

表1

根 據(jù) 公 式 η（ΔPu）=1/｛1+［t（ΔPu）×Q/V×60s/min］｝

式中，η（ΔPu）：真空發(fā)生器的工作效率 t（ΔPu）：抽空時間（s）；Q：耗氣量（l/min）；V：抽空容積（L）。

當(dāng)工作壓力為6bar時：η（ΔPu）=0．42，當(dāng)工作壓力為 7bar時：η（ΔPu）=0．49。

當(dāng)工作壓力為8bar時：η（ΔPu）=0．55，當(dāng)工作壓力為 9bar時：η（ΔPu）=0．60。

由此可見，當(dāng)工作壓力為9bar時，真空發(fā)生器的抽氣效率最大，該數(shù)值大于0．55。

（2）抽氣速率。抽氣速率（體積流率），在理想狀態(tài)下，單位時間內(nèi)流過污物箱抽真空口的的氣體體積，實際運用中，抽氣速率S定義為：真空發(fā)生器在規(guī)定的條件下工作，從污物箱內(nèi)流出的氣體流量（q）與工作壓力（p）的比值，簡稱抽速（L/S）：S=q/p。

根據(jù)以上定義，我們要測出q和p的數(shù)值，具體數(shù)據(jù)如表2。由此數(shù)據(jù)表不難看出，當(dāng)工作壓力為9bar時，抽氣速率最大，抽真空效果最佳。

表2

（3）耗氣量。真空發(fā)生器在 0．5MPa、0．6MPa、0．7MPa、0．8MPa、0．9MPa氣 壓 條 件 先， 將 容 積 為400L污物箱抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到-0．045MPa值時，所消耗的氣體體積，通過曲線分析可得出，當(dāng)工作壓力為0．9MPa時，使污物箱內(nèi)真空度達(dá)到-0．045MPa耗氣量最小（336L）。

5 結(jié)語

利用文丘理管原理與鐵路客車真空集便器的性能要求相結(jié)合而設(shè)計的真空發(fā)生器造價低，而且其可行性強。經(jīng)試驗和理論性分析，其氣源入口壓力與污物箱被抽真空的氣體流量在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系，這樣在客戶的使用過程中，就可以通過在該范圍內(nèi)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，對污物箱內(nèi)的真空度狀態(tài)進行有效的控制，經(jīng)過試驗證明，當(dāng)污物箱在50秒內(nèi)，要求真空度建立為-45kPa時，氣源壓力調(diào)節(jié)到9MPa為最佳工作壓力。