用于機車整備作業的移動上砂小車設計

姚明夏，黃 侃

（1，中國鐵路南寧局集團有限公司柳州機務段，工程師，廣西 柳州，545007；2，廣西沿海鐵路股份有限公司南寧南機務運用段，助理工程師，廣西 南寧，530045）

1 概述

傳統的機車整備上砂作業方式主要有三種：即在機車整備臺位上純人工上砂；在固定上砂臺位上移動平車自流式上砂；在固定臺位固定式正壓上砂。第一種上砂方式上砂人員要從烤砂房用手推車把砂子運到整備場整備臺位，再用砂鏟手工給機車上砂，勞動強度大，上砂效率低，正常一臺機車上砂就需要20 min左右，運砂和上砂作業時還會產生粉塵污染，影響環境以及作業人員健康；第二、第三種方式雖然解決了運砂問題，但上砂作業還是會產生粉塵污染且加滿后不能自動停止，同時作業點往往要固定在機車入庫通道上，一臺車停車上砂一般需要10～15 min，雨季時往往需要20 min以上，既造成入庫線路通過能力降低又增加乘務員輔助作業工時。為解決上述問題，設計一款可以適應不同作業環境，可以自動吸砂、上砂的移動上砂小車設備，以實現給砂整備作業自動化靈活化高效化，具有重要意義。

2 移動上砂小車工作原理

2.1 移動上砂小車吸砂系統工作原理吸砂系統工作原理如圖1所示，吸砂裝置主要由高壓風機、貯砂罐、分離器（匯流塊）、砂量調節器、吸砂槍、管道等組成。吸砂時，打開no.1、no.4關閉no.2、no.3、no.5閥門，高壓風機產生高速氣流，氣流通過吸砂槍（受砂口）將砂料匯合成砂流，砂流通過管道至分離器，進行氣、砂分離，砂料至砂罐，空氣經除塵后排出，當吸入的砂子到達儲砂罐預定存量點通過傳感器控制自動停止吸砂，完成吸砂工作。

2.2 移動上砂小車上砂系統工作原理上砂系統工作原理如圖1所示。上砂時，打開no.2、no.3、no.5關閉no.1、no.4閥門，高壓風機產生高速氣流，氣流通過管道到達匯流塊，通過砂量調節器控制砂量，與貯砂罐流出的砂子匯合成砂流，經過管道和砂槍（上砂口）到達砂箱，當上砂到達砂箱預定位置，砂子觸封閉砂槍出口的吸氣管口時自動停止上砂，完成加砂作業。上砂過程中，產生的灰塵經上砂口的回風管道至濕式過水除塵器和機械式干燥器及旋風氣水分離器進行除塵、除水后排放。

2.3 運輸裝置工作原理移動上砂小車運輸裝置采用電瓶運輸車，節能環保，用于將砂子從存砂場運輸到機車上砂點，并利用運輸車的電瓶驅動高速風機產生吸砂及上砂動力。

2.4 除塵系統工作原理利用高壓風機氣流通過濕式過水除塵器和機械式干燥裝置及旋風氣水分離器，將粉塵氣體通過裝水容器及封閉式循環氣道使塵粒產生氣水混合作用捕集顆粒進而降塵；利用機械式干燥裝置及旋風式氣水分離器的氣流切向引入造成的旋轉運動使具有較大慣性離心力的水滴甩向外壁面而進一步將氣水分離，經過兩級氣水分離達到環保排放要求。

3 設計要點

3.1 設備選型采用電瓶車作為運輸工具，其電瓶滿足一次充電后持續工作一個臺班要求。為使設備的通過性更好、作業時間更長，在滿足各項性能前提下，應減輕設備重量、減小設備體積及功率。吸砂和上砂可共用一臺三葉羅茨風機。羅茨風機屬容積式風機，利用兩個葉形轉子在氣缸內作相對運動來壓縮和輸送氣體，適用于低壓力場合氣體輸送和加壓系統，也可用作真空泵。羅茨風機體積小、風量大、噪聲低、耗能省、運轉平穩、風量穩定、安裝方便，對被抽氣體中灰塵和水蒸氣不敏感。吸砂時利用羅茨風機的負壓抽氣功能，上砂時利用羅茨風機的正壓吹風功能。

3.2 參數計算及選擇

3.2.1 吸砂與上砂能力計算 在吸砂、上砂過程中，砂氣混合氣流的運動狀況非常復雜，吸砂、上砂量的大小受到氣流的壓力、管路的通徑、風量的大小、管路的長短及管路局部的壓力損耗等因素制約。

在工程設計中，吸砂、上砂量的大小可按下述經驗公式進行計算：

式中：G為上砂量，單位為kg/h

D為輸送砂管內徑，單位為m；

Va為輸送空氣速度，單位為m/s，

當物料＞880 kg/m3＜1 360 kg/m3時，取25 m/s；

γai為標準狀態下的空氣比重，

取1.2 kg/m3；

π為圓周率；

M為混合比，低真空吸送裝置使用的范圍在1～8之間，一般取m=5.5；

根據實際應用場景，機務段上砂小車應達到每分鐘不少于20 kg的吸砂能力，上砂能力不低于每分鐘10 kg；理論上吸砂、上砂管道管徑分別不小于50 mm和25 mm，建議吸砂、上砂管徑分別選擇60 mm和30 mm。

3.2.2吸砂及上砂時羅茨風機的參數計算

1）吸砂上砂起始段所需的空氣流量計算

式中：Qa為空氣流量，單位為m3/min

D為輸砂軟管內徑，單位為m；

Va為輸送空氣速度，單位為m/s，

當物料＞880 kg/m3＜1 360 kg/m3時，取25 m/s；

2）吸砂上砂時沿程壓力損失計算

空氣管壓損ΔPai可以按下式計算：

式中：mmaq為管壓損單位，以下公式中省略；λai為管摩擦系數，λai=K（0.0125+0.0011/Dai）其中：光滑管K=1.0，焊接管K=1.3舊焊接K=1.6；

Lai為氣管長，單位為m；

Dai為空氣管內徑，單位為m；

Γai為標準狀態下的空氣比重，

取1.2 kg/m3；

Va為輸送空氣速度。單位為m/s，當物料＞880 kg/m3＜1 360kg/m3時，取25m/s；

砂在輸送時的初速度可視為0，當輸送空氣加速到一定速度所產生的壓力損失ΔPac大致可用下式計算：

式中，C為常數，約1～10，一般取c=3；

M為混合比，低真空吸送裝置使用的范圍在1～8之間，一般取m=5.5；

γai為標準狀態下的空氣比重，取1.2kg/m3；

Va為輸送空氣速度，單位為m/s，當物料＞880 kg/m3＜1 360 kg/m3時，取25 m/s；

輸砂管中壓力損失ΔPm可按下式計算：

式中，Leq為輸砂管相當長度，單位m；

Lh為輸砂管水平管長度，單位為m；

Kθ為斜長管換算系數，由實驗決定，一般取1.2

Lθ為輸砂管斜管長度，單位m；

Kv為垂直管換算系數，由實驗決定，一般取kv=1.5

Lv為輸砂管垂直管長度，單位為m；

N為輸砂管彎管數，由實驗決定，一般取N=100；

Dai為輸砂管內徑。單位為m；

β為常數，一般取β=0.45；

λa為0.1555；

除塵裝置的壓力損失ΔPsep可以按下式計算：

式中ξ為阻力系數，干式除塵器，ξ=5.5；濕式除塵器，ξ=4.0；

Ρt為溫度在t℃時含塵氣體的密度（kg/m3），本文取氣體密度ρt=1.39 kg/m3;

Υj為進氣速度，單位為m/s，推薦取υj=25m/s。

吸砂時系統壓力總損失ΔP吸可以按下式計算：

上砂時系統壓力總損失ΔP上可以按下式計算：

在選擇羅茨風機時，要綜合考慮風機能滿足吸砂和上砂的參數要求。風機負壓抽氣的風量應大于吸砂起始段所需的空氣流量Qa，風機負壓的壓力應大于吸砂時系統壓力總損失ΔP吸，風機正壓吹風的風量應大于上砂起始段所需的空氣流量Qa，風機正壓的壓力應大于上砂時系統壓力總損失ΔP上，一般余裕風量和壓力為10%～20%。

3.3 輸砂管路設計輸砂管路分為兩路，一路是將砂抽吸到儲砂罐時砂子和空氣通過的管路，這里稱之為吸砂管路；另一路是將儲砂罐里的砂子輸向機車砂箱時砂子和空氣通過的管路，稱之為上砂管路。由前述可知，兩路管路的動力源為同一風機，但是同一風機的正壓、負壓、抽氣和吹風的數值不同，兩路管路的布局、長度和砂量也不同。因此，在設計中要充分考慮到兩者的差異，分別選用不同的管徑及管壁厚度。

無論是吸砂管路還是上砂管路，應盡量減少彎管連接。因彎管連接會增加系統的壓力損失，增加耗能，并且彎管連接處易磨損。

4 結束語

根據負壓、正壓氣流輸送技術設計的移動上砂小車主要由吸砂系統、上砂系統、運輸裝置、除塵系統以及控制系統構成，采用全封閉移動式結構、自動控制、兩級除塵。目前已經在南寧局集團公司柳州機務段投入試用，經過使用測試，設備每分鐘吸砂量可達25 kg/m，上砂每分鐘可達15 kg/m；使用兩套設備同時作業正常時一臺機車上砂時間可控制在7分鐘以內，雨天每臺機車上砂時間大約為15分鐘左右；吸砂及上砂均實現了滿砂自動停止，全程無揚塵現象。該移動上砂小車自動化程度較其他方式有較大提高，作業人員的勞動強度明顯降低，可以滿足在不同地點上砂的個性化要求，實現了既能提高機車整備效率及機車入庫線路通過能力又能達到環境保護要求的設計預期目標。