一種隧道清洗車真空吸污系統(tǒng)的設計

趙俊杰，時洪光，張保福

（中車山東機車車輛有限公司，1、3，工程師，2、高級工程師，山東 濟南 250000）

隨著地鐵軌道交通運營速度提高，車輛的高速穿行將在地鐵隧道內產(chǎn)生活塞風，在其作用下隧道內鐵路道床及排水溝將沉積大量污物，如不及時清理將影響行車安全及人員健康，由于作業(yè)天窗期的限制，傳統(tǒng)的人工清掃方式已無法滿足長線路高效作業(yè)的需求［1］。隧道清洗車應運而生，該車主要由高壓水系統(tǒng)、毛刷滾刷系統(tǒng)和真空吸污系統(tǒng)組成。真空吸污系統(tǒng)的性能對作業(yè)效果起到關鍵性作用。

1 真空吸污系統(tǒng)原理

真空吸污系統(tǒng)主要由吸污單元、過濾器室、污物箱和真空風機組成（見圖1）。該系統(tǒng)可將污水及污物收集，并用真空風機產(chǎn)生的負壓進行抽吸，固體污物存放在污物箱內，液體則存放在污水箱內，在污物箱和真空風機間設置有過濾器系統(tǒng)，可將空氣內的微小顆粒進行有效過濾。

圖1 真空吸污系統(tǒng)結構示意圖

在清掃過程中，只有當真空風機形成的負壓在吸塵口進口處產(chǎn)生的氣流流速大于顆粒的起動風速時，垃圾顆粒才有可能脫離地面進入氣流被吸塵口吸起［2］。傳統(tǒng)通過增加真空風機功率的方式來增加真空吸污能力，但此方式吸污能力增幅有限且功耗噪音也隨之增大。查閱相關資料顯示當真空系統(tǒng)要求的風量特別大時可采用并聯(lián)或串聯(lián)真空風機滿足要求。由于真空吸污系統(tǒng)空間結構限制本文選用真空風機并聯(lián)方式進行研究。

2 并聯(lián)真空系統(tǒng)特性研究

可將吸污單元、過濾器室、污物箱視為一個管網(wǎng)系統(tǒng)，與真空風機組成真空系統(tǒng)。通常所說的真空風機性能點，即為真空風機的性能曲線與管網(wǎng)特性曲線的交點，稱之為運行工況點。對于管網(wǎng)系統(tǒng)，管網(wǎng)特性曲線符合△P=KQ2關系式，其中P為壓強，Q為風量，管網(wǎng)系統(tǒng)一定時，K為常數(shù)。并聯(lián)真空風機要克服的是同一系統(tǒng)的管網(wǎng)阻力，而管網(wǎng)中通過的風量則是并聯(lián)各臺真空風機產(chǎn)生風量的疊加［3］。圖2為兩臺特性曲線相同的真空風機并聯(lián)合成特性曲線。由圖1可知，兩臺真空風機并聯(lián)運行時管網(wǎng)中輸出的總風量，小于兩臺真空風機在該管網(wǎng)中單獨運行時輸出的風量的代數(shù)和。管網(wǎng)特性曲線R與單臺真空風機特性曲線交于A1，與兩臺并聯(lián)真空風機的合成特性曲線交于A。此時如果僅啟用一臺真空風機，則系統(tǒng)吸風量為qvA1；如果兩臺真空風機同時開啟，系統(tǒng)吸風量則為q；從圖1可發(fā)現(xiàn)q＜2q。vAvAvA1然而，兩臺真空風機同時開啟后，對兩臺真空風機單獨測量，發(fā)現(xiàn)它們各自工作在A1＇點上，此時真空風機產(chǎn)生的壓力將克服管網(wǎng)阻力，即相當于它們各自工作在特性曲線為R的管網(wǎng)中。此時單臺真空風機產(chǎn)生的風量由qvA1降至qvA1，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)中系統(tǒng)產(chǎn)生的總風量為qvA=2qvA1＇。看起來是兩臺真空風機并聯(lián)運行時，其中一臺真空風機給另一臺真空風機制造了阻力。這是因為兩臺真空風機并聯(lián)工作時，其中一臺真空風機產(chǎn)生的風量已經(jīng)占據(jù)了管網(wǎng)系統(tǒng)一部分容積，所以對另一臺真空風機而言相當于其有效流通容積相對縮小了，故阻力也就相對增大了，二者互為因果。

圖2 兩臺特性曲線相同的真空風機并聯(lián)合成特性曲線

圖3為兩臺特性曲線不同的真空風機并聯(lián)合成特性曲線，從圖3也可得出上述相同結論。只是產(chǎn)生的總風量比兩臺真空風機在該管網(wǎng)中單獨運行產(chǎn)生風量之和更小，即qvA＜qvA1+qvA2。

圖3 兩臺特性曲線不同的真空風機并聯(lián)合成特性曲線

圖4為特性曲線有峰值的兩臺不同真空風機并聯(lián)曲線，當管網(wǎng)特性曲線為R1時，在此管網(wǎng)系統(tǒng)中，單獨啟用小、大真空風機所產(chǎn)生的風量分別為qvA1和qVa2，兩臺真空風機同時啟用產(chǎn)生風量為qvA，但qvA＜qvA1＋qvA2。如果管網(wǎng)特性曲線為R2，它與大真空風機和與并聯(lián)合成的特性曲線交點都為B；這時單獨啟用大真空風機時管網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的風量為qvB，兩臺真空風機同時啟用時管網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生風量仍為qvB，此時小真空風機不起作用。如果管網(wǎng)特性曲線為R3，單獨啟用大真空風機時管網(wǎng)中輸出風量為qVc2，兩臺真空風機同時啟用后管網(wǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的風量不增反降至qVc，此時小真空風機在管網(wǎng)系統(tǒng)中起負作用。可見只有當管網(wǎng)阻力比較小，其特性曲線與風機的并聯(lián)合成特性曲線交于B點右側時，并聯(lián)運行才起到增加風量作用，離B點越遠效果越顯著，這里稱B點為并聯(lián)運行的臨界點。

圖4 特性曲線有峰值的兩臺不同真空風機并聯(lián)曲線

經(jīng)過以上分析可以得出，對于在長時間大風量工況條件下運行偶爾由于載荷降低需要臨時停用一臺真空風機時，應按圖1選用兩臺相同的通風機并聯(lián)運行。對于經(jīng)常在小風量工況條件下運行偶爾由于載荷增加需要臨時增開一臺真空風機時應按圖2或圖3選用兩臺不同的真空風機并聯(lián)。

3 新型真空吸污系統(tǒng)

經(jīng)過對真空風機并聯(lián)管網(wǎng)特性分析可知，選用相同管網(wǎng)特性的真空風機并聯(lián)工作是提升真空吸污系統(tǒng)風量的有效途徑。由此提出一種新型真空吸污系統(tǒng)，該系統(tǒng)在真空系統(tǒng)基礎上增加風能回收裝置和并聯(lián)扇葉實現(xiàn)風機并聯(lián)工作以增強真空吸污系統(tǒng)吸污能力。其工作原理是在真空風機出風口裝有導風管，導風管另一端與風能回收裝置連接，真空風機出風口產(chǎn)生的風能通過導風管驅動風能回收裝置內渦輪高速旋轉［4］，高速旋轉的渦輪通過帶傳動用以驅動安裝在過濾器室上的并聯(lián)真空葉輪與真空風機一同并聯(lián)工作。為了使并聯(lián)真空葉輪產(chǎn)生的風量與真空風機風量匹配方便，采用與真空風機尺寸相同的葉輪。隨后只需通過調整帶傳動裝置的傳動比以及風能回收裝置中渦輪參數(shù)即可達到真空風機的同等工況。

4 結語

本文通過對真空風機并聯(lián)條件下管網(wǎng)特性曲線分析得出相同真空風機并聯(lián)工作方式為優(yōu)；在此基礎上提出基于氣動渦輪傳動原理的新型真空吸污系統(tǒng)，即在原系統(tǒng)中通過增加風能回收裝置即可實現(xiàn)兩臺風機的并聯(lián)真空抽吸功能，為增強隧道清洗車真空吸污能力提供一種新的思路。