有蓋漏斗車卸貨過程車體負壓理論分析

李 靜，康文澤

（中車太原機車車輛有限公司，太原030027）

有蓋漏斗車卸貨過程中車體承受負壓，車體尤其是頂蓋易發生塌陷，而國內鐵道車輛相關標準中并未對負壓工況提出考核。為保證車體強度滿足使用要求，對有蓋漏斗車卸貨過程車體負壓進行分析。由仿真分析可知漏斗車卸貨過程負壓接近極值，通過理論分析得出負壓極值對有蓋漏斗車通風孔設計具有一定的指導意義。

1 卸貨過程分析

有蓋漏斗車多數為重力卸貨，貨物由上面裝入，卸貨時用人力或風力開啟漏斗底門，貨物靠自身重力自動卸出。卸貨過程中，貨物快速地從下部流出，而空氣不能及時進入到車體內部，導致車體內部壓力急速降低，產生負壓作用。負壓增大到某一值時，車體會突然失去原來的形狀，被壓扁或出現波紋，載荷卸去后，車體不能恢復原狀，即發生了屈曲或稱為失穩。

2 車體負壓理論計算過程中的假設

有蓋漏斗車卸貨過程中車體內的負壓受貨物狀態、卸貨時間、裝貨狀態影響較大，同時也受卸貨環境的影響；同時有蓋漏斗車也并不是一個完全的密封結構，除了通氣孔以外，頂蓋和車體間仍然存在間隙，因此要完全理論分析出卸貨過程中的負壓變化及其困難。為分析有蓋漏斗車卸貨過程車體內的負壓，做出以下假設：

（1）貨物均勻卸出，流量不隨時間和車內貨物狀態發生變化；

（2）忽略貨物內部的間隙，即貨物密實，顆粒間無空氣；

（3）卸貨過程中，空氣不從卸貨口進入車體內；

（4）忽略頂蓋與車體間的間隙，即空氣僅能從通風口進入車體內部；

（5）車體內壓強大小不隨位置的變化而變化；

（6）將車體內流體域分成兩層，上層為空氣、下層為貨物，計算中主要考慮空氣流動，且空氣流動為定常流動，貨物流動不做詳細分析；

（7）把空氣作為可壓縮氣體考慮，并且空氣流動主要沿車體垂向，車體橫截面沿垂向變化不大，故可按一元可壓縮流考慮；

（8）假設氣流流動過程中與外界無熱量和功的交換、無黏性，則流動過程等熵。

上述假設中（1）對計算結果無影響，（2）、（3）、（4）使求得的計算結果偏大，（5）使計算結果不能充分反映通風口局部負壓，（6）、（7）、（8）對計算結果影響較小。

3 可壓縮流體一元定常等熵流動的基本方程

用于描述可壓縮流體一元等熵流動的基本方程有3個，即

連續性方程為式（1）：

絕熱方程為式（2）：

能量方程為式（3）：

式中：A為流管的橫截面積；γ為氣體的定壓比熱與定容比熱之比；p為壓強；ρ為密度；v為速度；V為體積。

此次理論分析的目的是確定卸貨過程中有蓋漏斗車內的負壓極值，僅通過絕熱方程和能量方程就能分析出漏斗車卸貨過程中的負壓極值。

4 有蓋漏斗車卸貨過程車體負壓極值

4.1 絕熱方程

t時刻車內的氣體體積V、壓強p；t到t+dt時間內，由通風孔進入車內氣體體積為dV氣，卸出貨物體積為dV貨；整個吸氣過程絕熱，由理想氣體絕熱過程方程［1］可得式（4）：

整理得式（5）：

由廣義二項式定理可得式（6）、式（7）：

因此得式（8）、式（9）

設t時刻卸貨和吸入空氣的體積流量分別為q貨、q氣，則有式（11）：

將上式代入式（10）可得式（12）：

由式（12）可知，當q氣=q貨時車體氣壓達到極值，因為負壓隨著卸貨時間的累積而增大，所以此極值為極大值。

4.2 通氣孔內側進口處空氣流動的能量方程

有蓋漏斗車卸貨過程中，車體外部空氣流動速度可看作為0，則其能量方程［2］為式（13）：

式中：pa為標準大氣壓下空氣壓強；ρa為標準大氣壓下空氣密度；pe為通氣孔內側進口壓強；ve為通氣孔內側進口氣體流速；ρe為通氣孔內側進口處氣體密度。

根據等熵過程方程可得式（14）：

聯立式（13）和式（14）可得式（15）：

式（15）可寫成式（16）：

4.3 吸氣和卸貨的體積流量及氣壓極值

漏斗車底部卸貨口截面積為A貨，卸貨速度為v貨，體積流量為q貨，則有式（17）：

通氣孔中的空氣進入車體內發生體積膨脹，通氣孔中的體積流量不等于車體內的體積流量，但定常流動過程中同一流管中的質量流量不變［3］，則有式（18）：

式中：A氣為通氣孔總截面積；ρ氣為車體內空氣密度。

空氣是理想氣體，且流動過程等熵，根據泊松公式以及ρV=常數，可得pρ-γ=常數，則上式可寫成式（19）：

當q氣=q貨時，負壓達到極值。設負壓達到極值時β=βm，根據式（16）～式（19）可得式（20）：

分析式（22）可得，有蓋漏斗車卸貨過程中車內負壓極值與卸貨總時間、通氣孔的截面積有關：卸貨總時間越短、通氣孔總截面積越小，βm越小，車內負壓極值越大。

5 某水泥熟料漏斗車車內負壓極值理論計算

該漏斗車額定載重為70 t，水泥熟料堆積密度為1200 kg/m3，對于空氣取ca=343 m/s、γ=1.4。將各值代入式（21）可得βm。不同卸貨時間、通風孔直徑下車體負壓理論極值，見表1。

表1 不同卸貨總時間、通風孔直徑下車體負壓極值

6 結論

通過以上理論分析及計算可得出以下結論：

（1）有蓋漏斗車卸貨過程中車內負壓極值與卸貨總時間、通氣孔的截面積有關：卸貨總時間越短、通氣孔總截面積越小，車內負壓極值越大。

（2）通氣孔總截面積對負壓極值影響較大，降低車體內部負壓極值最有效的辦法是增大通氣孔總截面積。