軌道交通道床吸污車吸污性能優化與驗證

張 靈 史天亮

(1.湖南工業大學機械工程學院,412007,株洲; 2.中國鐵建高新裝備股份有限公司,650215,昆明∥第一作者,高級工程師)

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軌道交通道床吸污車吸污性能優化與驗證

張 靈1史天亮2

(1.湖南工業大學機械工程學院,412007,株洲; 2.中國鐵建高新裝備股份有限公司,650215,昆明∥第一作者,高級工程師)

針對TX-65型道床吸污車吸污性能不足的缺陷,從工作裝置結構和設計參數等方面分析原因并進行結構優化。試驗結果表明:通過優化改進,各類污物吸收效果有大幅度提升,對粒徑3 mm以下污物的吸收率達到100%,對粒徑10 mm以下混合污物的吸收率提升5%～20%。

鐵路道床; 吸污車; 吸污性能; 結構優化

Author′s address School of Mechanical Engineering,Hunan University of Technology,412007,Zhuzhou,China

隨著近年京津線、武廣線、石太線、滬寧線及鄭西線等無砟軌道客運專線的開通,無砟軌道開通前道床表面的除塵以及開通后鋼軌定期打磨時的吸污,成為高速鐵路開通前后除塵技術難題。為解決此問題,昆明中鐵大型養路機械集團有限公司自主研發了一種清潔客運專線無砟軌道道床的吸污車(TX-65吸污車),用以吸收道床表面沉積的粉塵、固體碎片、微小石子及鋼軌打磨磨屑等污物,避免動車高速運行時將污物卷起撞擊損壞傳感器,以保證動車高速運行的安全性。

TX-65吸污車樣機研制完成后,與96型鋼軌打磨車配合使用。由于作業的天窗時間有限,當吸污車作業速度大于6 km/h時,不能一次吸凈污物,會有部分污物殘留,吸污性能的效果與使用需求方面有較大差距。為解決此問題,本文從工作裝置結構和設計參數等方面分析原因并進行結構優化改進。

1 吸污車工作原理和吸污能力

1.1 主要構造和工作原理

圖1為TX-65吸污車外觀圖。吸污車由吹吸裝置(主要工作裝置)、集塵裝置、前后轉向架、吹風風機、吸風風機、發動機、液壓系統、空氣制動及氣動系統、液壓油箱、柴油箱、發電機、電氣系統、司機室及主車架等組成。整機的動力傳動采用液壓傳動方式,發動機驅動液壓泵旋轉,為轉向架、吹噴風機及吸污風機提供動力,以驅動整車的走行和作業。設有前、后司機室,前、后司機室均可控制車輛向前或向后運行,且無論向前或向后均可實現作業。

圖1 TX-65吸污車外觀圖

吸污車的作業原理是通過吹風風機產生的高速吹噴氣流將道床表面的污物吹起,再由吸風風機形成的吸污氣流帶入集污裝置內,夾雜污物的氣流經沉降和過濾后排放到空氣中,從而達到清潔鐵路軌道的目的[1]。

1.2 吸污能力設定

吸污車的設計吸污能力設定為可清除最大粒徑不低于3 mm的石子以及鋼軌打磨下來的散狀磨屑。對3 mm粒徑的污物,在作業區受到氣流作用的最小浮力為:

(1)

式中:

ρ1——空氣密度;

v——氣流速度;

D——污物顆粒的當量直徑,取D=3 mm。

污物顆粒所受重力大小為

(2)

式中:

ρ2——污物顆粒的密度，由于鋼軌打磨產生的鐵屑密度比普通泥沙、石子密度更大,計算污物顆粒所受重力時取密度為7.9×103kg/m3的鐵屑密度；

g——重力加速度。

由于污物顆粒在吹吸裝置的工作區域內主要受到重力和氣流浮力的作用,根據式(1)、(2)計算結果,表明粒徑3 mm的鐵屑浮力大于重力,將在氣流的作用下浮起并被吸入集塵器中。且D越小,重力相對減小得更快,因此小于3 mm的顆粒在吸污車作業時可以很容易被清除。

2 吸污性能不足的原因

2.1 吸風風機轉速不足

為滿足吸污車的作業性能,吸風風機的最低作業轉速需滿足2500±20 r/min。對吸污車的實際作業轉速進行了現場測試,結果顯示吸風風機的最高轉速只能達到2 325 r/min,沒有達到設計要求的轉速,氣流對灰塵的作用力將大大減小,不利于吸塵作業的進行。

2.2 吹風風量不足

吸污車作業的過程中,利用吹風的高速氣流將灰塵吹離道床是最重要的環節,當灰塵離開道床面處于懸浮狀態才能被有效吸走[2]。吹風風量從吹風口出來到道床后,將會沿道床方向流動,吹風風量越大,灰塵被吹起的高度越高,越接近吸風口,則越容易被吸收[3]。通過現場測試,由于吸污車整機功率的限制,消耗功率約為75 kW,理論吹風風量只能達到15 000 m3/h,不能滿足工作需要。

2.3 吹風口與道床板距離過大

吸污車吹風口位置距道床板約為270 mm,氣流從吹風口出來后到道床板的過程中,將會產生很大的衰減,實際到道床面的風速大大減小,極大地影響吸污效率,為了提高吸污效率需要吹風口距離道床板越近越好。

3 優化改進措施

3.1 提高吹風風機轉速

液壓泵排量采用模塊控制,手柄可以控制輸入電流的大小,最初設定液壓泵的最大輸入電流為485 mA。通過現場實際測試,將最大輸入電流提高到512 mA時,吹風風機的轉速即馬達的轉速達到了2 480 r/min,基本滿足目標要求。

3.2 優化供風方式

按原設計要求,吹風風量全部由吹風風機提供。受吸污車整機功率的限制,無法通過增加吹風風機的數量或提高吹風風機功率的方式來提高吹風風量。為解決此問題,改變過去將吹風風機產生的風量平分供給兩側吹嘴的做法,而是將吹風機的風量僅供給一側吹嘴,另一側吹嘴的供風來自于吸風機排風,其工作原理如圖2所示。

圖2 循環式吹吸風工作原理示意圖

這種循環式吹吸裝置將吸風機排放的風量利用起來,一部分引至吹嘴作為吹風使用,另一部分通過風門排放到大氣中。通過調節風門開啟的大小,可控制排放至大氣中的風量,從而調節吹風的風量和風速,以達到合適的吹風效果[4-5]。根據吸風風機及整車結構,重新設計通風管道,通過測試可知，吹風的風量增加到了55 000 m3/h。

3.3 改進吹風口的結構

在吹風管道等剛性件不低于軌面的情況下,為使吹風口的出口低于軌面,采用加裝一段橡膠軟管的方式來實現。橡膠軟管安裝后其結構如圖3所示。

通過改進,在保證出口風速的前提下,將吹風的出口延長到軌面以下50 mm處。由于橡膠軟管的柔性非常好,碰到障礙物時變形不至于碰壞線路上的部件,無障礙物時又可恢復到原來的狀態,故具有非常好的實用性。

圖3 改進后吹風口結構

4 試驗驗證及對比

4.1 不同污物類型和體積大小的吸污能力試驗

為了驗證吸污車優化改進后的吸污能力,選取一段廠內有砟軌道線路,在鋼軌下方鋪設了木板,用來模擬無砟軌道的情況進行試驗。試驗時考慮測試吸污車對不同污物和污物體積大小的吸收能力差異,設置A、B、C、D、E和F六個區域,分別放置小石子顆粒、鋸屑顆粒、磨屑顆粒、細沙顆粒、泥土顆粒、銑屑顆粒,如圖4所示。

圖4 作業性能試驗分區

試驗材料經過篩選,對不同體積大小的顆粒和混合體作對比試驗,其中混合體是指0～1 mm、1～2 mm、2～3 mm、3～10 mm 4種不同粒徑按1∶1∶1∶1比例構成的混合污物(由于粒徑為3～10 mm細沙不常見,試驗時未對其采樣)。當作業速度6 km/h時,改進前后的試驗結果統計對比如表1所示。

試驗結果表明,改進后各類污物吸收效果有大幅度提升。實際吸污能力為:對粒徑3 mm以下的污物,吸收能力達到100%;對粒徑3～10 mm的污物雖然視粒徑的不同仍會有6%以內的顆粒殘留,但其性能已經有了極大的提升。F區域內放置的銑屑吸收效果優于密度小的石子沙粒,主要是由于其呈卷曲狀,粒徑雖較大但非實心,易于吹起并吸入風口。

表1 改進前后吸污效果調查統計

4.2 不同區域的吸污能力試驗

由于吹吸裝置的結構及布置,鋼軌內、外側和道床中間不同區域位置的吸污效果有所差異。試驗作業情況為：吸污車在標準的無砟軌道線路作業,試驗對象為普通碎石、沙粒以及鋼軌打磨作業后殘留的散狀磨屑和片狀聚集磨屑,試驗材料未經篩選,以自然狀態分布于道床表面。試驗作業前后對比如圖5所示。

從試驗結果來看,作業后整體道床表面基本處理干凈,鋼軌和扣件周邊污物無殘留,只在道床中間位置的水溝槽縫隙處有極少量殘留顆粒,其原因是兩側吹風氣流相互影響導致。若是僅通過人工清掃,不僅勞動量大、效率低下,而且鋼軌和扣件周邊、水溝槽內的磨粉和沙粒基本無法清理,電纜兩側和道床外側也都有大量殘留鐵屑,無法滿足高速鐵路高速運行的需要。

5 結語

(1) 通過提高吹風風機轉速、優化供風方式以增加吹風風量和改進吹風口結構這三項措施,可有效提高吸污工作性能,滿足設計需求。當作業速度在6 km/h左右時,基本能夠吸凈道床表面散狀分布的石子顆粒、鋸削鐵屑顆粒、打磨鐵粉顆粒、含塵砂子顆粒、泥土顆粒以及銑屑顆粒。通過優化改進,10 mm以下粒徑混合污物的吸收率能提升5%～20%。

(2) 作業速度越慢,吸污效果越好。軌道表面沉積污物越厚,特別是當污物板結時,一次性吸凈所需的速度越慢,需要降低作業速度或者多次作業才能吸凈。

(3) 兩側吹風氣流相互影響,導致道床中間位置的水溝槽縫隙處有極少量殘留顆粒,道床表面其他位置吸污效果良好,今后可通過進一步優化吹吸風口結構布置加以改善。

[1] 郭關柱.新型軌道吸污裝置吸污能力研究[J].中國鐵道科學,2012,33(3):76.

[2] 李戰軍,鄭炳旭.塵粒起動機理的初步研究[J].爆破,2003,20(4):17.

[3] 史天亮.鐵路道床吸污車吸塵機理分析及吸塵效果數值模[J].鐵道建筑,2014(4):135.

[4] 郭關柱.吸風循環式軌道吸污裝置的吸污能力及能耗研究[J].中國鐵道科學,2013,34(5):108.

[5] 陳忠基,吳曉元,徐廣譜,等.路面清掃車吸嘴裝置的實驗研究[J].同濟大學學報(自然科學版),2001,29(12):1483.

Optimization and Test of the Dust Absorption of Railway Ballast Bed Cleaning Truck

ZHANG Ling, SHI Tianliang

In line with the defects that the dust absorption of TX65railway ballast bed cleaning truck is insufficient, through investigation to the structure and design parameters of the truck, the main reasons are analyzed and corresponding measuressare taken.The test results provethat these measures can effectively improve the performance of dust absorption,to dusts with diameter less than 3 mm, the absorption rate has reached 100%, while to diameter less than 10 mm mixed with other materials, the absorption capability also increases to about 5%～20%.

railway ballast bed; cleaning vehicle; dust absorption capability; structure optimization

U216.6

10.16037/j.1007-869x.2016.08.019

2014-11-03)