鐵路駝峰調(diào)車場氣動系統(tǒng)儲氣罐設(shè)置方案探討

孫驥

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司設(shè)備處，湖北 武漢 430063）

為了提高鐵路調(diào)車效率，減少勞動強(qiáng)度，鐵路往往設(shè)置駝峰調(diào)車場進(jìn)行車輛溜放調(diào)車。鐵路駝峰調(diào)車場中采用氣動系統(tǒng)控制減速器和轉(zhuǎn)轍機(jī)動作。為了減弱活塞式空壓機(jī)排出的周期性脈動氣流、穩(wěn)定壓縮空氣管道壓力以及故障停電時用氣量冗余設(shè)計，氣動系統(tǒng)中儲氣罐的設(shè)置至關(guān)重要。

然而實(shí)際工程中減速器動作會引起管道內(nèi)壓縮空氣壓力下降，儲氣罐設(shè)置不合理可能會導(dǎo)致減速器動作不及時或者不動作，會嚴(yán)重影響溜放車輛的制動效果，造成車輛延誤，危及行車安全。工程項(xiàng)目中往往根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行儲氣罐的配置，但一旦遇到工況復(fù)雜或者氣動系統(tǒng)改造工程時尚無經(jīng)驗(yàn)可循，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計無法滿足用戶需求，嚴(yán)重制約技術(shù)發(fā)展，因此本文從流體力學(xué)理論出發(fā)，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目對儲氣罐設(shè)置進(jìn)行詳細(xì)分析，提出調(diào)車場氣動系統(tǒng)儲氣罐設(shè)置可行性方案。

1 理論分析

1.1 基本理論

在鐵路駝峰調(diào)車場氣動系統(tǒng)中，氣動利用壓縮空氣作為動力源，氣動系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、儲氣罐、管路、控制閥、各種輔助裝置以及氣動減速器組成。儲氣罐的作用為穩(wěn)定壓縮空氣管道的壓力、減弱活塞式空壓機(jī)排出的周期性脈動氣流、在壓縮機(jī)因故障或停電時能供給正在溜放中峰頂已摘鉤的車輛的全部用氣量。

在車輛溜放制動過程中，需給制動器充氣，充氣過程中管路中空氣流動產(chǎn)生壓力損失。一旦減速器獲得實(shí)際壓力低于最低工作壓力時，減速器就會動作不及時或者不動作。因此儲氣罐的設(shè)置方案主要取決于空氣管路中的壓力損失，即儲氣罐正常工作壓力與末端制動器最低工作壓力之差必須大于管道壓力損失才能保證氣動系統(tǒng)的正常工作。

管路系統(tǒng)中的壓力損失主要由兩大部分組成：管道沿程壓力損失ΔPL、管道各節(jié)點(diǎn)壓力局部損失Δ Pr，即：

1.2 管道沿程壓力損失

管道所有的沿程壓力損失為：

介質(zhì)重度與空氣密度有關(guān)，為： γ重= ρg

ρ 為空氣密度，kg/m3，在1.0MPa 情況下取11.691kg/m3。

摩擦阻力系數(shù)λ，決定于雷諾數(shù) Re及管道內(nèi)表面的粗糙度，雷諾數(shù)：

式中： Re為雷諾數(shù)；ν 為管道內(nèi)介質(zhì)流速，m/s； γ粘為運(yùn)動粘度，m2/s2。

1.3 管路各節(jié)點(diǎn)壓力局部損失

管道所有局部壓力損失

ΔrP 為管道局部壓力損失，N/m2；ξ 為局部阻力系數(shù)；ν為管內(nèi)介質(zhì)流速，m/s；γ重為介質(zhì)重度，N/m3。

各種管道系統(tǒng)的局部阻力系數(shù)很復(fù)雜，一般在實(shí)際工程設(shè)計中，以某個局部阻力相當(dāng)于若干米支線管段的阻力，然后按普通直線管段阻力的公式來進(jìn)行計算。

壓縮空壓管道局部阻力的當(dāng)量長度當(dāng)L （單位：m）如表1。

表1 局部阻力當(dāng)量長度 m

鐵路駝峰調(diào)車場氣動系統(tǒng)工程實(shí)際中，閘閥、分流管、焊接異徑管、引出支管直通管、小于90°光滑彎管較多。

從上述理論分析來看，首先需要獲取駝峰氣動系統(tǒng)邊界條件和局部阻力損失，可以計算出管路沿程損失的最大值。然后獲取沿程損失的基本參數(shù)，可計算出儲氣罐之間的最小間距。最后結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際地形和工況進(jìn)行儲氣罐的合理設(shè)置。

2 實(shí)際工程應(yīng)用

不同工程工況不同，本文以廣州平湖南編組站駝峰進(jìn)行研究分析。

一般儲氣罐最低工作壓力為0.75MPa，廣州平湖南編組站駝峰氣動系統(tǒng)儲氣罐和空壓機(jī)的工作壓力均選定為1.0MPa。鐵路駝峰調(diào)車場的目的制動設(shè)備和間隔制動設(shè)備一般選用T·JK 型車輛減速器。該種減速器額定工作壓力為0.8MPa，最低工作壓力為0.6MPa。

為了得到2.2 管道局部壓力損失，需將氣動系統(tǒng)管路有局部阻力的設(shè)備設(shè)置位置進(jìn)行定義，如表2 所示。

表2 氣動系統(tǒng)管路包含局部阻力損失的設(shè)備

經(jīng)調(diào)查，廣州平湖南編組站設(shè)備及其工況統(tǒng)計如表3。

表3

一般情況下管道計算是根據(jù)管道內(nèi)最大流量及選定的流速計算管徑，再用求得的管徑來算壓力降，使得壓力降控制在允許范圍內(nèi)。如果超過允許范圍，可以擴(kuò)大管徑來降低流速，進(jìn)行調(diào)整。

管道內(nèi)徑計算公式：

式中：d 為管道內(nèi)徑，mm；G 為管道內(nèi)介質(zhì)的重量流量，N/h；V 為管道內(nèi)介質(zhì)的流速，m/s。

由于介質(zhì)流速是影響壓力損失的重要因素，因此在工程設(shè)計中推薦空氣管道介質(zhì)流速為8 ～15m/s。

在工程設(shè)計中，管道直徑往往先根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選取，然后驗(yàn)算壓力降。壓縮空氣管道直徑推薦表見表4 所示。

表4 壓縮空氣管道直徑推薦表

工程設(shè)計過程中，管道直徑選用越大，壓力損失越小。因此建議主送器管道選用Dn125，減速器用空氣管道Dn100，電控轉(zhuǎn)轍機(jī)用管道Dn40。

同時，實(shí)際工程中減速器用空氣管道和電控轉(zhuǎn)轍機(jī)用管道往往僅在設(shè)備末端才會使用，數(shù)量較多，長度不一，但一般小于10m，所以本次計算過程中考慮僅按Dn125 主送管道來計算全程的壓力損失。

實(shí)際計算過程：

但根據(jù)2.2 管路各節(jié)點(diǎn)壓力局部損失，局部損失可以轉(zhuǎn)換成當(dāng)量長度 L當(dāng)，因此式（8）可換算成式（9）：

根據(jù)上述研究的理論數(shù)據(jù)見表5 所示。

表5 主要參數(shù)數(shù)值

將表5 參數(shù)納入式（9）中計算得：L ≤273m。

即兩個儲氣罐之間的間距不得超過273m。

此外根據(jù)儲氣罐布置需遵循以下要求：（1）儲氣罐棚選址不得影響信號樓觀察車場的視線和工作人員的瞭望。（2）根據(jù)氣動系統(tǒng)原理，空壓機(jī)出氣時需先進(jìn)入儲氣罐內(nèi)，因此空壓站旁需設(shè)置儲氣罐棚1 處。

最終得到平湖南編組站駝峰氣動系統(tǒng)的儲氣罐布置方案為：壓縮空氣站設(shè)置于目的制動位東側(cè)，在壓縮空氣站內(nèi)設(shè)置1#儲氣罐1 處。在目的制動位西側(cè)設(shè)2#儲氣罐，在間接制動位即信號樓旁設(shè)3#儲氣罐。三個儲氣罐棚之間的管道長度如表6 所示。

表6

平湖南編組站駝峰氣動系統(tǒng)儲氣罐布置方案圖如圖1。

圖1 平湖南編組站駝峰氣動系統(tǒng)儲氣罐布置方案

3 結(jié)語

本文結(jié)合了鐵路駝峰調(diào)車場氣動系統(tǒng)的工況，通過理論分析，建立了管路詳細(xì)數(shù)學(xué)模型，對輸送管路的壓力損失進(jìn)行計算和研究，從而選擇最合適的儲氣罐設(shè)置方案，在工程實(shí)例中儲氣罐的配置位置合理，滿足實(shí)際運(yùn)營要求。