集塵設備風機連接裝置的設計

袁 芬 張 明 李 彪 吳宏濤

中國北方車輛研究所 北京 100072

引言

隨著高速鐵路的發展,鐵路軌道的維修和維護也日益被重視。在鋼軌的使用過程中,鋼軌會出現肥邊、裂紋、振動等病害,鋼軌打磨車可以及時消除這些問題,保證軌道的的正常使用[1-3]。但在鋼軌打磨過程中會產生大量的高溫煙塵和鐵屑,若不及時收集,當機車高速運行時會將鐵屑卷起損壞列車上的傳感器件,粉塵也會附著在鐵路沿線的電器設備上,容易造成設備短路,影響行車安全,同時粉塵的擴散也會對環境帶來污染[4-5]。為及時收集鋼軌打磨后的灰塵并對灰塵進行過濾處理滿足排放的需求,集塵設備應運而生。在軌道集塵設備中風量是決定集塵設備過濾性能的一個關鍵指標。風量大小主要由動力源和風機性能決定。因此動力源和風機組成的風機裝置是集塵設備設計的重點之一。

軌道集塵設備不同于地面的除塵設備,其設計空間受到列車外型和安放位置的限制。在風機裝置中,一般采用電機驅動,如如李海濱[6]設計的GMC96B型鋼軌打磨列車專用的集塵裝置等。但在大風量集塵過濾裝置的設計中,動力源為液壓,需要選用液壓馬達驅動風機,由于空間所限液壓馬達和風機都要縱向布置。這在國內的集塵過濾裝置中還不多見,同時為了節約研制成本和維修成本、縮短研制周期和后期的維修周期,風機和液壓馬達需要選用國產件。由于液壓馬達在縱向布置時都只傳遞扭矩而不能承受軸向力,為此設計了一套風機縱向布置連接裝置。

1 風機安裝結構及要求

1.1 風機結構 風機將電機提供的動能轉變為風能,它所提供的壓力和風量決定整個集塵設備的工作性能。風機主要由渦殼、葉輪、導流罩等部分組成。電機帶動葉輪在渦殼內高速旋轉,葉輪上的葉片對風機內的流體做功,流體產生動能,并從葉輪周邊被拋出,甩到四周,形成高速高壓的氣體,最后以較高的速度被排出風機[7]。渦殼一方面保護葉輪,另一方面匯集葉輪出口氣流并引向風機出口,為提高風機效率,渦殼的外形一般采用阿基米德螺旋線或對數螺旋線；導流罩保證氣流能夠均勻而順暢的充滿葉輪進口,使氣流在流動過程中的損失能夠達到最小[8-9]。

1.2 風機在集塵設備中的安裝位置 在大風量集塵設備設計中,機車上動力源是液壓馬達,由于空間所限,馬達和風機組成的風機裝置需要縱向布置,如圖1所示。

圖1 某集塵裝置結構圖

集塵過濾裝置主要由進氣腔、過濾腔、風機裝置、反吹腔和集塵盒等組成。液壓泵和風機組成的風機裝置作為整個集塵過濾裝置的動力源,風機裝置工作時在集塵艙體內形成強大的負壓,保證進氣腔能夠及時吸收軌道打磨后的塵屑,并有效利用過濾腔內的濾芯完成氣體的過濾。在集塵過濾裝置的設計過程中,風機的選型和布置是集塵裝置的核心。風機裝置除了要縱向布置、滿足機車接口要求外,設計風量要達到7000～8400m3/h。

為了節約研制成本和維修成本、縮短研制周期和后期的維修周期,風機和液壓馬達選用國產件。經過性能匹配,選擇國產華德A2F28W2P1型液壓馬達和標準的5#風機。由于液壓馬達在縱向布置時都只傳遞扭矩而不能承受軸向力,為此設計了一套風機縱向布置連接裝置。

2 縱向布置連接裝置的設計

2.1 縱向布置連接裝置總體設計 連接裝置既要把馬達輸出的扭矩實時傳遞給風機,保證風機的有效運轉；同時又要把風機的重量以及葉片旋轉帶來軸向氣動力轉接出去。風機縱向連接裝置由旋轉系統和承載系統組成,裝置結構圖如圖2所示。

圖2 一種液壓馬達縱向布置的連接裝置

2.2 旋轉系統設計 旋轉系統是整個連接裝置的重要組成部分,承擔著將馬達輸出軸的扭矩實時傳遞給風機的重任。該系統由鍵轂套2、旋轉盤9、毛氈圈10、雙列角接觸球軸承6、旋轉套8組成。馬達輸出軸通過平鍵與鍵轂套2連接,鍵轂套2通過四方凸臺將馬達輸出扭矩傳遞給旋轉盤9,隨后通過緊固件,將扭矩傳遞到軸承套5,而軸承套5與葉輪通過緊固件連接,這樣馬達旋轉時可以有效帶動葉輪旋轉。

2.3 承載系統設計 承載系統是連接裝置的核心,它解決了如何將風機重量和渦輪旋轉產生的軸向氣動力轉接到風機渦殼上的問題。渦殼等連接裝置的重量由雙列角接觸球軸承6承擔,圓螺母12、止動墊圈11、馬達連接法蘭7凸臺,牢牢地將雙列角接觸球軸承6的內圈進行軸向固定,同時馬達連接法蘭通過緊固件與渦殼法蘭盤4連接,保證所有重量轉接到渦殼上[10]。

3 試驗情況

樣機生產完成后,對集塵過濾裝置進行性能試驗,同時增加可靠性試驗,集塵過濾裝置陸續運轉28h,最長連續運轉4h,風機運轉順暢,無機械摩擦及明顯發熱現象,艙體無任何振動,充分證明了該裝 置的可行性和可靠性。

在試驗過程中分別對系統供油壓力、風機轉速、風機出口速度、進行采樣,經過數據匯總后,如表1 所示。由表1 可以看出,在供油壓力至10 MPa,風機轉速至2580r/min時,風機出口風量達到7101.86m3/h,滿足設計要求。

表1 集塵過濾裝置性能試驗數據匯總表

4 結論

風機縱向連接裝置的設計為集塵裝置液壓馬達縱向布置找到了解決方案,并通過試驗驗證了結構的可靠性,保證了風機的正常運轉和風量要求。為在集塵裝置風機設計中使用國產液壓馬達和風機奠定了基礎,進一步降低風機裝置研制成本和時間,推動了我國軌道集塵裝置的研究水平和能力的提高。