GMC-96B 鋼軌打磨車新型集塵裝置設計研究

劉大龍 楊 全 趙宇晨

（1.中國鐵路成都局集團有限公司，成都 610051；2.株洲時代電子技術有限公司，株洲 412001）

GMC-96B 型鋼軌打磨列車由6 節作業車和1 節動力車組成。每節作業車上均設置有2 套集塵裝置，與車下的2 套打磨裝置相對應[1]。集塵裝置安裝在整車車廂內部，通過集塵風道與打磨裝置相連。打磨作業時，集塵裝置通過抽吸含有打磨粉塵的空氣，經過濾介質過濾后由出風口排出潔凈空氣，實現粉塵收集。同時，集塵裝置不斷帶走打磨裝置內部的高溫空氣，有助于裝置內部的通風散熱，防止內部元器件超溫損壞。

1 布袋式集塵裝置存在的問題

現行的GMC-96B 型打磨車采用布袋式集塵裝置（見圖1），主要由金屬進氣管路、集塵過濾箱和反吹控制設備、風機等結構構成[2]。集塵過濾箱內安裝有扁平布袋作為過濾介質，過濾箱外側安裝有風機，使集塵箱內產生負壓。在應用過程中，發現布袋式集塵裝置存在以下4 個問題。

圖1 布袋式集塵裝置

第一，通風量低。布袋式集塵裝置濾料粗糙，透氣性差，容易附著粉塵造成堵塞。集塵裝置對打磨區域通風散熱效果差，導致打磨小車內部器件故障率高。

第二，集塵效果差。集塵裝置負壓低，粉塵收集效率低，集塵效果不良。濾袋過濾效率相對較低，系統阻力較大，通風效果相對較差。隨著環境保護的日益嚴格，對過濾效果提出更高的要求。

第三，保養排灰勞動量大。原布袋式集塵裝置排灰為人工方式，在車上通過手持鏟斗將集塵箱內底部灰斗的粉塵裝入編織袋，然后人工搬運至車下進行集中處理，工作強度高，勞動量大，排灰十分不便。

第四，檢修與維護的難度較大。該裝置內布置的扁布袋數量高達162 個，濾袋和框架在工作和反吹過程中出現吸氣和鼓脹，相互間的摩擦造成過濾材料的頻繁損壞。更換過濾袋不僅費時費力，而且會造成二次污染。

通過現有集塵裝置應用過程中存在的問題，結合實際需求設計了一種適用于GMC-96B 型鋼軌打磨車的新型濾筒型集塵裝置，對關鍵部件結構組成進行詳細設計，并通過關鍵子系統分析計算和仿真分析保障集塵裝置結構性能的有效性和可靠性[3]。該濾筒型集塵裝置在通風、集塵效果、檢修及維護保養等方面的性能得到大幅提升，同時滿足GMC-96B 打磨車的各項技術要求，具有推廣應用價值。

2 新型集塵裝置方案設計

濾筒式過濾結構的過濾材料細密、結構間隙小，粉塵無法深入濾料內層。而濾袋材質較為松散，依靠濾袋外表面構筑塵膜來維持集塵裝置的效能，更易導致濾袋阻塞。相較于布袋式，濾筒式結構具有以下優點。第一，取消原有布袋過濾形式，采用濾筒結構形式，過濾精度更高。第二，濾筒通風面積大，系統阻力小，自清潔性能好，不易堵塞。第三，實際通風量大，保證及時排出打磨系統產生的熱量。第四，集塵裝置濾筒數量遠少于布袋數量，維護及更換操作更加簡單便捷。第五，優化排灰機構，增加螺旋電動排灰裝置，可以實現自動排灰，降低保養勞動量。因此，新型集塵裝置選用濾筒式結構。該裝置主要由風機、過濾箱、排灰系統和反吹系統等組成，如圖2 所示。

圖2 新型集塵裝置結構

新型集塵裝置的原理如圖3 所示。集塵裝置中，風機通過電機驅動離心風機葉片高速旋轉，使箱體及輸送管道內形成負壓。打磨過程中，裝置產生的火花和粉塵通過吸塵管道和火花捕捉器被吸入箱體。粉塵被阻擋在濾筒外表面，部分通過自重掉落，部分吸附于濾筒表面。通過氣體的脈沖反吹，粉塵落入箱體下部的灰斗，潔凈氣體則通過鐵屑箱的排氣窗口排出車體。粉塵進入灰斗后，集塵裝置將粉塵從螺旋運輸機的一邊卸走，最終實現對研磨粉塵的清理和收集。集塵箱體側面設有多個便捷式檢修門，操作工人可以通過檢修門對濾筒進行保養和更換。

圖3 新型集塵裝置的原理

3 關鍵子系統設計與計算

3.1 過濾系統

過濾系統主要由集塵箱體和濾筒組成，箱體為鋼制，位于反吹腔室的下方，具有高效、密封、強度與剛度兼容的特性。濾筒垂直安裝在花板上，3 排4 列共12 個。濾筒過濾材料滿足《機車車輛用材料阻燃技術要求》（TB/T 3138—2018）的難燃級要求。集塵箱內應設置溫度傳感器，報警溫度與濾材的最高耐溫匹配。當集塵箱內的溫度高于設定溫度時，系統及時反饋報警信號，避免裝置超溫工作。同時，進風管道上設置火花捕捉器結構，防止火花直接進入集塵箱。

3.2 壓強損失計算

系統阻力可用指流體進入系統內部經過濾系統后，由出口流出造成的進出風口壓強差值表示[4]。集塵箱體阻力主要包括濾料的阻力和濾料表面堆積粉塵層的阻力兩部分，表達式為

式中：ΔPc為濾料阻力，Pa；ΔPd為濾料表面堆積粉塵層的阻力，Pa。

濾料阻力為

式中：ξ為濾料阻力系數；μ為氣體黏度，kg·m-1·s-1；Vf為過濾速度，m·s-1。

濾料表面堆積粉塵層的阻力為

式中：α為堆積粉塵層平均比阻力；m為濾料上堆積粉塵負荷。

根據式（1）～式（3）可以計算得到，原布袋式集塵裝置壓強損失為1 533 Pa，新型濾筒式集塵裝置的壓強損失為490 Pa，壓強損失降低68%。

3.3 反吹系統

反吹系統主要包括脈沖控制器、氣包、電磁脈沖閥、噴吹管和噴吹孔。集塵裝置的通風阻力隨濾筒表面粉塵層厚度的增加而增大，阻力達到一定值時應進行清灰。脈沖控制器控制脈沖閥開啟，此時氣包內的壓縮空氣通過脈沖閥經噴吹管上的噴吹孔，噴射一股高速高壓的氣流進入濾筒，濾筒內出現瞬間正壓，使沉積在濾筒外表面的粉塵脫落[5-6]。

3.4 排灰裝置

收集的打磨粉塵沉降到下部帶有螺旋輸送器的集塵箱內。螺旋輸送器應便于排除收集的粉塵和自身的日常保養、檢修。螺旋輸送器主要由驅動裝置、旋轉螺旋軸、軸承、料槽和進出料口組成，其中驅動裝置選用減速電機[7]。它依靠旋轉螺旋軸上的螺旋葉片在槽內不停轉動，使粉塵沿水平方向運動[8]。

4 仿真分析與風量核算

4.1 風道流場分析計算

集塵裝置采用圓柱形風道連接車下打磨裝置，為保證吸塵散熱的均勻性，對集塵風道內部流場進行分析計算。集塵風量為10 000 m3·h-1，分別定義風道出風口與2 個進風口，分析結果如圖4 和圖5 所示。

圖4 風道壓強分布云圖

圖5 風道速度分布云圖

離心風機風量為10 000 m3·h-1時，吸塵管道左右口風量分配情況：左側管道流量為2.02 kg·s-1，右側管道流量為1.32 kg·s-1，左側吸塵管道分支因管道存在彎區且距出風口遠，相比右側吸風量小。從圖4可以看出，兩直管壓強差異較大。針對風道流場分布不均勻問題，為保證吸風量的均勻性，拆分集塵風道進風口，優化改進風道結構。

4.2 集塵裝置風量核算

由于打磨車集塵裝置安裝空間有限，為選取適配風機，分別分析10 000 m3·h-1、15 000 m3·h-1兩種風量下的打磨裝置內部流場，對比結果如圖6 所示。分析小車高度相同的截面位置，分別提取3 點位置處的壓強進行對比，結果如表1 所示。

表1 不同通風風量壓強結果對比 單位：Pa

圖6 不同通風風量吸力分析對比

根據分析結果可知，打磨裝置內部流場較均勻，將風量從10 000 m3·h-1提升至15 000 m3·h-1，相同高度下打磨裝置內部粉塵吸力可提高1 倍。

5 結語

根據GMC-96B 鋼軌打磨車集塵裝置在使用過程中存在的問題，設計一款新型集塵裝置。它具有過濾精度高、效率高、壽命長、過濾面積大、體積小、壓損小、質量輕和便于維護等優點。通過技術設計和分析計算可知，新型集塵裝置的性能相比原有集塵裝置具有顯著提升，能夠滿足GMC-96B 型鋼軌打磨車的使用需求，值得推廣應用。