火車廂清掃車及其吸嘴的設(shè)計研究

摘要：提出并定義了火車廂清掃車產(chǎn)品，設(shè)計開發(fā)了一款火車廂清掃車。首先，通過對火車廂及余料特性的研究分析，設(shè)定了火車廂清掃車整車的目標(biāo)參數(shù)，并進(jìn)行了整車結(jié)構(gòu)設(shè)計。其次，針對火車廂清掃寬度和風(fēng)道布置結(jié)構(gòu)，設(shè)計了三種結(jié)構(gòu)吸嘴，通過仿真分析，得出倒錐體單管吸嘴是最優(yōu)結(jié)構(gòu)的吸嘴。最后，通過樣車試驗驗證了火車廂清掃車實際工作的功能、性能參數(shù)和可行性，該產(chǎn)品具有操作簡便、清掃作業(yè)效率高、清掃干凈、安全可靠、連續(xù)作業(yè)時間長等優(yōu)點，可實現(xiàn)火車廂機(jī)械化清掃，該產(chǎn)品的推廣和應(yīng)用對鐵路物流產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：火車廂清掃車；氣力輸送系統(tǒng)；火車廂余料清掃；清掃裝置；吸嘴；仿真分析

中圖分類號：U462 收稿日期：2024-01-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.014

1 前言

隨著我國“公轉(zhuǎn)鐵”政策和共建“一帶一路”倡議的不斷深入推進(jìn)實施，鐵路物流已成為未來物流發(fā)展的重要組成部分。港口貨物周轉(zhuǎn)量逐年增加，海運進(jìn)港的煤炭和礦石等松散貨物主要通過鐵路運送到內(nèi)地，火車裝卸的工作量也越來越大。近年來，為了防止火車廂內(nèi)余料在車廂高速周轉(zhuǎn)過程中被吹入到大氣中污染環(huán)境，同時也為了避免不同貨料混摻引起客戶投訴，鐵路部門要求火車卸料后和裝車前的車廂都需要進(jìn)行余料清掃收集處理工作，因此火車廂清掃工作量也逐年增加。

目前，港口用于火車廂余料清掃的設(shè)備較少，主要還是靠人工清掃。由于火車車廂較高而且四周封閉，人工清掃火車廂余料需要經(jīng)過剪斷側(cè)門固定鐵絲打開側(cè)門、爬入車廂清掃出余料、爬出車廂、重新關(guān)側(cè)門、綁鐵絲、打密封膠堵門縫等多道工序。人工清掃火車廂余料存在工作量大、勞動強(qiáng)度高kOLY+ALjk7si9I2+41nGrk6gw7eemhhJ47JJDrJJm78=、清掃作業(yè)時間長、效率低、清掃不干凈、人員爬上爬下安全風(fēng)險大等問題。因此，研制出機(jī)械化、高效率的火車廂清掃車對鐵路物流產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。

為了解決上述難題，本文結(jié)合火車廂余料清掃作業(yè)要求，設(shè)計開發(fā)了一款火車廂清掃車。該清掃車實現(xiàn)了火車貨廂底部殘留余料的機(jī)械清掃和收集，操作簡便，清掃作業(yè)效率高，清掃干凈，安全可靠，連續(xù)作業(yè)時間長。

2 火車廂及余料物料特性

港口散料貨物周轉(zhuǎn)運輸?shù)幕疖噹且环N敞車。敞車是指具有端墻、側(cè)墻、地板而無頂蓋的貨車，主要用于煤炭、礦石、礦山建筑材料、木材、鋼材等大宗貨物的運輸[1]。現(xiàn)在我國約有敞車35萬輛，占貨車總量的56％，運貨量占總運貨量的64％[2]。車廂余煤量主要取決于敞車卸車方式。國內(nèi)常見的機(jī)械化鐵路敞車卸車設(shè)備主要有翻車機(jī)、螺旋卸車機(jī)、鏈斗式卸車機(jī)、垂直螺旋卸車機(jī)、門式抓斗吊以及底開門自卸車等[3]。翻車機(jī)卸車機(jī)械化程度高，卸車能力強(qiáng)，每小時卸車32～36節(jié)，車底余料量少，易于實現(xiàn)機(jī)械化清掃。本文主要針對港口自動翻車機(jī)卸料后的火車廂進(jìn)行研究，經(jīng)過調(diào)研分析，火車廂及余料物理特性參數(shù)如表1所示。

3 火車廂清掃車結(jié)構(gòu)原理

3.1 火車廂清掃車產(chǎn)品定義

火車廂清掃車（freight-car sweeper truck）是裝備有清水箱、垃圾箱、清掃裝置、除塵系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、動力系統(tǒng)、高壓水路系統(tǒng)等專用裝置，配備作業(yè)狀態(tài)下閃爍的黃色標(biāo)志燈，用于火車貨廂余料機(jī)械化清掃作業(yè)的作業(yè)類專用汽車。

3.2 火車廂清掃車結(jié)構(gòu)組成

本文所設(shè)計的火車廂清掃車結(jié)構(gòu)如圖1所示，該車主要包括汽車底盤、副車架、清水箱、副發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、氣力輸送系統(tǒng)、清掃裝置、擺臂回轉(zhuǎn)升降裝置、噴淋除塵系統(tǒng)、液壓電控系統(tǒng)和高壓水路系統(tǒng)等10大系統(tǒng)組成。其中，氣力輸送系統(tǒng)是火車廂清掃車的核心系統(tǒng)，主要包括垃圾箱、高壓離心風(fēng)機(jī)、吸嘴和風(fēng)道等四部分。

3.3 火車廂清掃車工作原理

本文所設(shè)計的火車廂清掃車的主要工作任務(wù)是將列車所有火車廂內(nèi)的余料清掃收集轉(zhuǎn)運到指定位置，由于自動翻車機(jī)卸料后的火車廂余料殘留量少，主要分布在火車廂底部四周，適合清掃抽吸方式作業(yè)。因此，火車廂清掃車采用吸送式的氣力輸送系統(tǒng)，通過副發(fā)動機(jī)驅(qū)動高壓離心風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)使垃圾箱腔體產(chǎn)生高負(fù)壓和大流量，并通過風(fēng)道和吸嘴將火車廂內(nèi)的余料收集吸拾到垃圾箱中。

火車廂清掃作業(yè)時，司機(jī)駕駛車輛駛?cè)氲酱鍜呋疖噹髠?cè)后方，通過操控液壓電控系統(tǒng)控制擺臂回轉(zhuǎn)升降裝置右擺90°后自動上升指定高度，如圖2所示。司機(jī)駕駛車輛向前行駛到作業(yè)位置，按下面板自動作業(yè)按鈕，擺臂回轉(zhuǎn)升降裝置下降到火車廂內(nèi)部底部，掃盤自動旋轉(zhuǎn)并向外展開，如圖3所示。司機(jī)駕駛車輛向前行駛進(jìn)行火車廂清掃作業(yè)，高速旋轉(zhuǎn)的掃盤不斷地將火車廂兩側(cè)及墻角處的余料向中間匯集到吸嘴前方，進(jìn)入到吸嘴的余料被高速氣流輸送到垃圾箱內(nèi)，如圖4所示。單廂清掃完成后，掃盤自動內(nèi)收，擺臂回轉(zhuǎn)升降裝置上升到指定高度，進(jìn)入下一節(jié)車廂清掃作業(yè)，清掃作業(yè)完成后或垃圾箱滿箱時，司機(jī)駕駛車輛到指定卸料位置，打開后門，舉升箱體卸料。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

4.1 整車性能目標(biāo)參數(shù)設(shè)定

根據(jù)客戶需求和火車廂及余料物理特性參數(shù)設(shè)置了火車廂清掃車整車性能目標(biāo)參數(shù)值，如表2所示。

4.2 整車結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)火車廂清掃車整車性能目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了整車總布置和各系統(tǒng)的匹配計算，選用總質(zhì)量18 000 kg、軸距5 100 mm奧馳底盤，康明斯QSB5.9-C210副發(fā)動機(jī)，并在UG NX軟件中進(jìn)行了整車及各系零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計，得到如圖5所示的火車廂清掃車整車三維模型。

4.3 吸嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真分析

吸嘴是火車廂清掃車氣力輸送系統(tǒng)中最為核心的部件，火車廂內(nèi)的余料都要經(jīng)過吸嘴吸拾收集到垃圾箱中，因此，吸嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性直接影響了火車廂清掃車的清掃效果。目前清掃車行業(yè)主要有單管窄吸嘴和雙管寬吸嘴兩種主流吸嘴結(jié)構(gòu)。單管窄吸嘴適用于四掃清掃裝置。雙管寬吸嘴也存在吸嘴工作過程中吸嘴中間部位垃圾容易殘余的問題，且當(dāng)垃圾量較大時，垃圾吸入耗時長甚至無法有效吸入[4]。由于火車廂清掃車清掃寬度大、風(fēng)道長，因此，結(jié)合火車廂清掃車清掃寬度與長風(fēng)道布置結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計了雙圓直管轉(zhuǎn)單圓直管吸嘴、雙圓斜管轉(zhuǎn)單圓管吸嘴和倒錐體單管吸嘴三種火車廂清掃車吸嘴結(jié)構(gòu)，如圖6所示，并通過對比分析選擇最優(yōu)吸嘴結(jié)構(gòu)。

a.余煤顆粒模型。

港口翻車機(jī)主要以卸煤為主，經(jīng)現(xiàn)場取樣分析，余煤粒徑0～10 mm占比90%，10～20 mm占比10%，為便于分析，余煤模型用5 mm占比90%和15 mm占比10%的兩種煤粉顆粒模型鋪設(shè)，分別如圖7和圖8所示，煤粉顆粒床厚度為10 mm，如圖9所示。

b.邊界條件設(shè)置及求解。

三種結(jié)構(gòu)吸嘴模型設(shè)置相同的工況和邊界條件，煤粉顆粒泊松比0.25，密度2 300 kg/m3，剪切模量10 MPa，恢復(fù)系數(shù)0.35，顆粒間靜摩擦因數(shù)0.32，顆粒間滾動摩擦因數(shù)0.05。車廂泊松比0.25，密度7850 kg/m3，剪切模量82.4 GPa，恢復(fù)系數(shù)0.5，與顆粒靜摩擦因數(shù)0.45，與顆粒滾動摩擦系數(shù)0.15。出口壓力設(shè)置-5 kPa，入口壓力為0 kPa，如圖10所示。

c.流場仿真結(jié)果及分析。

在相同工況和邊界條件下分析了三種結(jié)構(gòu)吸嘴的壓力、速度、流場、顆粒場的云圖，如圖11～圖14所示。并得出了三種結(jié)構(gòu)吸嘴的總壓損、風(fēng)量和風(fēng)速數(shù)據(jù)結(jié)果，如表3所示。

根據(jù)仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)得出，倒錐體單管吸嘴總壓降最小，風(fēng)量和風(fēng)速最大，煤粉收集最快且殘留最少，是最優(yōu)結(jié)構(gòu)的吸嘴。

5 樣車試驗

為了驗證火車廂清掃車實際工作的功能、性能參數(shù)和可行性是否滿足客戶需求和設(shè)計目標(biāo)，加工制造了火車廂清掃車試制樣車，并在嵐山港進(jìn)行了火車廂清掃試驗，如圖15和表4所示，樣車的功能滿足了客戶需求，整車性能參數(shù)滿足了目標(biāo)要求，并且產(chǎn)品已批量生產(chǎn)銷售使用，如圖16、圖17所示。

6 結(jié)語

通過對客戶需求和火車廂及余料特性的研究分析，提出了火車廂清掃車的產(chǎn)品定義，設(shè)定了火車廂清掃車整車的目標(biāo)參數(shù)，進(jìn)行了整車結(jié)構(gòu)設(shè)計和吸嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真分析，并通過驗車試驗驗證了整車的功能和性能，產(chǎn)品滿足客戶和設(shè)計要求。該產(chǎn)品操作簡便，清掃作業(yè)效率高，清掃干凈，安全可靠，連續(xù)作業(yè)時間長，實現(xiàn)了火車廂機(jī)械化清掃，解決了人工清掃工作量大、勞動強(qiáng)度高、耗時長、效率低、清掃不干凈、用工成本高、嚴(yán)寒酷暑爬車作業(yè)安全風(fēng)險等難題。該火車廂清掃車的推廣和應(yīng)用對鐵路物流產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉洋.C70E型通用敞車車體性能分析及優(yōu)化[D].大連：大連交通大學(xué)，2019.

[2]何華，陳興強(qiáng)，劉春景.基于顆粒流理論的敞車靜側(cè)壓力研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報，2018，35（5）：17-21.

[3]張道于，劉克強(qiáng)，趙昆.鐵路敞車散料卸車工藝比選與分析[J].中國設(shè)備工程，2020（22）：88-91.

[4]柳超.基于多目標(biāo)優(yōu)化的清掃車輛吸嘴輕量化研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2017.

作者簡介：

相茂國，男，1988年生，工程師，研究方向為環(huán)衛(wèi)車產(chǎn)品研發(fā)、技術(shù)管理。