機(jī)車車輛用車體空氣過濾器試驗(yàn)方法的研究

張曉芳, 施國(guó)友

(中車戚墅堰機(jī)車有限公司技術(shù)中心， 江蘇常州 213011)

隨著新一代干線機(jī)車技術(shù)含量和技術(shù)要求的逐步提高，尤其是大功率交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車和高速動(dòng)車組的飛速發(fā)展，機(jī)車車輛的可靠性要求日趨嚴(yán)格。作為關(guān)鍵電器、機(jī)械部件的防護(hù)環(huán)節(jié)，機(jī)車車輛通風(fēng)、空濾部件的性能不僅影響著受保護(hù)件的使用，而且對(duì)整車輔助功率的大小及效率都起著一定影響作用。為此，其應(yīng)用近幾年受到了各國(guó)鐵路裝備制造業(yè)的廣泛重視。

內(nèi)燃機(jī)車上普遍使用的傳統(tǒng)粗效旋流離心式空氣濾清器阻力大、無自凈能力，需要經(jīng)常清洗；而且由于自身外形尺寸的局限性，布局時(shí)占據(jù)空間大，給機(jī)車車輛總體布局帶來很多困難。尤其在一些風(fēng)沙較大地區(qū)運(yùn)用的機(jī)車上，這一現(xiàn)象尤為突出。而車體空氣過濾器，作為一種新型過濾器產(chǎn)品，通風(fēng)阻力小，阻水效率高，具有極強(qiáng)的氣候適應(yīng)性，既適合我國(guó)北方多風(fēng)沙、多冰雪的嚴(yán)寒地區(qū), 又適用于南方多雨地區(qū)。該產(chǎn)品在軌道車輛上已逐漸開始推廣使用。

目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)對(duì)車體空氣過濾器的過濾機(jī)理、流動(dòng)阻力特性和過濾效率也進(jìn)行了一定程度上的研究，但由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品提出的技術(shù)要求及驗(yàn)證方法仍存在一定的不明確性和差異性，這對(duì)產(chǎn)品性能、質(zhì)量的后期控制存在一定的難度。因此，進(jìn)一步明確國(guó)內(nèi)機(jī)車車輛用車體空氣過濾器的技術(shù)要求及適用的試驗(yàn)驗(yàn)證方法勢(shì)在必行。

1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)說明

空氣過濾器分為粗、中、高效3種等級(jí)，根據(jù)需要，可采用計(jì)重法、顆粒計(jì)數(shù)法等不同試驗(yàn)方法對(duì)不同產(chǎn)品分別進(jìn)行測(cè)試。由于研究對(duì)象為機(jī)車車輛用車體空氣過濾器，其適用范疇屬于粗效過濾，故對(duì)高效過濾試驗(yàn)部分暫且不論。

對(duì)于空氣過濾器的試驗(yàn)方法，不同行業(yè)，有不同標(biāo)準(zhǔn)。例如國(guó)標(biāo)GB/T 14295—2008《空氣過濾器》、汽車行業(yè)用QC/T 32—2017《汽車用空氣濾清器試驗(yàn)方法》、鐵道行業(yè)TB/T 2722—2013《內(nèi)燃機(jī)車空氣濾清器》以及國(guó)際試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ISO 16890—2016《一般通風(fēng)用空氣過濾器》等。在標(biāo)準(zhǔn)分析過程中我們發(fā)現(xiàn)，這一系列標(biāo)準(zhǔn)中，空氣過濾器的試驗(yàn)原理基本是相通的，但在試驗(yàn)裝備、試驗(yàn)粉塵、試驗(yàn)方法(含試件距喂塵口距離)上存在一定的差異。表1為空氣過濾器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)。

基于該車體空氣過濾器與國(guó)外較早的機(jī)械離心沉淀式過濾器產(chǎn)品屬同類產(chǎn)品，后續(xù)研究試驗(yàn)借鑒采用了老產(chǎn)品試驗(yàn)的延伸標(biāo)準(zhǔn)——國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16890-2:2016和ISO 16890-3:2016。同時(shí)考慮到該產(chǎn)品屬于機(jī)車車輛用粗效濾清產(chǎn)品，結(jié)合機(jī)車車輛使用環(huán)境和國(guó)

內(nèi)外路況粉塵實(shí)際情況，在標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行過程中，增加了不同種試驗(yàn)粉塵的產(chǎn)品性能比對(duì)試驗(yàn)，以尋求最為恰當(dāng)體現(xiàn)該產(chǎn)品性能的試驗(yàn)介質(zhì)；同時(shí)考慮到采用原始效率試驗(yàn)法的試驗(yàn)誤差，結(jié)合標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)裝備調(diào)整的可行性，進(jìn)行了不同喂塵口位置的試驗(yàn)比對(duì)，以尋求最能真實(shí)反應(yīng)產(chǎn)品性能的試驗(yàn)要求。

2 試驗(yàn)對(duì)比分析

為了更好地了解國(guó)內(nèi)這種新型車體空氣過濾器的結(jié)構(gòu)性能，更清楚地掌握其在不同運(yùn)用環(huán)境下的使用性能，從而進(jìn)一步完善該產(chǎn)品的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，確保更科學(xué)地評(píng)價(jià)產(chǎn)品，我們選用外形尺寸相同、內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸不同的3款車體空氣過濾器樣件，采用符合ISO 16890-2：2016標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)臺(tái)，通過系列試驗(yàn)，包括同一樣件采用不同試驗(yàn)方法得到的試驗(yàn)結(jié)果以及不同樣件采用同一試驗(yàn)裝備和試驗(yàn)方法得到的結(jié)果比對(duì)，擬分析出影響車體空氣過濾器性能的系列因素，為后續(xù)進(jìn)一步完善車體空氣過濾器的檢測(cè)技術(shù)要求與試驗(yàn)驗(yàn)證方法提供試驗(yàn)依據(jù)。

2.1 試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

對(duì)比試驗(yàn)在同一試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置符合標(biāo)準(zhǔn)ISO 16890-2：2016所描述內(nèi)容。

1-入口凈化段; 2-發(fā)塵段; 3-過濾器樣件; 4-過濾器前后壓差; 5-絕對(duì)濾清器;6-濕溫度傳感器;7-噴嘴前后壓差; 8-噴嘴室; 9-風(fēng)機(jī)室。 圖1 空氣過濾器性能檢測(cè)臺(tái)

如圖所示，灰塵噴射器設(shè)置在發(fā)塵段2的中心位置，為確保發(fā)塵均勻，采用滾輪步進(jìn)式喂塵器喂塵。

2.2 車體空氣過濾器樣件

試驗(yàn)選用了3款外形相同、內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸不同的機(jī)車車輛用車體空氣過濾器樣件，具體如圖2。

圖2 3款樣件

2.3 試驗(yàn)條件及方法

該試驗(yàn)在空氣溫度為20℃～26℃，濕度為50%～60%的條件下進(jìn)行,試驗(yàn)介質(zhì)為潔凈空氣，其中過濾效率采用ISO 12103-1,A2灰以及石英沙(60～250 μm分級(jí))進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)分別檢測(cè)了樣件的原始阻力和原始濾清效率指標(biāo)。對(duì)于原始阻力試驗(yàn)，按額定試驗(yàn)風(fēng)速2 m/s，3 m/s，4 m/s，5 m/s，6 m/s，測(cè)量5個(gè)風(fēng)速等級(jí)下的原始阻力，并繪制風(fēng)速-阻力曲線。而對(duì)于原始濾清效率，首先(1)在2 m/s風(fēng)速下，以1 g/m3的加灰濃度喂灰，分別采用60～100 μm石英沙、100～150 μm石英沙、150～200 μm石英沙、200～250 μm石英沙和ISO 12103-1 A2粉塵，測(cè)試所有樣件在2 m/s風(fēng)速和發(fā)塵口距離樣品進(jìn)風(fēng)面120 cm條件下的原始濾清效率。(2)根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，選用其中一種粉塵和一種試樣，測(cè)試該樣件在風(fēng)速2 m/s，3 m/s，4 m/s，5 m/s，6 m/s下，60～100 μm石英沙和發(fā)塵口距離樣品進(jìn)風(fēng)面120 cm條件下的原始濾清效率，并繪制該樣件60～100 μm石英沙的風(fēng)速-原始濾清效率曲線。(3)最后選擇一種樣件,測(cè)試該樣件在風(fēng)速2 m/s下、200～250 μm石英沙，在和發(fā)塵口距離試樣進(jìn)風(fēng)面335 cm和距離試樣進(jìn)風(fēng)面120 cm條件下分別測(cè)試原始濾清效率。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖3。

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

通過測(cè)試，得到了以下數(shù)據(jù)：

(1)濾清阻力隨風(fēng)速的變化

1#～3#樣件在不同風(fēng)速下的阻力，見圖4。

圖4 原始濾清阻力—風(fēng)速曲線

(2)原始濾清效率隨粉塵大小的變化

1#～3#樣件在2 m/s風(fēng)速下，進(jìn)風(fēng)面距發(fā)塵口120 cm條件下，采用不同粉塵測(cè)得的原始濾清效率。見表2。

(3)原始濾清效率隨風(fēng)速的變化

2#樣件采用60～100 μm石英沙試驗(yàn)時(shí)，原始濾清效率隨風(fēng)速的變化。見圖5。

(4)原始濾清效率隨發(fā)塵口距樣品進(jìn)風(fēng)面距離的變化

3#樣件在2 m/s風(fēng)速，采用200～250 μm石英沙試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)樣件進(jìn)風(fēng)面距發(fā)塵口距離不同條件下，原始濾清效率的變化。見表3。

表2 原始濾清效率—粉塵大小的變化

表3 原始濾清效率—發(fā)塵位置變化

圖5 原始濾清效率—風(fēng)速曲線

3 結(jié) 論

車體空氣過濾器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了其在機(jī)車車輛濾清或通風(fēng)系統(tǒng)中仍屬于粗效過濾，通過上述系列對(duì)比試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)和曲線，可以得出以下結(jié)論：

(1)車體空氣過濾器阻力和效率特性隨風(fēng)速增加，阻力增加，且效率降低，整個(gè)產(chǎn)品特性惡化。根據(jù)機(jī)車的實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，為了使車體空氣過濾器尺寸能滿足機(jī)車空間布局要求并較好實(shí)現(xiàn)其濾清功能，又可確保運(yùn)用中的阻力不會(huì)影響管網(wǎng)中冷卻部件的性能發(fā)揮，通常會(huì)選擇風(fēng)速2 m/s作為車體空氣過濾器的設(shè)計(jì)流速，此次樣件的制作大小也正是遵循了這一原則。

(2)除了受自身結(jié)構(gòu)和風(fēng)速影響外，車體空氣過濾器性能還與試驗(yàn)粉塵大小、發(fā)塵位置等因素密切有關(guān)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于顆粒尺寸過于細(xì)小的粉塵，會(huì)呈現(xiàn)較低的濾清效率，故評(píng)價(jià)其效率指標(biāo)時(shí)不建議采用過細(xì)粉塵進(jìn)行試驗(yàn)考核。

(3)鑒于石英沙顆粒尺寸對(duì)濾清效率的測(cè)試結(jié)果造成的偏差，在選用混合石英砂作為試驗(yàn)介質(zhì)時(shí)，應(yīng)盡量縮小石英沙顆粒尺寸的涵蓋范圍。結(jié)合本次試驗(yàn)結(jié)果和以往試驗(yàn)要求[6]，認(rèn)為采用60～100 μm石英沙作為試驗(yàn)粉塵進(jìn)行評(píng)價(jià)較為合適。

(4)在試驗(yàn)風(fēng)速較低的情況下，為了盡量減少試驗(yàn)過程因石英沙自重掉落的因素造成的誤差，發(fā)塵位置擬定在距離樣品進(jìn)風(fēng)面120 cm的位置較為合適。

綜上所述，車體空氣過濾器的試驗(yàn)研究，進(jìn)一步明確了產(chǎn)品的試驗(yàn)方法，對(duì)后續(xù)優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、完善其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為其在機(jī)車車輛上更科學(xué)、廣泛地應(yīng)用提供了重要的依據(jù)。