GMC-96B 鋼軌打磨車新型集塵裝置設(shè)計(jì)研究

劉大龍 楊 全 趙宇晨

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

GMC-96B 型鋼軌打磨列車由6 節(jié)作業(yè)車和1 節(jié)動(dòng)力車組成。每節(jié)作業(yè)車上均設(shè)置有2 套集塵裝置，與車下的2 套打磨裝置相對(duì)應(yīng)[1]。集塵裝置安裝在整車車廂內(nèi)部，通過集塵風(fēng)道與打磨裝置相連。打磨作業(yè)時(shí)，集塵裝置通過抽吸含有打磨粉塵的空氣，經(jīng)過濾介質(zhì)過濾后由出風(fēng)口排出潔凈空氣，實(shí)現(xiàn)粉塵收集。同時(shí)，集塵裝置不斷帶走打磨裝置內(nèi)部的高溫空氣，有助于裝置內(nèi)部的通風(fēng)散熱，防止內(nèi)部元器件超溫?fù)p壞。

1 布袋式集塵裝置存在的問題

現(xiàn)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(jìn)氣管路、集塵過濾箱和反吹控制設(shè)備、風(fēng)機(jī)等結(jié)構(gòu)構(gòu)成[2]。集塵過濾箱內(nèi)安裝有扁平布袋作為過濾介質(zhì)，過濾箱外側(cè)安裝有風(fēng)機(jī)，使集塵箱內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓。在應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)布袋式集塵裝置存在以下4 個(gè)問題。

圖1 布袋式集塵裝置

第一，通風(fēng)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(duì)打磨區(qū)域通風(fēng)散熱效果差，導(dǎo)致打磨小車內(nèi)部器件故障率高。

第二，集塵效果差。集塵裝置負(fù)壓低，粉塵收集效率低，集塵效果不良。濾袋過濾效率相對(duì)較低，系統(tǒng)阻力較大，通風(fēng)效果相對(duì)較差。隨著環(huán)境保護(hù)的日益嚴(yán)格，對(duì)過濾效果提出更高的要求。

第三，保養(yǎng)排灰勞動(dòng)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(nèi)底部灰斗的粉塵裝入編織袋，然后人工搬運(yùn)至車下進(jìn)行集中處理，工作強(qiáng)度高，勞動(dòng)量大，排灰十分不便。

第四，檢修與維護(hù)的難度較大。該裝置內(nèi)布置的扁布袋數(shù)量高達(dá)162 個(gè)，濾袋和框架在工作和反吹過程中出現(xiàn)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(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且會(huì)造成二次污染。

通過現(xiàn)有集塵裝置應(yīng)用過程中存在的問題，結(jié)合實(shí)際需求設(shè)計(jì)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(duì)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并通過關(guān)鍵子系統(tǒng)分析計(jì)算和仿真分析保障集塵裝置結(jié)構(gòu)性能的有效性和可靠性[3]。該濾筒型集塵裝置在通風(fēng)、集塵效果、檢修及維護(hù)保養(yǎng)等方面的性能得到大幅提升，同時(shí)滿足GMC-96B 打磨車的各項(xiàng)技術(shù)要求，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

2 新型集塵裝置方案設(shè)計(jì)

濾筒式過濾結(jié)構(gòu)的過濾材料細(xì)密、結(jié)構(gòu)間隙小，粉塵無法深入濾料內(nèi)層。而濾袋材質(zhì)較為松散，依靠濾袋外表面構(gòu)筑塵膜來維持集塵裝置的效能，更易導(dǎo)致濾袋阻塞。相較于布袋式，濾筒式結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)。第一，取消原有布袋過濾形式，采用濾筒結(jié)構(gòu)形式，過濾精度更高。第二，濾筒通風(fēng)面積大，系統(tǒng)阻力小，自清潔性能好，不易堵塞。第三，實(shí)際通風(fēng)量大，保證及時(shí)排出打磨系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。第四，集塵裝置濾筒數(shù)量遠(yuǎn)少于布袋數(shù)量，維護(hù)及更換操作更加簡單便捷。第五，優(yōu)化排灰機(jī)構(gòu)，增加螺旋電動(dòng)排灰裝置，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排灰，降低保養(yǎng)勞動(dòng)量。因此，新型集塵裝置選用濾筒式結(jié)構(gòu)。該裝置主要由風(fēng)機(jī)、過濾箱、排灰系統(tǒng)和反吹系統(tǒng)等組成，如圖2 所示。

圖2 新型集塵裝置結(jié)構(gòu)

新型集塵裝置的原理如圖3 所示。集塵裝置中，風(fēng)機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)離心風(fēng)機(jī)葉片高速旋轉(zhuǎn)，使箱體及輸送管道內(nèi)形成負(fù)壓。打磨過程中，裝置產(chǎn)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(jìn)入灰斗后，集塵裝置將粉塵從螺旋運(yùn)輸機(jī)的一邊卸走，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)研磨粉塵的清理和收集。集塵箱體側(cè)面設(shè)有多個(gè)便捷式檢修門，操作工人可以通過檢修門對(duì)濾筒進(jìn)行保養(yǎng)和更換。

圖3 新型集塵裝置的原理

3 關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 過濾系統(tǒng)

過濾系統(tǒng)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(qiáng)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(gè)。濾筒過濾材料滿足《機(jī)車車輛用材料阻燃技術(shù)要求》（TB/T 3138—2018）的難燃級(jí)要求。集塵箱內(nèi)應(yīng)設(shè)置溫度傳感器，報(bào)警溫度與濾材的最高耐溫匹配。當(dāng)集塵箱內(nèi)的溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)反饋報(bào)警信號(hào)，避免裝置超溫工作。同時(shí)，進(jìn)風(fēng)管道上設(shè)置火花捕捉器結(jié)構(gòu)，防止火花直接進(jìn)入集塵箱。

3.2 壓強(qiáng)損失計(jì)算

系統(tǒng)阻力可用指流體進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部經(jīng)過濾系統(tǒng)后，由出口流出造成的進(jìn)出風(fēng)口壓強(qiáng)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(dá)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(shù)；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(fù)荷。

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

3.3 反吹系統(tǒng)

反吹系統(tǒng)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(fēng)阻力隨濾筒表面粉塵層厚度的增加而增大，阻力達(dá)到一定值時(shí)應(yīng)進(jìn)行清灰。脈沖控制器控制脈沖閥開啟，此時(shí)氣包內(nèi)的壓縮空氣通過脈沖閥經(jīng)噴吹管上的噴吹孔，噴射一股高速高壓的氣流進(jìn)入濾筒，濾筒內(nèi)出現(xiàn)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(nèi)。螺旋輸送器應(yīng)便于排除收集的粉塵和自身的日常保養(yǎng)、檢修。螺旋輸送器主要由驅(qū)動(dòng)裝置、旋轉(zhuǎn)螺旋軸、軸承、料槽和進(jìn)出料口組成，其中驅(qū)動(dòng)裝置選用減速電機(jī)[7]。它依靠旋轉(zhuǎn)螺旋軸上的螺旋葉片在槽內(nèi)不停轉(zhuǎn)動(dòng)，使粉塵沿水平方向運(yùn)動(dòng)[8]。

4 仿真分析與風(fēng)量核算

4.1 風(fēng)道流場分析計(jì)算

集塵裝置采用圓柱形風(fēng)道連接車下打磨裝置，為保證吸塵散熱的均勻性，對(duì)集塵風(fēng)道內(nèi)部流場進(jìn)行分析計(jì)算。集塵風(fēng)量為10 000 m3·h-1，分別定義風(fēng)道出風(fēng)口與2 個(gè)進(jìn)風(fēng)口，分析結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖4 風(fēng)道壓強(qiáng)分布云圖

圖5 風(fēng)道速度分布云圖

離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量為10 000 m3·h-1時(shí)，吸塵管道左右口風(fēng)量分配情況：左側(cè)管道流量為2.02 kg·s-1，右側(cè)管道流量為1.32 kg·s-1，左側(cè)吸塵管道分支因管道存在彎區(qū)且距出風(fēng)口遠(yuǎn)，相比右側(cè)吸風(fēng)量小。從圖4可以看出，兩直管壓強(qiáng)差異較大。針對(duì)風(fēng)道流場分布不均勻問題，為保證吸風(fēng)量的均勻性，拆分集塵風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口，優(yōu)化改進(jìn)風(fēng)道結(jié)構(gòu)。

4.2 集塵裝置風(fēng)量核算

由于打磨車集塵裝置安裝空間有限，為選取適配風(fēng)機(jī)，分別分析10 000 m3·h-1、15 000 m3·h-1兩種風(fēng)量下的打磨裝置內(nèi)部流場，對(duì)比結(jié)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(diǎn)位置處的壓強(qiáng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1 所示。

表1 不同通風(fēng)風(fēng)量壓強(qiáng)結(jié)果對(duì)比 單位：Pa

圖6 不同通風(fēng)風(fēng)量吸力分析對(duì)比

根據(jù)分析結(jié)果可知，打磨裝置內(nèi)部流場較均勻，將風(fēng)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(nèi)部粉塵吸力可提高1 倍。

5 結(jié)語

根據(jù)GMC-96B 鋼軌打磨車集塵裝置在使用過程中存在的問題，設(shè)計(jì)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(zhì)量輕和便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。通過技術(shù)設(shè)計(jì)和分析計(jì)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(yīng)用。