鋼軌打磨列車用集塵裝置的設計研究

李海濱

（北京二七軌道交通裝備公司，北京10072）

鋼軌打磨列車在打磨鋼軌的作業(yè)中產生大量的磨削粉塵，極大的危害作業(yè)人員的身體健康和污染鐵道周圍的環(huán)境，近年來，先進的鋼軌打磨列車上安裝了集塵裝置，將打磨作業(yè)中產生的粉塵，經過濾清元件過濾后集中收集，可以極大的改善作業(yè)周圍的空氣質量，有利于保護勞動者身體健康和鐵道周邊的環(huán)境。

GMC96B型鋼軌打磨列車安裝了具有脈沖反向吹掃濾清元件技術的集塵裝置，集塵能力強、濾清精度高、濾清元件壽命長、具有防燃安全保護系統(tǒng)，技術先進、可靠。

自2007年開始，北京二七軌道交通裝備公司和瑞士斯比諾國際公司聯(lián)合設計、合作生產了GMC96B型鋼軌打磨列車，提出了集塵裝置的總體結構型式、主要功能和技術要求、在列車上安裝的接口尺寸，聯(lián)合北方兵器集團北方車輛研究所進行國產化集塵裝置的研制；樣機研制完成后，進行了臺架試驗和濾清性能第3方試驗、裝車性能測試，通過了鐵道部質量監(jiān)督檢驗中心對列車進行的綜合性能試驗。目前，已經批量出廠運用，質量可靠。

1 主要結構組成

1.1 在鋼軌打磨列車上的安裝和工作條件

GMC96B型鋼軌打磨列車共有6節(jié)作業(yè)車，集塵裝置安裝在每節(jié)作業(yè)車的中部車架上方，與車架下部安裝的打磨小車相對應。集塵裝置進風道口通過鋼制彈性波紋管分別與打磨小車左右兩側的出風口相連；排氣道口與作業(yè)車頂蓋相連。集塵裝置的通風機電機由作業(yè)車上安裝的發(fā)電機組供電，脈沖吹掃系統(tǒng)等氣動部件由作業(yè)車上的風源裝置供風。

1.2 主要結構組成

集塵裝置為箱形結構，主要由進氣道、濾清室、濾清元件、通風機和電動機、排氣道、集塵室、脈沖反吹掃系統(tǒng)及控制裝置組成。箱形濾清室內排列有濾清元件；室體前端的門可以打開，檢查和更換濾清元件；濾清元件為扁平袋式結構；濾清室箱體的側面安裝有一體化的通風機和電機；下部為集塵室，前后留有除塵口。集塵室上部側面安裝有脈沖反吹氣流控制閥。進氣道上設有防火閥門，當溫度超限時，閥門關閉，防止發(fā)生火災。如圖1所示。

圖1 集塵裝置圖

1.3 主要工作原理

集塵裝置工作時，電動機驅動通風機葉輪旋轉，在進氣道至濾清室內形成真空負壓，形成引風作用，將打磨小車的4個打磨頭磨削鋼軌產生的粉塵抽吸入集塵裝置內，粉塵氣流通過濾清室后；被過濾在濾清元件外側，有脈沖氣流間歇通入濾清元件內部向外吹掃，將吸附在濾清元件上的粉塵沖掃下來，落入集塵箱集中起來。

1.4 主要技術參數(shù)

2 設計研究的主要問題

2.1 箱形結構和風道阻力計算分析

按照總體方案的要求，集塵裝置結構為箱形，進風道、出風道均為矩形截面，要減小氣流在風道、轉彎、進入濾清室的擴壓和濾清后進入通風機的收縮流動的沿程損失及局部渦流等流動損失，降低流體噪聲。采用計算機進行整個系統(tǒng)的風道進行了仿真計算，優(yōu)化結構和降低沿程阻力，同時，也為確定風機的主要性能參數(shù)提供依據(jù)。如圖2，為仿真計算的靜壓分布。

圖2 仿真計算靜壓分布圖

集塵裝置箱形結構體要滿足通風機和電機安裝要求，相對于底座安裝面，確定進風口的位置要準確，滿足裝車要求，箱形結構體、集塵室門可以采用壓制出肋條來提高強度，降低裝置的總重。集塵裝置樣機試制后，箱形結構外觀進行了優(yōu)化，提高表面質量。

2.2 通風機的選型

采用離心式通風機，選型中主要考慮：（1）通風機的氣動特性曲線中常用工作段隨靜壓上升，通風量的減少能適應系統(tǒng)風量的要求。（2）在車輛長期的振動環(huán)境中工作，要求可靠性高。（3）通風機效率高、噪聲低、體積小、質量輕。

通風機的噪聲主要由氣動噪聲和旋轉噪聲兩部分組成。降低氣動噪聲的主要措施有：（1）在集塵裝置的風機蝸殼出口后安裝擴壓消聲段，降低噪聲；（2）在通風機的制造中提高進風口的加工精度和裝配精度，縮小葉輪和進風口的間隙，從而有效抑制徑向間隙引起的渦流噪聲。降低旋轉噪聲的措施主要是提高通風機葉輪的動平衡等級，保證葉輪在高速旋轉時的穩(wěn)定性。

圖3 通風機氣動特性曲線

根據(jù)集塵裝置系統(tǒng)工作要求和流道計算分析的要求，選擇通風機電機，有較高的防護等級，在惡劣天氣的環(huán)境下也能夠持續(xù)穩(wěn)定地工作。

2.3 濾材的選擇和濾清元件

集塵裝置中濾清元件為扁平式濾袋，采用鋼骨架，外包濾布制成，排列在濾清室內，可以拆缷更換。如圖4所示。經過大量的篩選和對比試驗，濾袋選用厚實的化纖針刺氈或壓縮氈濾布，并通過試驗測試，選用濾布材料的透氣度大，工作溫度可達到204℃，斷裂強度大，耐磨性好、抗張力強。

根據(jù)濾清室內部的空間，布置18行、9列，共計162個扁平袋式濾芯，經計算分析，在滿足系統(tǒng)濾清阻力、濾清精度、過濾風速的條件下，總過濾面積滿足流量通過的要求。

圖4 濾清室和濾清元件

2.4 濾清元件的脈沖反向吹掃系統(tǒng)

脈沖反向吹掃系統(tǒng)由儲風缸、脈沖閥、控制閥、噴吹管、脈沖控制器等幾部分組成。

脈沖閥入口與壓縮空氣的儲風缸連接，出口連接噴吹管，吹掃濾清元件，脈沖閥內的背壓室與控制閥連接。脈沖控制器、控制閥控制脈沖閥的開啟、關閉；當脈沖控制器無信號輸出時，控制閥的排氣口關閉；當脈沖控制器發(fā)出信號時，控制閥排氣口打開，壓縮空氣從儲氣缸通過脈沖閥，經噴吹管的小孔噴出，由袋式濾清元件的內側向外與粉塵氣流濾清通過的反方向吹掃，氣流在瞬間釋放壓縮空氣，濾清元件急劇膨脹，紡織物的濾布和灰塵一起向外加速運動，濾布具有迅速恢復原狀的彈性，灰塵不能隨之復原，與濾布脫離而被吹落入集塵箱中。工作原理如圖5所示。

脈沖反向吹掃氣流噴吹周期的長短一般根據(jù)通過濾清元件的粉塵氣流的流速、粉塵濃度、吹掃壓力等確定，當吹掃壓力一定時，若粉塵氣流的流速過大、入口粉塵濃度高時，可以縮短吹掃周期，以保持通過濾清元件時的流體阻力不增加過大。經過設計和試驗確定，脈沖反向吹掃氣流10s噴吹一次，每次吹掃兩組濾清元件，每次通風0.1s，依次對各濾清元件進行吹掃，反復循環(huán)。

圖5 濾清元件脈沖反吹掃原理圖

2.5 防火閥門及控制

打磨產生的高溫粉塵氣流通過進氣道進入過濾室，必須有相應的防火措施。在進氣道入口處，設置鏈條制成的火星吸收網，高溫粉塵中混雜的火星被吸收在鏈條上而熄滅，無法隨氣流進入濾清室。

在進氣道上設置溫度傳感器、防火風門，防火閥門主要有防火擋板和氣動風缸組成（圖6）。當高溫粉塵氣流含有較大的火星或進氣道入口附近產生火焰時，溫度傳感器檢測的高溫粉塵氣流大于100℃，控制系統(tǒng)使氣動風缸驅動防火擋板關閉通風道；同時，通風機電機停止轉動，引風作用停止，高溫粉塵氣流被阻斷在進氣道外，脈沖反吹掃系統(tǒng)也停止工作，防止高溫粉塵氣流損壞濾清元件；當溫度降低后，控制系統(tǒng)重新打開防火板，啟動通風機的電機，使集塵裝置繼續(xù)工作；若集塵裝置恢復工作后再次發(fā)生高溫報警，控制系統(tǒng)再次關閉防火閥、停止通風機運轉和反向吹掃，處于鎖定狀態(tài)，發(fā)出報警信號；這時，只有工作人員到達報警的集塵裝置及打磨小車現(xiàn)場判別并處理火災隱患后，方可手動解除鎖定狀態(tài)，恢復正常工作。

控制器設置在列車電氣控制柜中，也可以組成獨立的控制盒，安裝在集塵裝置箱體側面。

3 試驗研究

3.1 臺架性能試驗

集塵裝置樣機試制后，進行臺架性能試驗，全面測試集塵裝置的各項性能。

圖6 防火閥門和火星吸收網

試驗時，由地面電源柜向集塵裝置通風機供電。首先進行機組運行試驗，檢查工作狀態(tài)正常后，進行通風道靜壓測試、連續(xù)運轉試驗。通風道靜壓值測試，如圖7所示，多次測試的平均值如表1如示。通過查證通風機氣動性能曲線的圖3，可以得到通風量和對應的電機功率值。試驗表明，通風機進氣口靜壓值、流量均達到設計要求，濾清元件有較大的容塵周期裕量。該項試驗也為裝車試驗進一步試驗分析提供基礎。連續(xù)運轉12 h，機組工作正常，脈沖反吹掃系統(tǒng)脈沖閥開閉吹掃氣流正常，工作可靠。用加熱設備（如打火機）對集塵裝置進風口的溫度傳感器加熱到90℃以及以上，此時防火閥門關閉，電機停止工作，脈沖閥自動停止。低于該溫度值，再次啟動裝置，正常運轉。

圖7 集塵裝置靜壓測試示意圖

表1 靜壓測量和通風量試驗測試

2009－02－24由中國冶金環(huán)境檢測中心進行"鋼軌打磨列車用集塵裝置粉塵排放檢測"。檢測依據(jù)為GB 16157－1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》［1］，主要檢測器具為煙塵檢測儀、空盒氣壓表、電子天平。檢測在北京二七機車廠工業(yè)公司生產現(xiàn)場進行，鐵道部駐廠驗收室、北方車輛研究所、北京二七軌道交通裝備公司代表參加。在集塵裝置進風口處形成污染粉塵顆粒物，通過集塵裝置濾清后，測試出口的粉塵濃度為12mg／m3，滿足技術指標提出的濾清后空氣含塵量≤20mg／m3的要求［2］。

3.2 裝車試驗

集塵裝置裝車后，進行與整列車各機組共同工作試驗，了解聯(lián)合工作性能和濾清元件的容塵裕量。在集塵裝置上預留3處測試點，即進風道、進氣室（粉塵空氣通過濾清元件前）、集氣室（位于濾清后、相當于通風機入口前）。采用U形管測量真空度，用毫米水柱表示，換算為靜壓值。

裝車后，集塵裝置進風口增加了打磨頭附近設備阻力、經打磨小車的進風道和波紋管等風道阻力，測試進風道靜壓與臺架性能試驗測試參數(shù)進行比較，進風道阻力增加約585Pa。查看通風機氣動性能曲線對應的通風量和功率，與濾清后集氣室的靜壓即通風機入口前靜壓的設計點4 000Pa、通風量不小于10 000m3／h相比，實際裝車后系統(tǒng)留有較大的濾袋容塵裕量的使用期。在運用中，可以采用這種直觀測量方法檢查集塵裝置濾芯狀態(tài)，測量濾清后集氣室靜壓超過設計值、系統(tǒng)流量無法滿足濾清要求時更換濾袋。

查看集塵裝置的反吹清掃作用工作正常，打開集塵裝置下部集塵門，可以看到過濾下的粉塵吹落到集塵箱中。進行集塵裝置進風道上防火閥門動作試驗，運轉正常。

4 結論

（1）鋼軌打磨列車用集塵裝置已經成功地批量裝車運用，臺架試驗和裝車試驗表明，集塵裝置濾清精度高，有較大的含塵裕量，工作周期長，效果良好，工作可靠。

（2）對集塵裝置箱體結構和通風道進行仿真計算，可以優(yōu)化結構和降低氣流沿程阻力。通風機對粉塵氣流引風作用強，適應濾清元件在使用過程中阻力增加和通風量變化，在工作周期內都保持較好的氣動特性。

（3）選擇了透氣度大、耐高溫、斷裂強度大，耐磨性好、抗張力強的材料制作袋式濾清元件，組合成濾清器室，濾清精度高、阻力小。

（4）采用脈沖反向氣流對濾清元件進行吹掃，可以將吸附在濾清元件外的粉塵吹掃下落到集塵箱中，減小濾清阻力的增長，延長濾清元件的使用壽命。

（5）設有防火閥門，可以有效的控制打磨粉塵引發(fā)的火災，運用可靠、安全。

［1］ GB 16157－1996.固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法［S］.

［2］ 冶金環(huán)境檢測中心.（2009－W－016檢驗報告）鋼軌打磨集塵裝置粉塵排放檢則［R］.北京：2009.