機車脈沖式氣力輸送固定上砂設施探討

鄭青松

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢　430063)

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機車脈沖式氣力輸送固定上砂設施探討

鄭青松

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢430063)

摘要：根據(jù)機車整備工作需要，探討一種能解決現(xiàn)有機車上砂存在的問題，從國內(nèi)機車上砂現(xiàn)狀、機車用砂技術(shù)標準、現(xiàn)場需求等對現(xiàn)行機車上砂方式存在的問題進行深入分析，提出機車脈沖式氣力輸送上砂設施方案，介紹機車脈沖式氣力輸送上砂設施總體系統(tǒng)組成，并對各系統(tǒng)進行較為詳細說明，提出機車脈沖式氣力輸送固定上砂系統(tǒng)方案，可解決現(xiàn)有上砂方式效率低、勞動強度大、無法準確計量上砂量、環(huán)境污染、安全風險大等技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞：鐵路機車；整備；上砂；脈沖；氣力輸砂

1概述[1-3]

隨著鐵路系統(tǒng)改革和鐵路提速的不斷深入，機車交路的不斷加長，機車整備次數(shù)的增加和乘務員交接次數(shù)的增加，機車用砂量也將隨著高速緊急制動、空轉(zhuǎn)和啟動頻率的增加而不斷攀升。為確保機車在需要用砂時有充足的儲備，在機車整備時如何不斷為其高效地提供足額高質(zhì)量的機車用砂，是機車整備日常管理的重要一環(huán)。因此，研制、配備并推廣一套高效的自動上砂系統(tǒng)將可以有效提高機車整備效率和自動化水平，推動機車整備配套設施設備技術(shù)水平提升。

2國內(nèi)機車上砂現(xiàn)狀[4-5]

現(xiàn)有機務段(所)上砂工藝主要包含機車用砂的儲存工藝及輸送上砂工藝兩個主要部分。其中機車用砂的儲存工藝設備以儲砂場(間)為主，部分地區(qū)還配置有烤砂和篩砂設備。這主要取決于各段(所)選用的機車用砂類型及來源。現(xiàn)有機車用砂的輸送上砂工藝多以人工輸送為主，大多數(shù)段(所)根據(jù)自身情況配有相應的手工工具。近年來隨著機車用砂量的增加，部分地區(qū)也在摸索和嘗試新的上砂工藝，包含移動式的半自動上砂工藝和多種固定式的半自動上砂工藝。

3人工上砂與半自動上砂方式存在的問題[5-6]

多數(shù)機務段整備場均采用人工上砂方式，現(xiàn)場依靠整備職工人力向機車砂箱里裝砂子或是采用漏斗往砂箱里面傾注砂子；近年來部分有條件的機車整備場配置了移動上砂車等上砂設備，現(xiàn)階段無論哪種上砂方式都存在以下的問題。

3.1效率低

一般而言，加滿1輛有8個砂箱的和諧大功率機車需要2名以上的上砂工作人員共同配合作業(yè)15 min以上才能完成。隨著鐵路大交路、大整備的改革推進，很多整備場都是機車集中到達，上砂人員需要集中作業(yè)，在很短的時間內(nèi)完成大量機車的上砂工作，效率無法滿足需求。落后的上砂工藝與先進的大功率機車形成強烈反差。

3.2勞動強度大

現(xiàn)階段上砂作業(yè)基本靠人扛、手推、簸箕往砂箱上砂。以江岸機務段本段整備場所為例，江岸機務段本段整備場所，每班配備3～4名上砂工，完成日整備機車60臺次，需完成上砂量6～8 t，如此繁重的工作量，影響作業(yè)人員的身心健康且極易發(fā)生安全事故。

3.3無法準確計量上砂量

現(xiàn)今，隸屬于不同單位機車在全路運行，跨區(qū)域在不同的機車整備場中進行上砂作業(yè)。由于每次上砂均無法準確計算上砂量，從而無法對整個行駛區(qū)間的總用砂量進行統(tǒng)計，更無法準確估算并收取上砂費用。

3.4環(huán)境污染

現(xiàn)有的上砂過程極易造成砂粒散落，既造成浪費又污染整備場所地面及周圍環(huán)境?，F(xiàn)有的上砂方式由于砂料從砂房搬運、加注到機車砂箱內(nèi)，砂料裸露，既容易撒漏又容易產(chǎn)生粉塵，對勞動者的健康影響很大。同時，砂塵對作業(yè)場的整潔也有很大影響；由于機車用砂內(nèi)存在一定數(shù)量的可吸入灰塵和塵埃極易造車呼吸系統(tǒng)疾病(塵肺病)，嚴重威脅操作人員健康和環(huán)境空氣質(zhì)量。

3.5安全風險大

現(xiàn)有國內(nèi)上砂作業(yè)人員推儲砂車進行上砂作業(yè)時極易與機車產(chǎn)生刮碰，造成機車保護涂層受損；部分車型需要登高作業(yè)上砂，此過程中需要作業(yè)人員負重登上2 m高的作業(yè)平臺，存在較大的安全事故隱患。

4和諧機車用砂技術(shù)標準[7-8]

4.1HXN3、HXN5機車用砂標準

HXN3、HXN5原型機車均為美國EMD、GE公司生產(chǎn)的內(nèi)燃機車，通過技術(shù)引進和消化吸收后分別由戚墅堰機車廠、大連機車廠生產(chǎn)。根據(jù)上述公司提供的技術(shù)標準，機車石英砂需要達到表1要求[7]。

表1　石英砂的理化分析要求

4.2HXD1、HXD2、HXD3機車用砂標準

HXD1、HXD2、HXD3分別與德國西門子、法國阿爾斯通、日本東芝合作引進技術(shù)和消化吸收后由株洲電力機車廠、大同電力機車廠、大連機車廠生產(chǎn)，防車輪打滑所用石英砂的技術(shù)標準及要求見表2[7]。

表2　石英砂分級要求

來自礦坑，河流和湖泊中天然的砂子或來自天然巖石粉碎后的砂子，成份中二氧化硅的含量不少于90%，沒有金屬化合物或具有水硬性的成份。這些類型的巖石的硬度至少要達到5Mohs，沒有黏士、粉狀、土狀或燒結(jié)劑成份及任何異物；晶性：致密，邊緣尖銳，無規(guī)則；對使用的砂子的尺寸有嚴格的要求。晶體尺寸分布見表3[7]。

表3　石英砂晶體尺寸要求

最大的允許晶體的尺寸為4 mm，目數(shù)控制在10～30目區(qū)間。當前，各機務段整備場和諧電力機車所用的石英砂均為袋裝或散裝的成品砂，干燥，含水率小，灰粉率低于0.25%，粒形規(guī)則?；瘜W成分和物理性能要求：(1)砂粒中SiO2的含量應大于90%；(2)砂粒中不應含有可見的泥土、鐵屑或有機雜質(zhì)；(3)砂粒應經(jīng)過干燥處理，干燥處理后含水量應<0.5%；(4)砂粒的硬度>5莫氏硬度；(5)砂粒的灼燒損失質(zhì)量<0.2%；(6)砂粒的干燥顆粒密度應>2.5 g/cm3，松散容積密度>1.5 g/cm3。

5機車脈沖式氣力輸送固定上砂設備系統(tǒng)研究[4，9-10，11-12]

針對國內(nèi)機車上砂過程中遇到的問題，在國內(nèi)外進行了廣泛調(diào)研，一種適合中國機車上砂作業(yè)的全自動上砂系統(tǒng)(即機車脈沖式氣力輸送固定上砂系統(tǒng))可有效解決現(xiàn)有上砂作業(yè)方式中的不足，并極大地提高機車上砂作業(yè)的自動化和信息化程度。

5.1總體規(guī)劃

整套機車脈沖式氣力輸送固定上砂系統(tǒng)設備由以下幾部分組成：

(1)機車用砂預處理系統(tǒng)包括儲砂室及烤砂設備；

(2)儲砂系統(tǒng)包括儲砂倉及自動加注設備；

(3)氣動輸砂系統(tǒng)包括氣動輸送設備、綜合輸送管道等；

(4)上砂站系統(tǒng)包括上砂槍等設備；

(5)空氣過濾系統(tǒng)包括回氣管路，過濾設備等；

(6)空氣動力系統(tǒng)包括空壓機組及其控制設備；

(7)電氣控制及管理系統(tǒng)包括PLC控制設備、低壓電氣開關(guān)設備和計算機管理設備等。

其中空氣動力系統(tǒng)可根據(jù)要求直接采購，電氣控制及管理系統(tǒng)可與空壓機組一起設置在儲砂倉附近的控制室內(nèi)。機車用砂預處理系統(tǒng)及空氣動力系統(tǒng)作為標準設備不再作為新型固定上砂系統(tǒng)主要設備機型討論，其主要設備的布置方案如圖1所示。

圖1　固定上砂系統(tǒng)設備布置

機車脈沖式氣力輸送固定上砂系統(tǒng)可將儲砂倉、過濾除塵系統(tǒng)和氣動輸送系統(tǒng)布置在遠離軌道且方便運砂車輛?？康陌踩恢茫儆删C合輸送管道系統(tǒng)按地下過軌的方式實現(xiàn)機車用砂的遠距離輸送(一級輸送)，將機車用砂輸送至安裝在軌道兩側(cè)上砂工位的加砂站。最終操作人員使用加砂站上配置的加砂槍完成加砂作業(yè)。同時，自動計量及費用核算系統(tǒng)會自動統(tǒng)計、儲存并上傳每臺車及每個工位的上砂量。其間，過濾除塵系統(tǒng)會對整個流程中產(chǎn)生的廢氣進行過濾，包括上砂過程中在機車砂箱內(nèi)產(chǎn)生的灰塵。

5.2機車用砂預處理系統(tǒng)

機車用砂預處理系統(tǒng)中應包含儲砂房及烤砂設備(可根據(jù)機車用砂類型選裝)。主要功能是對機車用砂進行儲存及預處理，包括篩選、除濕等。

5.3儲砂系統(tǒng)

儲砂系統(tǒng)主要功能是對符合標準的機車用砂進行自動化的短距離運輸及提升并對其進行短時間存放。儲砂系統(tǒng)是新式機車脈沖式氣力輸送固定上砂系統(tǒng)與各機務段原有砂房或烤砂設備的接口系統(tǒng)。儲砂系統(tǒng)設備包含儲砂倉及自動化填充設備(斗式提升機)。儲砂倉主要用于砂料的篩分和存儲。儲砂倉一般安裝在儲砂室旁邊。儲砂倉的主體結(jié)構(gòu)一般需要有6～30 m3的有效容量。

5.4氣動輸砂系統(tǒng)

氣動輸砂系統(tǒng)是整個固定上砂系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，該系統(tǒng)應包含氣動輸送設備，輸送管線，物料防堵設備等，用以實現(xiàn)機車用砂的遠距離過軌輸送并為解決管道磨損及堵塞問題提供有效措施。

氣動輸送設備主要為解決一級輸送而設計。本級輸送設備使用緩慢輸送的原則。氣動輸送設備通過正壓密相輸送的原理把機車用砂從砂倉運輸?shù)缴仙罢?。各個砂堆以<1 m/s的速度在輸送管道里通過，為確保輸送順暢并在主輸送管上大約每間隔18 m的位置安裝空氣增壓器。機車用砂通過空氣增壓的方式，從砂粒的間隙中獲得動力，從而保證穩(wěn)定并且緩慢的輸送過程。

5.5上砂站系統(tǒng)

上砂站系統(tǒng)作為上砂的終端系統(tǒng)包含上砂槍、緩存砂罐、助力輔助裝置等，用以實現(xiàn)機車用砂的自動加注并解決加注完畢自動關(guān)閉等問題。

上砂站系統(tǒng)可安裝在線路兩側(cè)的地面或是檢修平臺上。上砂站系統(tǒng)由上砂槍、儲砂罐、連接管、氣壓閥和電氣控制等幾個部分組成。

每個上砂站的上砂槍數(shù)量可根據(jù)實際使用需求調(diào)整，最多可設置4個(一般為2個)可同時進行上砂作業(yè)。這樣即使左右兩邊軌道有2輛機車?？浚枰鄠€砂箱同時上砂，也可快捷有效地完成。如圖2所示。

圖2　2名操作人員可同時完成上砂作業(yè)

當上砂站完成一次上砂作業(yè)后，氣動輸送容器會通過控制系統(tǒng)自動給未滿的上砂站補砂。即使車輛上砂頻率高，要求作業(yè)時間短，上砂站也可以達到使用的需求。上砂站系統(tǒng)設計技術(shù)參數(shù)見表4。

表4　上砂站系統(tǒng)設計技術(shù)參數(shù)

5.6空氣過濾系統(tǒng)

除塵系統(tǒng)安裝在儲砂倉旁邊，主要有兩方面除塵工作：首先，在儲砂倉充砂過程中，可過濾機車用砂產(chǎn)生的灰塵與廢氣；其次還會清潔整個上砂系統(tǒng)中所有上砂站在上砂作業(yè)中產(chǎn)生的灰塵與廢氣。

5.7空氣動力系統(tǒng)

氣動輸送中空壓機的選型主要根據(jù)輸送中需要的工作壓力和氣體消耗量來估算和選擇。如果修建空壓機房，則按照空壓機組占據(jù)室內(nèi)空間1/3來考慮建設容積，并開好門窗利于通風和散熱。如果購置空壓機箱柜，則考慮按照空壓機組占據(jù)箱柜2/3來考慮容積。

空壓機組安裝位置應臨近儲砂倉，空氣消耗量為7 bar，壓力凝點為+3 ℃。固定上砂系統(tǒng)設備可在溫度為-30～40 ℃環(huán)境下正常工作，但考慮到操作人員的適應能力，應盡量避免將設備安裝在極端天氣下。否則必須保證將空壓機的凝點設置在一個合適狀態(tài)，避免輸送系統(tǒng)中產(chǎn)生的潮濕空氣或凝水。

5.8電氣控制及管理系統(tǒng)

(1)電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)包括開關(guān)柜和控制柜。開關(guān)柜在前門上配有一個模擬圖表，展示所有的功能?？刂乒褚才溆兴斜匾牟僮髟?。在控制柜里安裝有通過網(wǎng)絡實現(xiàn)的遠程服務系統(tǒng)。

(2)自動計量及費用核算系統(tǒng)

隨著當前鐵路運輸大交路的發(fā)展，跨局跨段的機車整備上砂成本核算一直是困擾各個機務段的難題，因為各段的砂料使用成本都計入自己段的成本核算內(nèi)。如安裝自動計量及費用核算系統(tǒng)，可清楚地解決段與段之間，局與局之間機車整備上砂的費用核算問題。

6結(jié)語

機車脈沖式氣力輸送固定上砂系統(tǒng)解決了現(xiàn)有上砂方式效率低、勞動強度大、無法準確計量上砂量、環(huán)境污染、安全風險大等技術(shù)難題。

機車脈沖式氣力輸送系統(tǒng)與其他固體輸送系統(tǒng)，如帶式輸送機、振動及螺旋輸送機等比較，其優(yōu)點及特點如下：

(1)所有的固體輸送設備與氣力輸送系統(tǒng)相比，氣力輸送系統(tǒng)是小顆粒固體物料連續(xù)輸送的最適合的方法，同樣也適合間斷地將大批量顆粒物料從罐車、鐵路車輛和貨船輸送至儲倉；

(2)氣力輸送系統(tǒng)對充分利用空間的設計有極好的靈活性。氣力輸送機可向上、向下或圍繞建筑物大的設備及其他障礙物輸送物料，可以使輸送管高出或避開其他操作設備所占用的空間；

(3)氣力輸送系統(tǒng)所采用的各種固體物料輸送泵、流量分配器容易實現(xiàn)自動化，可以節(jié)省操作人員的費用；

(4)與其他固體物料輸送方法比較，氣力輸送機著火和爆炸的危險性小，因此具有安全的優(yōu)點；

(5)機車脈沖式氣力輸送固定上砂系統(tǒng)將會有效地統(tǒng)計砂量核算每臺機車的上砂量、上砂時間。

機車脈沖式氣力輸送固定上砂系統(tǒng)基本上不受氣候、環(huán)境影響，不僅能適應機車整備上砂，還能推廣應用在動車組、地鐵車輛、有軌電車車輛上砂作業(yè)，應用前景將十分廣闊。機車脈沖式氣力輸送固定上砂系統(tǒng)的廣泛應用，可以解決各個路段、鐵路局車輛上砂計量管理的問題。從成本、效益、安全等綜合因素來考量，機車脈沖式氣力輸送固定上砂系統(tǒng)必將得到廣泛的應用和發(fā)展，在機務整備標準化建設中機車脈沖式氣力輸送固定上砂系統(tǒng)全路市場占有率達80%。

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Discussion on Fixed Pulse Pneumatic Sand Feeding Facilities for locomotive

ZHENG Qing-song

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Abstract：The paper focuses on the existing problems in locomotive sand feeding in view of the current sand feeding practices and technical standards at home and puts forward the scheme for locomotive sand feeding by pulse pneumatic means according to site requirements. Basic functions and structure of the sand feeding system are described in detail. Finally， the paper draws a conclusion that the existing technical problems such as low efficiency， high labor intensity， failure to accurately measure the filling sand， environmental pollution and security risks can be solved with the new system．

Key words：Locomotive， Servicing， Sand feeding， Pulse， Pneumatic sand feeding

中圖分類號：U268.5+5

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.031

文章編號：1004-2954(2016)04-0130-04

作者簡介：鄭青松(1970—)，男，高級工程師，1993年畢業(yè)于西南交通大學熱能動力機械與裝置專業(yè)，工學學士，E-mail：13971346538@139.com。

基金項目：中鐵第四勘察設計院集團有限公司科技研究計劃課題(2013K63)

收稿日期：2015-09-21； 修回日期：2015-10-10