某集塵過(guò)濾裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

袁 芬, 張海翔， 張 明, 李明華, 李 彪

(1.中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京 100072;2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)人才研究中心，北京 100072)

隨著高速鐵路的發(fā)展，鐵路軌道的維修和維護(hù)也日益被重視.在鋼軌的使用過(guò)程中，鋼軌會(huì)出現(xiàn)肥邊、裂紋、振動(dòng)等現(xiàn)象，鋼軌打磨車(chē)可以及時(shí)消除這些問(wèn)題，保證軌道的的正常使用.因此為更高效、更安全地維護(hù)軌道，鋼軌打磨列車(chē)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并有力促進(jìn)了我國(guó)高速列車(chē)的發(fā)展[1].但在鋼軌打磨過(guò)程中產(chǎn)生的大量高溫?zé)焿m和鐵屑，若不及時(shí)收集，當(dāng)機(jī)車(chē)高速運(yùn)行時(shí)會(huì)將鐵屑卷起損壞列車(chē)上的傳感器，粉塵也會(huì)附著在鐵路沿線(xiàn)的電器設(shè)備上，容易造成設(shè)備短路，影響行車(chē)安全.同時(shí)粉塵的擴(kuò)散也會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)污染[2].因此，隨時(shí)收集打磨過(guò)后的煙塵和鐵屑成為鋼軌打磨車(chē)必須有的功能之一，集塵過(guò)濾裝置就是滿(mǎn)足這一功能的專(zhuān)用設(shè)備.

由于軌道維護(hù)在國(guó)內(nèi)屬于新興產(chǎn)業(yè)，集塵過(guò)濾裝置相關(guān)的產(chǎn)品采用直接引進(jìn)或者仿制兩種手段.直接引進(jìn)價(jià)格昂貴，維修保養(yǎng)也是一項(xiàng)繁瑣的事情，因此仿制成為各大軌道主機(jī)廠研究的內(nèi)容.而在仿制過(guò)程中如何掌握其核心技術(shù)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，同時(shí)降低成本，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化才是目的.某機(jī)車(chē)引進(jìn)的集塵裝置在使用過(guò)程中出現(xiàn)國(guó)外馬達(dá)、風(fēng)機(jī)維修成本高、周期長(zhǎng)，以及在風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中艙體振動(dòng)和整機(jī)價(jià)格昂貴等問(wèn)題.為解決上述問(wèn)題，本研究根據(jù)機(jī)車(chē)空間要求選擇了國(guó)產(chǎn)馬達(dá)、風(fēng)機(jī)等重要元件，并進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)縱向布置連接裝置，通過(guò)骨架設(shè)計(jì)保證了艙體的鋼強(qiáng)度，通過(guò)流場(chǎng)分析進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計(jì)，奠定了完全替代的技術(shù)基礎(chǔ)，推進(jìn)了國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程.

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

集塵過(guò)濾裝置主要由進(jìn)氣腔、過(guò)濾腔、風(fēng)機(jī)裝置、反吹腔和集塵盒等組成，如圖1所示.液壓泵和風(fēng)機(jī)組成的風(fēng)機(jī)裝置作為整個(gè)集塵過(guò)濾裝置的動(dòng)力源，風(fēng)機(jī)裝置工作時(shí)在集塵艙體內(nèi)形成負(fù)壓，進(jìn)氣腔開(kāi)有進(jìn)氣口，與軌道表面連接，隨時(shí)吸收打磨過(guò)后殘留的塵屑.塵屑通過(guò)進(jìn)氣道進(jìn)行冷卻分離，大的石塊會(huì)通過(guò)進(jìn)氣口掉回鐵軌上，小的塵屑進(jìn)入過(guò)濾腔.在過(guò)濾腔內(nèi)通過(guò)濾芯進(jìn)行過(guò)濾，稍大的顆粒直接墜落在集塵盒內(nèi)，小的灰塵粘附在濾芯上.反吹腔內(nèi)反吹系統(tǒng)會(huì)定時(shí)啟動(dòng)，通過(guò)濾芯內(nèi)腔向外反吹，粘附在濾芯上的小顆粒在濾芯的振動(dòng)下墜入集塵盒內(nèi).過(guò)濾后的氣體通過(guò)濾芯內(nèi)腔在風(fēng)機(jī)作用下排到大氣中，排出的氣體要符合環(huán)保的要求.在設(shè)計(jì)過(guò)程中，風(fēng)機(jī)的選型和布置、風(fēng)道流場(chǎng)的設(shè)計(jì)是集塵裝置的核心.

圖1 某集塵裝置結(jié)構(gòu)圖

在集塵裝置的設(shè)計(jì)中，技術(shù)要求如下：

1)滿(mǎn)足列車(chē)的各項(xiàng)接口；

2)選用國(guó)產(chǎn)馬達(dá)和風(fēng)機(jī)并縱向布置；

3)設(shè)計(jì)風(fēng)量：7 000～8 400 m3/h；

4)含塵濃度≤20 mg/m3

國(guó)內(nèi)研制的集塵過(guò)濾裝置的動(dòng)力源大多以電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，如李海濱[3]設(shè)計(jì)的GMC96B型鋼軌打磨列車(chē)專(zhuān)用的集塵裝置.但在此次集塵過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì)中，需要選用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī).由于空間所限液壓馬達(dá)和風(fēng)機(jī)都要縱向布置.這在國(guó)內(nèi)的集塵過(guò)濾裝置中還不多見(jiàn)，同時(shí)為了節(jié)約研制成本和維修成本、縮短研制周期和后期的維修周期，經(jīng)過(guò)性能匹配，選擇國(guó)產(chǎn)華德A2F28W2P1型液壓馬達(dá)和標(biāo)準(zhǔn)的5#風(fēng)機(jī)，并設(shè)計(jì)了一套風(fēng)機(jī)縱向布置連接裝置.

1.2 風(fēng)機(jī)縱向布置連接裝置設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)縱向連接裝置分為兩部分：一部分為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，將馬達(dá)輸出軸的扭矩傳遞給渦輪，保證渦輪的有效運(yùn)轉(zhuǎn)；一部分為承載系統(tǒng)，將渦輪的重力和其旋轉(zhuǎn)起來(lái)的氣動(dòng)力通過(guò)連接裝置傳遞給渦殼，由渦殼承受所有縱向載荷，如圖2所示.

圖2 液壓馬達(dá)縱向布置的連接裝置

旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由鍵轂套、旋轉(zhuǎn)盤(pán)、旋轉(zhuǎn)套、軸承套等組成.馬達(dá)輸出軸通過(guò)平鍵與鍵轂套連接，鍵轂套通過(guò)四方凸臺(tái)將馬達(dá)輸出扭矩傳遞給旋轉(zhuǎn)盤(pán)，隨后通過(guò)旋轉(zhuǎn)套，將扭矩傳遞到軸承套，而軸承套與渦輪通過(guò)緊固件連接，這樣馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)可以有效帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn).

承載系統(tǒng)是本次連接裝置的核心，確保渦輪等所有裝置的重量通過(guò)該系統(tǒng)有效轉(zhuǎn)接到渦殼上.圓螺母和馬達(dá)連接法蘭組成的承載系統(tǒng)，有效地將雙列角接觸球軸承內(nèi)圈軸向固定，馬達(dá)連接法蘭通過(guò)緊固件與渦殼法蘭盤(pán)連接，保證所有重量轉(zhuǎn)接到渦殼上.

1.3 艙體骨架設(shè)計(jì)

原艙體全部選擇板材折彎拼接而成.為保證強(qiáng)度和焊縫的整潔，使用了很多搭接技巧，如圖3(a)所示.同時(shí)在大板上增加加強(qiáng)筋，即便如此依然會(huì)在風(fēng)機(jī)工作時(shí)出現(xiàn)頻繁振動(dòng)現(xiàn)象.究其原因，對(duì)于艙體而言其受力主要來(lái)自風(fēng)機(jī)帶來(lái)的負(fù)壓，由于風(fēng)機(jī)口在艙體的后上方，所以越靠近風(fēng)機(jī)口受力越大，在風(fēng)機(jī)的高頻運(yùn)動(dòng)下，板的強(qiáng)度不夠便帶來(lái)了振動(dòng)，但用增加壁厚的辦法來(lái)解決不是最優(yōu)的選擇.

為解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了兩種方案.方案一如圖3(b)所示，放棄大整板的辦法，對(duì)艙體進(jìn)行分段折彎，折彎部分拼接處相當(dāng)于加強(qiáng)筋，然后焊接.但由于板薄，容易造成焊接變形，且不易矯正，對(duì)外觀會(huì)有較大的影響.方案二如圖3(c)所示，借鑒車(chē)體方艙設(shè)計(jì)技巧，增加骨架結(jié)構(gòu)，來(lái)提高艙體的鋼強(qiáng)度，整機(jī)重量會(huì)稍有增加，對(duì)于機(jī)車(chē)而言，增加的重量易于接受.經(jīng)過(guò)權(quán)衡選擇了第二種方案.在整個(gè)樣機(jī)的試驗(yàn)中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)艙體的任何振動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)艙體外觀更為光整平滑.

圖3 艙體結(jié)構(gòu)

2 風(fēng)道流場(chǎng)設(shè)計(jì)分析

風(fēng)機(jī)工作時(shí)風(fēng)道內(nèi)形成一定的負(fù)壓和一定速度的氣流，引導(dǎo)磨屑和灰塵顆粒運(yùn)動(dòng).風(fēng)道是整個(gè)集塵裝置流體系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在集塵過(guò)濾裝置的功能中，氣場(chǎng)阻力的大小直接影響除塵效率和過(guò)濾能力，因此風(fēng)道流場(chǎng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定集塵過(guò)濾功能.為此專(zhuān)門(mén)針對(duì)風(fēng)道進(jìn)行仿真，并通過(guò)仿真模擬不斷對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖4所示.為保證風(fēng)道能夠有效攔截高溫磨屑，對(duì)大粒子進(jìn)行預(yù)分離機(jī)降溫，對(duì)內(nèi)部流線(xiàn)進(jìn)行了分析，如圖5所示.同時(shí)風(fēng)道進(jìn)氣口位置安裝防火鏈，阻擋大的石塊、高溫火花對(duì)內(nèi)部風(fēng)道的影響.

圖4 風(fēng)道結(jié)構(gòu)圖

圖5 風(fēng)道內(nèi)部流場(chǎng)分布圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

樣機(jī)生產(chǎn)完成后，對(duì)集塵過(guò)濾裝置進(jìn)行性能試驗(yàn)，分別對(duì)系統(tǒng)供油壓力、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)出口速度、集塵裝置進(jìn)氣口速度進(jìn)行采樣，數(shù)據(jù)如表1所示.由表1可以看出，在供油壓力至10 MPa，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速至2 580 r/min時(shí)，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量為7 101.86 m3/h，達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

表1 集塵過(guò)濾裝置性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

對(duì)該裝置進(jìn)行了可靠性試驗(yàn).集塵過(guò)濾裝置陸續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)28 h，最長(zhǎng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)4 h，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，無(wú)機(jī)械摩擦及明顯發(fā)熱現(xiàn)象，艙體無(wú)任何振動(dòng)，充分證明了該裝置的可行性和可靠性.經(jīng)檢測(cè)，出口粉塵濃度0.9 mg/m3，完全達(dá)標(biāo).

4 結(jié) 論

為完成利用國(guó)產(chǎn)風(fēng)機(jī)和馬達(dá)完成某集塵過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了集塵過(guò)濾裝置的方案設(shè)計(jì)，研究了風(fēng)機(jī)縱向布置結(jié)構(gòu)、艙體強(qiáng)度和風(fēng)道設(shè)計(jì).通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全可以保證國(guó)產(chǎn)部件應(yīng)用的要求，減少生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期.該項(xiàng)研究補(bǔ)充了我國(guó)集塵過(guò)濾裝置的研究?jī)?nèi)容，進(jìn)一步推動(dòng)了我國(guó)集塵過(guò)濾裝置的能力建設(shè).今后可以增加該集塵過(guò)濾裝置與國(guó)外同類(lèi)型產(chǎn)品的性能對(duì)比研究，不斷優(yōu)化和提高國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì).