一種隧道清洗車真空吸污系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙俊杰，時(shí)洪光，張保福

（中車山東機(jī)車車輛有限公司，1、3，工程師，2、高級(jí)工程師，山東 濟(jì)南 250000）

隨著地鐵軌道交通運(yùn)營速度提高，車輛的高速穿行將在地鐵隧道內(nèi)產(chǎn)生活塞風(fēng)，在其作用下隧道內(nèi)鐵路道床及排水溝將沉積大量污物，如不及時(shí)清理將影響行車安全及人員健康，由于作業(yè)天窗期的限制，傳統(tǒng)的人工清掃方式已無法滿足長(zhǎng)線路高效作業(yè)的需求［1］。隧道清洗車應(yīng)運(yùn)而生，該車主要由高壓水系統(tǒng)、毛刷滾刷系統(tǒng)和真空吸污系統(tǒng)組成。真空吸污系統(tǒng)的性能對(duì)作業(yè)效果起到關(guān)鍵性作用。

1 真空吸污系統(tǒng)原理

真空吸污系統(tǒng)主要由吸污單元、過濾器室、污物箱和真空風(fēng)機(jī)組成（見圖1）。該系統(tǒng)可將污水及污物收集，并用真空風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓進(jìn)行抽吸，固體污物存放在污物箱內(nèi)，液體則存放在污水箱內(nèi)，在污物箱和真空風(fēng)機(jī)間設(shè)置有過濾器系統(tǒng)，可將空氣內(nèi)的微小顆粒進(jìn)行有效過濾。

圖1 真空吸污系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在清掃過程中，只有當(dāng)真空風(fēng)機(jī)形成的負(fù)壓在吸塵口進(jìn)口處產(chǎn)生的氣流流速大于顆粒的起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，垃圾顆粒才有可能脫離地面進(jìn)入氣流被吸塵口吸起［2］。傳統(tǒng)通過增加真空風(fēng)機(jī)功率的方式來增加真空吸污能力，但此方式吸污能力增幅有限且功耗噪音也隨之增大。查閱相關(guān)資料顯示當(dāng)真空系統(tǒng)要求的風(fēng)量特別大時(shí)可采用并聯(lián)或串聯(lián)真空風(fēng)機(jī)滿足要求。由于真空吸污系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)限制本文選用真空風(fēng)機(jī)并聯(lián)方式進(jìn)行研究。

2 并聯(lián)真空系統(tǒng)特性研究

可將吸污單元、過濾器室、污物箱視為一個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)，與真空風(fēng)機(jī)組成真空系統(tǒng)。通常所說的真空風(fēng)機(jī)性能點(diǎn)，即為真空風(fēng)機(jī)的性能曲線與管網(wǎng)特性曲線的交點(diǎn)，稱之為運(yùn)行工況點(diǎn)。對(duì)于管網(wǎng)系統(tǒng)，管網(wǎng)特性曲線符合△P=KQ2關(guān)系式，其中P為壓強(qiáng)，Q為風(fēng)量，管網(wǎng)系統(tǒng)一定時(shí)，K為常數(shù)。并聯(lián)真空風(fēng)機(jī)要克服的是同一系統(tǒng)的管網(wǎng)阻力，而管網(wǎng)中通過的風(fēng)量則是并聯(lián)各臺(tái)真空風(fēng)機(jī)產(chǎn)生風(fēng)量的疊加［3］。圖2為兩臺(tái)特性曲線相同的真空風(fēng)機(jī)并聯(lián)合成特性曲線。由圖1可知，兩臺(tái)真空風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)管網(wǎng)中輸出的總風(fēng)量，小于兩臺(tái)真空風(fēng)機(jī)在該管網(wǎng)中單獨(dú)運(yùn)行時(shí)輸出的風(fēng)量的代數(shù)和。管網(wǎng)特性曲線R與單臺(tái)真空風(fēng)機(jī)特性曲線交于A1，與兩臺(tái)并聯(lián)真空風(fēng)機(jī)的合成特性曲線交于A。此時(shí)如果僅啟用一臺(tái)真空風(fēng)機(jī)，則系統(tǒng)吸風(fēng)量為qvA1；如果兩臺(tái)真空風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟，系統(tǒng)吸風(fēng)量則為q；從圖1可發(fā)現(xiàn)q＜2q。vAvAvA1然而，兩臺(tái)真空風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟后，對(duì)兩臺(tái)真空風(fēng)機(jī)單獨(dú)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)它們各自工作在A1＇點(diǎn)上，此時(shí)真空風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓力將克服管網(wǎng)阻力，即相當(dāng)于它們各自工作在特性曲線為R的管網(wǎng)中。此時(shí)單臺(tái)真空風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量由qvA1降至qvA1，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)中系統(tǒng)產(chǎn)生的總風(fēng)量為qvA=2qvA1＇。看起來是兩臺(tái)真空風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，其中一臺(tái)真空風(fēng)機(jī)給另一臺(tái)真空風(fēng)機(jī)制造了阻力。這是因?yàn)閮膳_(tái)真空風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，其中一臺(tái)真空風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量已經(jīng)占據(jù)了管網(wǎng)系統(tǒng)一部分容積，所以對(duì)另一臺(tái)真空風(fēng)機(jī)而言相當(dāng)于其有效流通容積相對(duì)縮小了，故阻力也就相對(duì)增大了，二者互為因果。

圖2 兩臺(tái)特性曲線相同的真空風(fēng)機(jī)并聯(lián)合成特性曲線

圖3為兩臺(tái)特性曲線不同的真空風(fēng)機(jī)并聯(lián)合成特性曲線，從圖3也可得出上述相同結(jié)論。只是產(chǎn)生的總風(fēng)量比兩臺(tái)真空風(fēng)機(jī)在該管網(wǎng)中單獨(dú)運(yùn)行產(chǎn)生風(fēng)量之和更小，即qvA＜qvA1+qvA2。

圖3 兩臺(tái)特性曲線不同的真空風(fēng)機(jī)并聯(lián)合成特性曲線

圖4為特性曲線有峰值的兩臺(tái)不同真空風(fēng)機(jī)并聯(lián)曲線，當(dāng)管網(wǎng)特性曲線為R1時(shí)，在此管網(wǎng)系統(tǒng)中，單獨(dú)啟用小、大真空風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的風(fēng)量分別為qvA1和qVa2，兩臺(tái)真空風(fēng)機(jī)同時(shí)啟用產(chǎn)生風(fēng)量為qvA，但qvA＜qvA1＋qvA2。如果管網(wǎng)特性曲線為R2，它與大真空風(fēng)機(jī)和與并聯(lián)合成的特性曲線交點(diǎn)都為B；這時(shí)單獨(dú)啟用大真空風(fēng)機(jī)時(shí)管網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的風(fēng)量為qvB，兩臺(tái)真空風(fēng)機(jī)同時(shí)啟用時(shí)管網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生風(fēng)量仍為qvB，此時(shí)小真空風(fēng)機(jī)不起作用。如果管網(wǎng)特性曲線為R3，單獨(dú)啟用大真空風(fēng)機(jī)時(shí)管網(wǎng)中輸出風(fēng)量為qVc2，兩臺(tái)真空風(fēng)機(jī)同時(shí)啟用后管網(wǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的風(fēng)量不增反降至qVc，此時(shí)小真空風(fēng)機(jī)在管網(wǎng)系統(tǒng)中起負(fù)作用?？梢娭挥挟?dāng)管網(wǎng)阻力比較小，其特性曲線與風(fēng)機(jī)的并聯(lián)合成特性曲線交于B點(diǎn)右側(cè)時(shí)，并聯(lián)運(yùn)行才起到增加風(fēng)量作用，離B點(diǎn)越遠(yuǎn)效果越顯著，這里稱B點(diǎn)為并聯(lián)運(yùn)行的臨界點(diǎn)。

圖4 特性曲線有峰值的兩臺(tái)不同真空風(fēng)機(jī)并聯(lián)曲線

經(jīng)過以上分析可以得出，對(duì)于在長(zhǎng)時(shí)間大風(fēng)量工況條件下運(yùn)行偶爾由于載荷降低需要臨時(shí)停用一臺(tái)真空風(fēng)機(jī)時(shí)，應(yīng)按圖1選用兩臺(tái)相同的通風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。對(duì)于經(jīng)常在小風(fēng)量工況條件下運(yùn)行偶爾由于載荷增加需要臨時(shí)增開一臺(tái)真空風(fēng)機(jī)時(shí)應(yīng)按圖2或圖3選用兩臺(tái)不同的真空風(fēng)機(jī)并聯(lián)。

3 新型真空吸污系統(tǒng)

經(jīng)過對(duì)真空風(fēng)機(jī)并聯(lián)管網(wǎng)特性分析可知，選用相同管網(wǎng)特性的真空風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作是提升真空吸污系統(tǒng)風(fēng)量的有效途徑。由此提出一種新型真空吸污系統(tǒng)，該系統(tǒng)在真空系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加風(fēng)能回收裝置和并聯(lián)扇葉實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作以增強(qiáng)真空吸污系統(tǒng)吸污能力。其工作原理是在真空風(fēng)機(jī)出風(fēng)口裝有導(dǎo)風(fēng)管，導(dǎo)風(fēng)管另一端與風(fēng)能回收裝置連接，真空風(fēng)機(jī)出風(fēng)口產(chǎn)生的風(fēng)能通過導(dǎo)風(fēng)管驅(qū)動(dòng)風(fēng)能回收裝置內(nèi)渦輪高速旋轉(zhuǎn)［4］，高速旋轉(zhuǎn)的渦輪通過帶傳動(dòng)用以驅(qū)動(dòng)安裝在過濾器室上的并聯(lián)真空葉輪與真空風(fēng)機(jī)一同并聯(lián)工作。為了使并聯(lián)真空葉輪產(chǎn)生的風(fēng)量與真空風(fēng)機(jī)風(fēng)量匹配方便，采用與真空風(fēng)機(jī)尺寸相同的葉輪。隨后只需通過調(diào)整帶傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比以及風(fēng)能回收裝置中渦輪參數(shù)即可達(dá)到真空風(fēng)機(jī)的同等工況。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)真空風(fēng)機(jī)并聯(lián)條件下管網(wǎng)特性曲線分析得出相同真空風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作方式為優(yōu)；在此基礎(chǔ)上提出基于氣動(dòng)渦輪傳動(dòng)原理的新型真空吸污系統(tǒng)，即在原系統(tǒng)中通過增加風(fēng)能回收裝置即可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的并聯(lián)真空抽吸功能，為增強(qiáng)隧道清洗車真空吸污能力提供一種新的思路。