GCX1000轨道除雪车抛雪风机的设计与应用研究
2017-01-09张峥明
张峥明
(中国铁建高新装备股份有限公司,云南昆明650215)
GCX1000轨道除雪车抛雪风机的设计与应用研究
张峥明
(中国铁建高新装备股份有限公司,云南昆明650215)
GCX1000轨道除雪车是为我国铁道线路开发的专用除雪设备,中间抛雪装置是其主要除雪装置,可清除铁路道床表面线路中心2.6 m宽范围内的积雪,尽可能消除积雪对线路行车安全的影响。抛雪风机是中间抛雪装置的核心部件,采用后向直叶片离心风机的结构形式,每个风机包含2个并排安装的叶轮,可将道床上被清扫进入风机的积雪通过中间的抛雪口抛离道床。中间工作小车前后共有2组抛雪风机,对称布置,可双向进行除雪作业。试验过程表明,GCX1000轨道除雪车的中间抛雪装置采用抛雪风机的结构形式,除雪效率高,功能可靠,应用效果良好。
轨道除雪车;抛雪风机;设计与应用;铁路道床;行车安全
GCX1000轨道除雪车是根据我国铁路道床结构设计的用于清除道床表面积雪的新型大型养护机械,可以快速清除道床表面的积雪,并将积雪推送或抛送至指定区域。
根据道床表面积雪的深度,整车设计有2种除雪装置,分别位于车体的两端和中间。车体两端的除雪装置用于清除轨面20 mm以上的深积雪,中间抛雪装置用于清除道床表面轨枕(无砟线路为道床板)以上到轨面的积雪。
我国铁道线路运行比较繁忙,除部分开行列车少的线路或少数风口地段,正常情况下积雪的高度都在轨面以下,因此,中间抛雪装置是GCX1000轨道除雪车主要的除雪装置。中间抛雪装置全部安装于相对于主车独立的工作小车上,除雪作业时工作小车落至轨面,只通过前端的牵引杆与主车相连,牵引杆给工作小车提供向前作业的动力。通过清扫和抛雪相结合的方式将轨面以下的积雪清除,并抛送至指定区域。除雪作业完成后,工作小车被提升并可靠地锁定至主车上,从而保证整车联挂或区间高速运行时的安全性。抛雪风机是中间抛雪装置的关键部件,其性能直接影响除雪量、作业速度、抛雪距离等作业效果。
1 抛雪风机的功能及工作原理
抛雪风机主要作用[1]是将扫进风机的积雪高速抛出。工作过程主要分以下3个阶段:
1)积雪进入。抛雪风机为离心式风机[1],风机面向清扫装置这一侧是敞开的,道床表面的积雪在清扫装置的作用下离开道床,并被扫进抛雪风机,见图1。
图1 积雪进入抛雪风机示意
2)积雪加速。当被扫起的积雪进入抛雪风机后,会落到高速旋转的风机叶片上,并随叶片高速旋转不断地向叶片端部运动,雪的速度会越来越快,直到被风机的蜗壳挡住。
3)积雪抛出。当叶片端部的雪随叶片转到抛雪风机出口区域时,由于蜗壳形状变化,雪会脱离叶片并被高速甩出,从抛雪风机出口抛出[2],见图2。
图2 抛雪风机工作原理示意
2 抛雪风机的结构特点
抛雪风机的结构设计除满足除雪性能外,同时兼顾安装结构及作业运行的安全。其具有以下特点:
1)风机结构形式为后向直叶片离心风机[3]。常用离心风机采用的叶片形式有径向直叶片、前倾直叶片、后倾直叶片、前弯曲叶片、径向弯曲叶片、后弯曲叶片等。后3种叶片的制造工艺复杂,且有物料经过叶片时抗撞击能力不如直叶片,容易产生变形而损坏,不利于前期加工和后期维护,因此,抛雪风机采用直叶片的形式。初步选择径向直叶片,其优点在于形状简单、安装方便、叶片强度高,但空气进入叶轮时会有较大撞击损失,噪音大,效率较低。
2)抛雪风机有2个独立叶轮和1个风机出口在矩形的风机壳体内。2个独立叶轮水平并排安装,2个蜗壳分别围绕2个叶轮,但2个蜗壳的出口在风机壳体上部中间位置合并。2个叶轮的结构对称,旋转方向相反,转速相同。由于采用了2个叶轮,在保证抛雪风机作业覆盖2.6 m宽度范围的同时,显著减小了叶轮的直径,降低了风机的高度。同时,进入风机2个叶轮的积雪,最后都可通过风机中间上方同一个出口经导向装置抛向指定区域。
3)风机入口有导流装置。因风机的叶轮和蜗壳在径向上是圆形的,在抛雪风机中心面以下的位置,扫起的积雪有一部分不能直接进入叶轮区域。在积雪不能直接进入叶轮的区域设置有导流装置,使扫起的积雪经导流装置导向后再进入风机,避免再次落回道床上,从而在整个道床面上实现一致的除雪效果。
4)作业时风机位于轨面以上。为保证清扫装置扫起的积雪进入到风机,抛雪风机的位置越低越好。除雪作业过程中,除雪速度较快,而线路被积雪覆盖,为避免除雪装置对线路上的设备造成损坏,抛雪风机始终处于轨面以上。这增加了雪进入抛雪风机的难度。
5)中间工作小车上有前后2组抛雪风机,整车可进行双向除雪作业。除雪作业时,清扫装置是将雪向前扫离道床,在清雪装置的前后都有抛雪风机。因此,无论朝哪个方向扫雪,只需要对应侧的抛雪风机工作,即可进行除雪作业,从而保证整车可双向除雪。不需要在线路上调头,可显著节约调车时间,提高工作效率。
3 主要参数的确定
3.1 叶轮的主要参数
抛雪离心风机结构参数示意如图3[4-6]。
图3 抛雪离心风机结构参数示意
1)叶轮卸载角[7]
叶轮卸载角φx是指将2个叶片之间的积雪被完全抛出这一时间段内,叶片转过的角度。将积雪视为无黏合力的散状颗粒,则
式中,ζ为系数,可近似用式(2)计算。
式中,μ为雪粒与叶片间的摩擦系数,随雪密度与外界气温的变化而变化。
雪与钢之间摩擦系数见表1[8]。
表1 雪与钢之间摩擦系数
根据除雪车的实际工作环境,环境温度为-25℃,取雪的密度ρ=200 kg/m3,由表1可知μ为0.1。代入式(2)可得ζ=0.91,代入式(1)进而求得φx≥1.1 rad,即φx≥63°,因此叶片间的夹角应>63°,每个风机叶轮取5个叶片。
2)叶轮半径
叶轮半径R由除雪车的生产率和风机转速确定,同时需要考虑雪在风机中的流量系数。风机转速为
式中:n为风机转速,n=400 r/min;Ψ为流量系数,Ψ=0.94;Qmax为单个叶轮的最大除雪生产率,m3/s; D为叶轮直径,m,计算式为
按除雪车的设计要求,由于除雪车的最大除雪宽度Lmax=2.6 m,最大除雪高度hmax=0.28 m,最大作业速度Vmax=60 km/h,可知单个叶轮除雪的最大生产率Qmax=LmaxhmaxVmax/2=6.066 7 m3/s,代入式(4)可得叶轮的直径D=0.732 9 m。
为满足设计要求,叶轮的直径应≥0.732 9 m,考虑到整车要求的除雪宽度,为便于有效收集滚刷扫起的积雪,风机叶轮的直径尺寸应尽量达到除雪宽度尺寸。因此,抛雪风机采用双叶轮并排安装的方式,叶轮的直径取1.2 m,即半径为0.6 m。
3)叶片宽度
风机的叶片宽度B计算式为
式中,系数k取1.3,则叶片宽度B=0.39 m。
化合物7,无色针状结晶,ESI-MS m/z 137 [M-H]-1, 1H NMR (600 MHz, MeOD) δ∶7. 87 (2H, d,J=8. 4 Hz, H-2, 6), 6.80 (2H, d,J=8. 4 Hz, H-3, 5); 13C NMR (150 MHz, MeOD) δ∶123. 7 (C-1), 132. 9 (C-2, 6), 115. 9 (C-3, 5), 163. 1 (C-4), 170. 9 (-COOH)。以上数据与文献[15]报道的对羟基苯甲酸基本一致,故确定化合物7为对羟基苯甲酸。
4)叶片工作长度
式中:lw为叶片工作长度;K为卸载角影响系数。
x摩擦力和密度有关,其表达式为
将各值代入式(7),得到K=3.388 4,由式(6)求得叶片的工作长度lw=0.423 m。
3.2 风机出口截面尺寸的确定
离心风机的抛雪效率与其几何尺寸和转速有关,理想情况下,忽略叶片和蜗壳之间的间隙,设风机出口截面的长度为l,宽度为叶片宽度B,则风机的理论生产率[9]为
式中:vy为叶片端部的线速度。
经计算可知l=0.309 m是风机在扫雪过程中不发生堵塞的临界条件。
又因风机的叶轮卸载角φx≥63°,所以风机的抛雪口截面长度l对应的叶轮转动角度α不得小于63°,这样才能保证叶片上的积雪一次性抛清,而不会产生堆积进入下一次抛雪循环中去。如图4所示,当l=0.309 m时,可以求得抛雪口对应的叶轮转动角度α为
α不能满足一次性抛净积雪的要求。考虑到实际工作环境对雪物理性质的影响、线路积雪厚度不均等情况,取α=63°,则此时l=0.327 mm,既满足一次性抛净积雪的要求,也保证了风机不发生堵塞。
图4 离心风机出风口示意
3.3 抛雪风机的功率计算
抛雪风机功率P的计算公式为
式中:K1为风机的形状系数,K1=1;ε0为密度变化系数,ε0=1.2。
将已知参数代入式(12),可得P=118.89 kW。
4 抛雪风机的应用效果分析
GCX1000轨道除雪车样车完成后立即进行试验,已在沈阳和哈尔滨铁路局的部分线路中进行了除雪作业,作业情况如图5和图6所示。
在作业线路不同、积雪情况不同的情况下,道床轨枕以上的积雪都能被扫进抛雪风机,随后被抛雪风机抛出,不会发生堵转等情况,并且经特定的抛雪设备抛送至道床外指定的区域。当前后风机都同时运行时,能更好地保证除雪效果。
图5 GCX1000现场作业试验
图6 作业后轨枕及扣件
通过多次作业试验表明,中间除雪工作装置的作业效果满足线路的除雪要求。作业过后,覆盖在钢轨、扣件及轨枕上的积雪被清除,有效地消除了积雪对线路行车安全的影响,保证了列车的运行安全。
5 结语
抛雪风机是GCX1000轨道除雪车中间工作装置的关键部件,通过进行合理地结构设计和参数匹配,有效地保证了中间工作装置的除雪效果。
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Research on Design and Application of Throwing Snow Ventilator on GCX1000 Track Snow Sweeper
ZHANG Zhengming
(CRCC High-tech Equipment Corporation Limited,Kunming Yunnan 650215,China)
GCX1000 track snow sweeper is a kind of special snow removing equipment developed for railway line in China and the intermediate snow throwing device is the main snow removing device which could remove the snow in a wide range of 2.6 m from the line center of railway ballast bed surface in order to eliminate the effect of accumulated snow on railway traffic safety.T he throwing snow ventilator is the core component of intermediate snow throwing device,the structure of the backward straight blade centrifugal fan is adopted,and each fan consists of two impellers mounted side by side,which could throw the accumulated snow swept into the fan off the ballast through the middle snow throwing exit under the action of centrifugal force.T here are two sets of throwing snow ventilator in the front and rear of the middle work trolley,which are symmetrically arranged,and the snow removing operation can be implemented bidirectionally.T he test process show that the throwing snow ventilator structure is adopted in the intermediate snow throwing device of GCX1000 track snow sweeper,which has high snow removing efficiency,reliable function and good application effect.
T rack snow sweeper;T hrowing snow ventilator;Design and application;Railway ballast bed;T raffic safety
U216.6
A
10.3969/j.issn.1003-1995.2016.12.33
1003-1995(2016)12-0125-04
(责任审编李付军)
2016-05-16;
2016-07-22
张峥明(1985—),男,工程师,硕士。