列车底部内腔粉尘漫反射监测方法及轨迹分析

杨则云，盖增杰，周伟，李文辉，单永林

（1.中南大学 交通运输工程学院，湖南长沙410075；2.中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室，轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室，轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心，湖南长沙410075；3.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111）

在日常生产生活中存在大量粉尘，这些粉尘聚集会影响设备性能和生产安全，如电气设备的元器件损坏、绝缘材料性能退化等等，导致严重的安全隐患.因此，科学捕捉粉尘，实施行之有效的隔尘、防尘措施对生产生活都有重要意义.

国内外专家学者对粉尘的检测与捕捉进行了大量的研究工作.王和堂等[1]采用雷诺判定准则对井巷内空气的流动状态进行了分析，从理论上研究了层流和湍流两种情形下粉尘颗粒的运动特性，导出了粉尘颗粒在矿井空气中的运动方程.项先忠[2]分析了除尘器内的涡流状况和固体颗粒的运动轨迹及影响除尘效率的因素，并在大涡模拟结果的指导下，提出了以内构件导流整流提高环流式旋风除尘器性能的措施.刘毅等[3]运用气固两相流动理论建立了粉尘运动的数学模型，采用计算流体力学的FLUENT软件，对工作面的粉尘运动规律进行数值模拟，结果显示，粉尘产生后多数随风流在煤壁一侧运动，少数粉尘随机扩散.于明州等[4]采用大涡模拟的方法（LES）模拟了粉尘颗粒运动，针对平面尾迹流和湍流射流这 2种基本流场类型对不同 stokes（St）数粉尘颗粒随流场的空间分布特性进行了数值模拟.张建平等[5]建立了气体流场、颗粒动力场与电场相互耦合作用的数学模型，描述静电除尘器内流动特性以及粉尘颗粒的捕集过程，讨论了多场耦合作用下不同工作电压、含尘气流入口速度对颗粒运动轨迹的影响.苏明旭等[6]将气相作为连续介质，采用kε-双方程湍流模型对管式电除尘器中的气固两相流动流场进行数值模拟，并指出颗粒运动特性和除尘效率与电压、气流速度和颗粒粒径等 3个主要因素相关.马云东等[7]利用数值模拟方法计算小空间粉尘颗粒的扩散规律和颗粒运动轨迹，同时借助虚拟现实和现代计算机技术进行颗粒运动轨迹的再现.黄优等[8]对筛分车间内气流中的粉尘进行了受力分析，建立了选煤厂筛分车间粉尘运动轨迹方程，通过计算得知在筛分车间内粉尘的运动扩散主要受到气流曳引力、粘性阻力、虚假质量力、Basset力和旋转升力的作用.王明[9]采取理论分析、现场实测、相似实验、数值模拟及现场应用相结合的研究方法，对高溜井卸矿时冲击气流的产生和粉尘的扩散规律进行了研究并对其影响因素进行了分析.

综上，电除尘器、生产车间和矿井里的粉尘运动是目前主要研究的粉尘对象.目前，高速铁路在我国发展迅速，在西部地区，高速铁路常常要经过强风沙环境，高速列车底内腔电器设备舱内易进入沙尘，其运动轨迹和聚集成因尚不可知.因此，本文创新提出列车底部内腔粉尘漫反射监测方法并开展轨迹分析，以期对风沙环境下高铁列车内腔防尘、提高列车电气设备服役寿命、保证列车运行安全提供指导.

1 监测方案

1.1 监测原理

在光的传播过程中，光线照射到粒子时，如果粒子大于入射光波长很多倍，则发生光的反射；如果粒子小于入射光波长，则发生光的散射，这时观察到的是光波环绕微粒并向其四周放射的光，称为散射光或乳光（即丁达尔效应）.在自然光照或光照条件不好的情况下，若有一束相对较亮的光束，我们往往能够从光束中捕捉到粉尘粒子的运动轨迹，此现象在夜间黑暗条件下尤为明显.

本文观测对象为风沙地区动车组设备舱内粒径＜0.25 mm 的细沙或粉沙[10]，由于粒子粒径大于入射光波长，采用沿光路的粒子漫反射原理进行观测.将粉尘视为一球形粒子，当一束平行的入射光线射到粒子球形表面时，表面会把光线向着四面八方反射，所以入射线虽然互相平行，但由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向的漫反射，如图1所示.

图1 平行光束下粉尘的光线漫反射效应

经粉尘粒子反射的漫射光，由高清摄像机捕捉为一微小发光体.在粉尘粒子浓度较高时，能够通过光束监测到粒子的总体运动趋势；当粉尘粒子浓度较低时，可通过跟踪典型粒子的光点轨迹监测粉尘运动轨迹.

1.2 设备布置

监测对象为风沙地区列车设备舱内沿水平面的运动沙粒粉尘.因此，在关注区域沿车长方向等间距布置若干组直射光源，光源的光束照射方向沿车宽方向，如图2所示.光源间距的设置既要能保证光束在相机的观测范围内，又要能合理反映不同光束内粉尘粒子的运动连续性；在设备舱顶部横梁位置安装高清监测相机，相机视线方向垂直朝下，捕捉阵列光束中由于细沙/粉沙颗粒表面漫反射所产生的漫射光，以此监测粉尘颗粒的运动轨迹.

图2 粉尘颗粒运动轨迹监控方案图

设备舱内环境光照亮度较好，但由于其光亮为外部服役环境透射进设备舱的散射光，而非沿某一方向的集中光束，因此很难通过摄像头捕捉粉尘颗粒的运动轨迹.采用上述方案，可以实时监测到由于设备舱内空气流动而携带的沙尘颗粒运动轨迹，一方面，可为风沙地区高速动车组设备舱内的流场流向提供监测手段；另一方面，可为设备舱内关键区域的积沙粉尘迁移及卸载分布特性提供监测数据.

2 应用验证

选取新疆风区铁路动车组头车1车设备舱内的进风设备出风口、端板区域作为细沙粉尘颗粒的监测部位，监测设备采用KOPPACE的SMART-3000M系列HDMI输出高清工业相机，光源采用集成 COB轨道射灯（36 W）.监测摄像机通过设备舱顶部横梁和连接工件安装于顶部，监测方向垂直向下；3组阵列光源的安装方式类似，其直射光均沿车宽方向进行投射，现场设备的安装情况如图3所示.

图3 设备舱内监测设备安装图

对乌鲁木齐到兰州经路的动车组监测数据进行分析，在经过兰新客运专线烟墩风区线路积沙较为严重区段时，设备舱内的细沙粉尘运动较为明显，体现在两方面：

1）选取2016年7月9日设备舱进风设备的舱内出风口区域的监控视频，当动车组以200 km/h车速通过积沙严重区段时，可监控到出风口滤网的细沙粉尘呈现喷射现象，且当上行正向运行靠近积沙较为严重的挡风墙区域时，粉尘喷射现象相对于下行正向运行工况更加显著，如图4所示.

图4 高寒车设备舱内进风设备出风口细沙粉尘颗粒运动轨迹

由粉尘运动轨迹分析结果可知，动车组高速运行过程中，线路积沙随气动效应卷起上扬，细沙经进风设备出风口滤网过滤后，小粒径粉沙由出风口喷射进入设备舱.由此可见，设备舱积沙主要来源于进风裙板，在进风防沙设计时应重点考虑设备舱进风裙板滤网和设备舱内出风口滤网的设计.

2）选取2016年7月9日端板区域的监控视频，当动车组以200 km/h车速通过积沙严重区段时，其端板区域、裙板区域、底板区域的细沙粉尘颗粒的运动形成了涡状轨迹，且分别作为头车和尾车运行时其涡的呈现方式亦有差异，如涡的大小和旋向，但并无类似于舱内出风口的单方向沙粒运动轨迹，如图5～7所示.

为深入分析高速动车组设备舱的积沙来源，通过对2位端板缝隙、裙板缝隙和中部底板缝隙的沙粒粉尘运动轨迹进行监控，在动车组高速通过线路积沙严重区段时，在设备舱舱体缝隙部位的沙粒运动呈涡状轨迹，无沙粒喷入现象；而在设备舱进风设备的出风口部位，沙粒粉尘经出风口滤网呈现显著喷射运动.因此可以判断设备舱内的主要积沙来源于外部进风设备，由于舱内新风吸入后保持了微正压，舱外沙粒无法通过端板、裙板和底板缝隙进入到设备舱内.

图5 设备舱2位端板区域的细沙粉尘颗粒运动轨迹

图6 设备舱2位裙板区域的细沙粉尘颗粒运动轨迹

图7 设备舱中部底板区域的细沙粉尘颗粒运动轨迹

3 结论

基于丁达尔效应，本文提出了高速列车底部内腔粉尘漫反射监测方法，通过在运动路径上布置阵列集成 COB轨道射灯光源，沿运动路径及阵列光源所在平面的法向设置高清摄像机，捕捉粉尘漫反射进入摄像机镜头的粉尘光点，实现设备舱内细沙粉尘颗粒的运动轨迹实时监测.

采用本文方法对高寒动车组设备舱内的粉尘运动轨迹进行了监测，结果表明：当动车组以 200 km/h车速通过兰新客运专线石板墩风区线路积沙较为严重区段时，设备舱内的细沙粉尘运动较为明显：设备舱内进风设备出风口滤网有明显的细沙粉尘喷射现象，靠近积沙较为严重的挡风墙区域上行正向运行时，粉尘喷射现象相对于下行正向运行工况更为显著；2位端板、裙板及中部底板区域的细沙粉尘颗粒运动均呈现涡状轨迹，且头车和尾车运行工况下粉尘运动涡状轨迹的呈现方式亦有差异.当列车启动、制动或全速工况下明线运行、通过隧道和行车交会时，列车行经非线路积沙区段无明显的粉尘运动现象.

通过对风沙地区高速列车底部内腔的粉尘运动轨迹观测，可以判断设备舱内的主要积沙来源于外部进风设备，动车组的防沙设计初衷在于以设备舱内微正压抵御从舱体边界缝隙的风沙侵蚀，然而在微正压的气流来源——外部环境风中，存在环境风沙和气动效应卷起的线路积沙，因此建议在后续的防沙设计优化中，综合考虑微正压大小与防沙滤网规格的平衡，加强设备舱进风口的风沙防护.这对于减少设备舱内积沙、保障高速列车关键设备正常工作具有重要的工程价值.