火车厢清扫车及其吸嘴的设计研究

摘要：提出并定义了火车厢清扫车产品，设计开发了一款火车厢清扫车。首先，通过对火车厢及余料特性的研究分析，设定了火车厢清扫车整车的目标参数，并进行了整车结构设计。其次，针对火车厢清扫宽度和风道布置结构，设计了三种结构吸嘴，通过仿真分析，得出倒锥体单管吸嘴是最优结构的吸嘴。最后，通过样车试验验证了火车厢清扫车实际工作的功能、性能参数和可行性，该产品具有操作简便、清扫作业效率高、清扫干净、安全可靠、连续作业时间长等优点，可实现火车厢机械化清扫，该产品的推广和应用对铁路物流产业发展具有重要意义。

关键词：火车厢清扫车；气力输送系统；火车厢余料清扫；清扫装置；吸嘴；仿真分析

中图分类号：U462 收稿日期：2024-01-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.014

1 前言

随着我国“公转铁”政策和共建“一带一路”倡议的不断深入推进实施，铁路物流已成为未来物流发展的重要组成部分。港口货物周转量逐年增加，海运进港的煤炭和矿石等松散货物主要通过铁路运送到内地，火车装卸的工作量也越来越大。近年来，为了防止火车厢内余料在车厢高速周转过程中被吹入到大气中污染环境，同时也为了避免不同货料混掺引起客户投诉，铁路部门要求火车卸料后和装车前的车厢都需要进行余料清扫收集处理工作，因此火车厢清扫工作量也逐年增加。

目前，港口用于火车厢余料清扫的设备较少，主要还是靠人工清扫。由于火车车厢较高而且四周封闭，人工清扫火车厢余料需要经过剪断侧门固定铁丝打开侧门、爬入车厢清扫出余料、爬出车厢、重新关侧门、绑铁丝、打密封胶堵门缝等多道工序。人工清扫火车厢余料存在工作量大、劳动强度高kOLY+ALjk7si9I2+41nGrk6gw7eemhhJ47JJDrJJm78=、清扫作业时间长、效率低、清扫不干净、人员爬上爬下安全风险大等问题。因此，研制出机械化、高效率的火车厢清扫车对铁路物流产业发展具有重要的意义。

为了解决上述难题，本文结合火车厢余料清扫作业要求，设计开发了一款火车厢清扫车。该清扫车实现了火车货厢底部残留余料的机械清扫和收集，操作简便，清扫作业效率高，清扫干净，安全可靠，连续作业时间长。

2 火车厢及余料物料特性

港口散料货物周转运输的火车厢是一种敞车。敞车是指具有端墙、侧墙、地板而无顶盖的货车，主要用于煤炭、矿石、矿山建筑材料、木材、钢材等大宗货物的运输[1]。现在我国约有敞车35万辆，占货车总量的56％，运货量占总运货量的64％[2]。车厢余煤量主要取决于敞车卸车方式。国内常见的机械化铁路敞车卸车设备主要有翻车机、螺旋卸车机、链斗式卸车机、垂直螺旋卸车机、门式抓斗吊以及底开门自卸车等[3]。翻车机卸车机械化程度高，卸车能力强，每小时卸车32～36节，车底余料量少，易于实现机械化清扫。本文主要针对港口自动翻车机卸料后的火车厢进行研究，经过调研分析，火车厢及余料物理特性参数如表1所示。

3 火车厢清扫车结构原理

3.1 火车厢清扫车产品定义

火车厢清扫车（freight-car sweeper truck）是装备有清水箱、垃圾箱、清扫装置、除尘系统、风机、动力系统、高压水路系统等专用装置，配备作业状态下闪烁的黄色标志灯，用于火车货厢余料机械化清扫作业的作业类专用汽车。

3.2 火车厢清扫车结构组成

本文所设计的火车厢清扫车结构如图1所示，该车主要包括汽车底盘、副车架、清水箱、副发动机系统、气力输送系统、清扫装置、摆臂回转升降装置、喷淋除尘系统、液压电控系统和高压水路系统等10大系统组成。其中，气力输送系统是火车厢清扫车的核心系统，主要包括垃圾箱、高压离心风机、吸嘴和风道等四部分。

3.3 火车厢清扫车工作原理

本文所设计的火车厢清扫车的主要工作任务是将列车所有火车厢内的余料清扫收集转运到指定位置，由于自动翻车机卸料后的火车厢余料残留量少，主要分布在火车厢底部四周，适合清扫抽吸方式作业。因此，火车厢清扫车采用吸送式的气力输送系统，通过副发动机驱动高压离心风机高速旋转使垃圾箱腔体产生高负压和大流量，并通过风道和吸嘴将火车厢内的余料收集吸拾到垃圾箱中。

火车厢清扫作业时，司机驾驶车辆驶入到待清扫火车厢左侧后方，通过操控液压电控系统控制摆臂回转升降装置右摆90°后自动上升指定高度，如图2所示。司机驾驶车辆向前行驶到作业位置，按下面板自动作业按钮，摆臂回转升降装置下降到火车厢内部底部，扫盘自动旋转并向外展开，如图3所示。司机驾驶车辆向前行驶进行火车厢清扫作业，高速旋转的扫盘不断地将火车厢两侧及墙角处的余料向中间汇集到吸嘴前方，进入到吸嘴的余料被高速气流输送到垃圾箱内，如图4所示。单厢清扫完成后，扫盘自动内收，摆臂回转升降装置上升到指定高度，进入下一节车厢清扫作业，清扫作业完成后或垃圾箱满箱时，司机驾驶车辆到指定卸料位置，打开后门，举升箱体卸料。

4 结构设计与仿真分析

4.1 整车性能目标参数设定

根据客户需求和火车厢及余料物理特性参数设置了火车厢清扫车整车性能目标参数值，如表2所示。

4.2 整车结构设计

根据火车厢清扫车整车性能目标参数进行了整车总布置和各系统的匹配计算，选用总质量18 000 kg、轴距5 100 mm奥驰底盘，康明斯QSB5.9-C210副发动机，并在UG NX软件中进行了整车及各系零部件结构设计，得到如图5所示的火车厢清扫车整车三维模型。

4.3 吸嘴结构优化与仿真分析

吸嘴是火车厢清扫车气力输送系统中最为核心的部件，火车厢内的余料都要经过吸嘴吸拾收集到垃圾箱中，因此，吸嘴结构设计的合理性直接影响了火车厢清扫车的清扫效果。目前清扫车行业主要有单管窄吸嘴和双管宽吸嘴两种主流吸嘴结构。单管窄吸嘴适用于四扫清扫装置。双管宽吸嘴也存在吸嘴工作过程中吸嘴中间部位垃圾容易残余的问题，且当垃圾量较大时，垃圾吸入耗时长甚至无法有效吸入[4]。由于火车厢清扫车清扫宽度大、风道长，因此，结合火车厢清扫车清扫宽度与长风道布置结构，优化设计了双圆直管转单圆直管吸嘴、双圆斜管转单圆管吸嘴和倒锥体单管吸嘴三种火车厢清扫车吸嘴结构，如图6所示，并通过对比分析选择最优吸嘴结构。

a.余煤颗粒模型。

港口翻车机主要以卸煤为主，经现场取样分析，余煤粒径0～10 mm占比90%，10～20 mm占比10%，为便于分析，余煤模型用5 mm占比90%和15 mm占比10%的两种煤粉颗粒模型铺设，分别如图7和图8所示，煤粉颗粒床厚度为10 mm，如图9所示。

b.边界条件设置及求解。

三种结构吸嘴模型设置相同的工况和边界条件，煤粉颗粒泊松比0.25，密度2 300 kg/m3，剪切模量10 MPa，恢复系数0.35，颗粒间静摩擦因数0.32，颗粒间滚动摩擦因数0.05。车厢泊松比0.25，密度7850 kg/m3，剪切模量82.4 GPa，恢复系数0.5，与颗粒静摩擦因数0.45，与颗粒滚动摩擦系数0.15。出口压力设置-5 kPa，入口压力为0 kPa，如图10所示。

c.流场仿真结果及分析。

在相同工况和边界条件下分析了三种结构吸嘴的压力、速度、流场、颗粒场的云图，如图11～图14所示。并得出了三种结构吸嘴的总压损、风量和风速数据结果，如表3所示。

根据仿真分析结果数据得出，倒锥体单管吸嘴总压降最小，风量和风速最大，煤粉收集最快且残留最少，是最优结构的吸嘴。

5 样车试验

为了验证火车厢清扫车实际工作的功能、性能参数和可行性是否满足客户需求和设计目标，加工制造了火车厢清扫车试制样车，并在岚山港进行了火车厢清扫试验，如图15和表4所示，样车的功能满足了客户需求，整车性能参数满足了目标要求，并且产品已批量生产销售使用，如图16、图17所示。

6 结语

通过对客户需求和火车厢及余料特性的研究分析，提出了火车厢清扫车的产品定义，设定了火车厢清扫车整车的目标参数，进行了整车结构设计和吸嘴结构优化与仿真分析，并通过验车试验验证了整车的功能和性能，产品满足客户和设计要求。该产品操作简便，清扫作业效率高，清扫干净，安全可靠，连续作业时间长，实现了火车厢机械化清扫，解决了人工清扫工作量大、劳动强度高、耗时长、效率低、清扫不干净、用工成本高、严寒酷暑爬车作业安全风险等难题。该火车厢清扫车的推广和应用对铁路物流产业发展具有重要意义。

参考文献：

[1]刘洋.C70E型通用敞车车体性能分析及优化[D].大连：大连交通大学，2019.

[2]何华，陈兴强，刘春景.基于颗粒流理论的敞车静侧压力研究[J].华东交通大学学报，2018，35（5）：17-21.

[3]张道于，刘克强，赵昆.铁路敞车散料卸车工艺比选与分析[J].中国设备工程，2020（22）：88-91.

[4]柳超.基于多目标优化的清扫车辆吸嘴轻量化研究[D].武汉：武汉理工大学，2017.

作者简介：

相茂国，男，1988年生，工程师，研究方向为环卫车产品研发、技术管理。