史天亮

(昆明中鐵大型養(yǎng)路機械集團有限公司，云南昆明 650215)

鐵路道床吸污車，主要用于清潔鐵路道床，吸收道床表面施工后的殘留污物、固體顆粒、鋼軌打磨磨屑等污物，避免列車高速運行時將污物卷起導(dǎo)致車輛底盤及傳感器等部件的損壞，從而保證列車高速運行的安全性。吸污效率的高低是衡量鐵路道床吸污車整車性能好壞的關(guān)鍵。吹吸式吸塵裝置作為鐵路道床吸污車的主要作業(yè)機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的合理性及吹吸風速度是否匹配是影響鐵路道床吸污車吸污效率的重要因素。

目前國內(nèi)公路吸塵車作業(yè)方式主要有純吸式和吸掃式兩種，吸掃式清掃車的清掃率高于純吸式清掃車。法國SOCOFER公司開發(fā)的鐵路除塵車基本作業(yè)方式為吹吸結(jié)合，其原理為先由中間吹風口將污物吹起后再由兩側(cè)吸風口將污物吸走。本文討論的昆明中鐵大型養(yǎng)路機械集團有限公司開發(fā)的鐵路道床吸污車吹吸式吸塵系統(tǒng)，作業(yè)方式與國外相同，亦為吹吸結(jié)合，但作業(yè)原理并不相同。

在對吸塵系統(tǒng)的研究中，國內(nèi)外學(xué)者多針對純吸式風口進行研究［1-4］，對吹吸式風口的研究較少。本文從塵粒起動機理出發(fā)，通過運用CFD商業(yè)軟件Fluent對影響吸塵效率的不同參數(shù)進行仿真分析后，提出一種改進型吸塵口，并采用氣固兩相流模型模擬驗證其設(shè)計的合理性。

1 吸污車吸塵機理及塵粒起動機理

1.1 吸污車吸塵機理

鐵路道床吸污車吸塵系統(tǒng)吸塵機理如圖1所示。這種吹吸式吸塵裝置的吸塵方式是:通過吹風風機產(chǎn)生的高速吹噴氣流(正風壓)分別從兩側(cè)將鐵路道床表面的污物吹起，再由吸風風機形成的吸污氣流(負風壓)從中間將污物吸入除塵器內(nèi)，夾雜污物的氣流經(jīng)除塵器過濾后排放到空氣中，從而達到清潔鐵路道床的目的。這種吹吸結(jié)合的吸污方式，必須通過嚴密的空氣動力學(xué)計算，理論上應(yīng)使吸氣量等于吹氣量，但由于結(jié)構(gòu)及布置等原因，實際上應(yīng)使吸氣量大于吹氣量。否則封不住揚塵，甚至會造成揚塵大于吸塵，造成二次污染。

圖1 吸塵機理

1.2 塵粒起動機理

塵粒起動速度是指塵粒開始滑動、翻滾并即將懸浮的最小風速。只有當風速超過這一最小風速時，塵粒才有可能發(fā)生移動。

對于直徑為d的球形顆粒。在空氣中的浮重G為

式中:ρk，ρq分別為顆粒、空氣密度，kg/m3。

顆粒受到的流體動力F由因次分析法推算為

式中:v為塵粒起動臨界速度，m/s;C為阻力系數(shù)，本文取0.44。

因為顆粒達到自由懸浮時，必須滿足流體動力與浮重大小相等、方向相反這樣的力學(xué)平衡，所以

由此可解出

根據(jù)式(4)可得出鐵屑起動速度隨粒徑變化曲線，如圖2所示，計算時鐵屑密度取7.8 kg/m3。

圖2 鐵屑起動速度隨粒徑變化曲線

2 模型的建立

吹吸式吸塵裝置是鐵路道床吸污車吸塵系統(tǒng)的核心，其結(jié)構(gòu)直接決定了內(nèi)部流場的分布，從而決定吸塵效率。網(wǎng)格模型如圖3所示。在它的兩側(cè)設(shè)計兩排吹風口，以一定的角度α按同一方向吹出連續(xù)的氣流，形成氣幕空間并將污物吹起。在中間設(shè)有吸風口，在吸風口氣流產(chǎn)生負壓的作用下將吹起的污物吸走。污物的清潔是由吹吸氣流共同作用完成的。建立模型時在與吹風口平行的兩側(cè)分別擴張了其端面作為補充進風口，與吹風口垂直兩側(cè)則根據(jù)實際情況作為壁面。由于吸塵口結(jié)構(gòu)不規(guī)則，利用Gambit劃分時采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。流場計算采用速度入口、壓力入口的邊界條件，吹風速度取正值，吸風速度取負值。由于k-ε方程能很好地預(yù)測氣流速度［5］，所以將其作為湍流計算模型。

圖3 吹吸式吸塵裝置的網(wǎng)格模型

3 吹吸風口數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 參數(shù)影響分析

由塵粒起動機理分析可知:當近地面氣流速度大于起動速度時，塵粒才能被順利吹起，吸風口入口處真空度越高越有利于將吹起的塵粒吸入。由于吹風的存在，塵粒是否會被吹出吸風口造成二次污染是一個很重要的問題，而匹配合理的吹吸風速、吹風口傾斜角度及吹吸風口間的距離既能防止二次污染又能提高吸塵效率［6-7］。為更好地分析氣流運動，本文截取有代表性的3個剖面，研究這3個剖面與地面接觸處在不同參數(shù)下的風速大小。三維坐標原點設(shè)為吸風口中點，A面、B面、C面的 x方向坐標分別為 0，－0.225，－0.450 m。

由Fluent計算出來的速度是用一定數(shù)值范圍的矢量圖表示的，因此分析時，取值會存在一定人為誤差，但這對于把握變化趨勢仍具有重要指導(dǎo)意義。

3.1.1 不同吹風口傾角的仿真分析

吹風口的吹風傾角是吹吸式吸塵裝置設(shè)計的主要特性參數(shù)之一，它直接影響到吹風效果及顆粒的運動情況。

由于吸污車吸風量最大只能達到70 000 m3/h，考慮到吸風效率及吸風口面積，取吸風口速度為35 m/s，吹風口到吸風口的距離L0為160 mm，速度取為52 m/s，吹風口的吹風傾角 α 分別為 5°，8°，10°，12°，15°和20°，對吹吸式吸塵裝置流場進行了數(shù)值計算。計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同吹風口傾角時地面處的風速

由圖4可以看出:隨著吹風角度的增大3個進氣面A，B，C在地面處的風速逐漸減小，其各自速度則是A＞B＞C。這是因為在吹吸風口位置不變的情況下，隨著吹風角度的增大，吹風氣流越接近地面其離吸風氣流也就越近，因此受到吸風氣流的影響也就越大。這必將導(dǎo)致吹風氣流逐漸偏向吸風氣流，其到達地面的氣流也就隨之變少。同時距離吹風口越遠其風速衰減越快，因此地面速度也就越小。A，B，C三個平面逐漸偏離中心平面，風口逐漸擴大，其吸風量逐漸減小，因此3個面在地面處的速度也就逐漸減小。但角度在＜7°時由于吹風速度較大，尚有部分氣流逃逸。這在實際作業(yè)過程中將造成二次污染現(xiàn)象，而且過小的角度會造成地面接觸處形成的風速帶較窄，這也不利于污物的收集，因此在后面的分析中取吹風角度為8°。

3.1.2 不同吹風速度的仿真分析

吹風速度的大小也是吹吸式吸塵裝置設(shè)計的主要特性參數(shù)之一，它直接影響到塵粒能否有效吹起。只有將污物吹到距離吸風口一定范圍內(nèi)，污物才能被完全吸走，達到高效除塵的目的。吹風傾角為8°，吸風口速度為35 m/s，吹風口的吹風速度分別為0，40，45，50，52，55，58 m/s，其他參數(shù)不變的情況下，對吹吸式吸塵裝置流場進行了數(shù)值計算，計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同吹風速度時地面處的風速

由圖5可以看出:當吹風速度為0時，地面速度最低，此時只有吸風氣流產(chǎn)生的速度;隨著吹風速度的增加地面風速也逐漸增大。當風速較小時(＜40 m/s)吹風氣流由于抗吸風氣流的干擾作用較小，吸風氣流很容易把吹風氣流吸向自己，同時由于吹風氣流距離風口越遠衰減越大，因此吹到地面的速度也就更小，此時的吹風速度尚未達到鐵屑的起動速度，因此將不能將鐵屑有效吹起，也就無法將其吸走。隨著吹風速度的增大，吹風氣流有較強的抗吸風氣流的干擾能力，同時其自身較大的吹風速度將使其吹到地面的速度越來越大，但并不是速度越大越好。由于吸風量(風速)是恒定的，過大的吹風速度將導(dǎo)致部分吹風氣流逃逸，從而使被吸污物也被吹出，這在實際作業(yè)過程中將造成二次污染。另外，過大的吹風速度也需要較大的風機來實現(xiàn)，這也不符合設(shè)計要求。

3.1.3 不同吹吸風距離的仿真分析

吹風口與吸風口之間的距離也是吹吸式吸塵裝置設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，它同樣能影響到吸塵效果。吹風傾角為8°，吸風口速度為35 m/s，吹風口風速為52 m/s，吹風口與吸風口之間的距離分別為80，100，120，140，150，160，180，200 mm，其他參數(shù)不變的情況下，對吹吸式吸塵裝置流場進行了數(shù)值計算，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同吹吸風口間距離時地面處的風速

由圖6可以看出:隨著吹吸風口之間距離的增大，3個面的吹風速度也越來越大，其原因是距離越大吹風氣流受吸風氣流的干擾越小，但并不是吹吸風口間距離越大越好。同前面的分析一樣，較大的吹吸風口間距離將導(dǎo)致部分氣流不能完全被吸走，從而造成二次污染，降低吸塵效率。同時，過大的吹吸風口間距離還會導(dǎo)致其形成的有效吹風帶離吸風口中心位置較遠，這也不利于污物的收集。

3.2 改進型吸塵口流場分析

3.2.1 物理模型

根據(jù)上述分析，按照最優(yōu)吹風口傾角及吹吸風口間的距離設(shè)計了如圖7所示的改進型吹吸風口。該吹吸風口過渡面為流線形曲面，使氣流更順暢。為了驗證吹吸風口優(yōu)化后的吸塵效果，對其內(nèi)部氣流相進行計算分析，并對固體相的運動情況進行模擬。

圖7 改進型吸塵口

3.2.2 氣流相分析

圖8為改進前后在吹吸風口中心A面處的內(nèi)部流線分布。由圖8可以看出改進前的吹吸風口處存在較大的渦流，這將導(dǎo)致較大的能量損失，同時也會影響吸塵效率。改進后風口流線分布較改進前平滑順暢，渦流也較小，且該渦流區(qū)處于吸風氣流加速之前，可以起到對吹風氣流的導(dǎo)向作用，使攜塵混合氣流進入吸塵口后路徑縮短，因而能量損失也比較小。改進后的吸塵口不存在吹風氣流逃逸及造成二次污染現(xiàn)象，從而進一步提高吸塵效率。

圖8 改進前后吹吸風口中心A面處的流線分布對比

3.2.3 顆粒相分析

由于研究中要考慮到顆粒的碰撞和跟蹤顆粒的運動軌跡，本文采用歐拉—拉格朗日分散相(DPM)模型對改進前后直徑為3 mm的鐵屑在吹吸式吸塵裝置內(nèi)的運動軌跡進行數(shù)值仿真計算，結(jié)果如圖9所示。可以看出改進前顆粒運動軌跡較為混亂，存在較多的相互碰撞現(xiàn)象，還有部分顆粒吸起后又落下，仿佛無法被有效吸走。這是由于在吹吸風口之間存在較大的渦流。改進后的顆粒運動則較為規(guī)則，顆粒基本可以被有效地吸走。

圖9 粒徑3 mm的鐵屑運動軌跡(單位:m/s)

4 結(jié)論

本文利用 Fluent軟件對鐵路道床吸污車吹吸式吸塵裝置內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，對不同參數(shù)對吸塵效率的影響進行仿真分析后，提出了新的改進方案，并得出以下結(jié)論:

1)在離地面距離較大(＞250 mm)的情況下，吹吸結(jié)合的作業(yè)方式較純吸式有較高的吸塵效率、較低的功率消耗，適合鐵路道床吸污車這一特殊的鐵路道床養(yǎng)護設(shè)備。

2)原有吹吸式吸塵裝置結(jié)構(gòu)在設(shè)計上存在一定不足，不能較好地發(fā)揮除塵效率，且會產(chǎn)生二次污染。

3)優(yōu)化改進的吹吸式吸塵裝置整體性能優(yōu)于原有設(shè)計。其不僅提高了靠近地面的氣流速度，改進了流場分布，提高了吸塵效率，而且不會出現(xiàn)氣流外泄，造成二次污染，達到了設(shè)計要求，為具有自主知識產(chǎn)權(quán)鐵路道床吸污車的優(yōu)化改進提供了重要參考。

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