郭關柱

(中國鐵建高新裝備股份有限公司 研究院，云南 昆明　650215)

冬季降雪后，鐵路軌道表面會堆積大量積雪，輕則掩埋道床板和鋼軌扣件，重則將鋼軌掩埋，從而造成鐵路工務人員不能正常檢查扣件是否松動和鋼軌是否斷裂；并且，列車高速運行卷起的雪粒會粘貼在列車底部，再經(jīng)過列車運行所形成的氣壓作用，粘貼在列車底部的雪粒逐漸積累并被壓縮成冰塊，當冰塊累積到一定厚度并受到振動時，會脫落而砸壞線路上的鐵路設備，危及列車安全運行。

軌道除雪是避免列車因積雪而降速和停運的主要措施之一，國外最常用的軌道除雪裝置有除雪犁和旋拋式除雪裝置2種：除雪犁是通過類似于犁狀的裝置將軌面的積雪鏟起來并同時推至軌道兩側；旋拋式除雪裝置則是通過螺旋機構將軌面上積雪收集至葉片式拋雪機內(nèi)，由拋雪機拋送至鐵路軌道外側[1-2]。除雪犁和旋拋式除雪裝置共同的優(yōu)點是除雪效率高，能夠清掃軌面上堆積較深的積雪。但是，它們的共同缺點也有2點：一是受結構影響，除雪犁和旋拋式除雪裝置只能固定在列車的前端或后端，影響除雪車輛與牽引機車的聯(lián)掛，且不利于長途運輸和故障救援；二是由于除雪犁和旋拋式除雪裝置整體上由剛性結構部件組成，故為了不損壞軌道設備，只能清掃鋼軌軌面上方的積雪，而不能清掃軌面下方至道床板間的積雪。

在我國北方地區(qū)，鐵路以往采用人工清掃的方式除雪，勞動環(huán)境惡劣且勞動量較大，隨著列車開行密度和速度的提高，對機械化除雪的需求越來越迫切。針對國外2種常用除雪裝置存在的不足，本文提出一種組合滾刷掃雪和吸雪風機吸拋積雪的自主化軌道除雪裝置，并對其除雪能力進行研究。

1　自主化軌道除雪裝置的工作原理

為了保證鐵路行車安全，當?shù)来舶迳系姆e雪超過一定厚度(如高速鐵路道床板的積雪深度超過40 mm)時，列車必須降速運行，如積雪深度進一步增加則需要對道床板上的積雪進行清掃。北方地區(qū)冬季氣溫較低，積雪難于融化，會長期掩埋扣件和鋼軌，從而影響線路的檢修。在分析了除雪犁和旋拋式除雪裝置作業(yè)原理的基礎上，參照已使用的吸拋式軌道清掃機械原理[3-4]，提出1種先通過滾刷旋轉將積雪掃起來，再由吸雪風機吸起并拋走的自主化軌道除雪裝置，其工作原理如下圖1所示。圖中：v0為軌道除雪裝置的移動速度(即掃雪速度)；h0為拋雪筒出口至軌枕板的高度；v1為雪粒的輸送速度；θ為拋雪筒與水平方向的夾角，即拋射角。

圖1　自主化軌道除雪裝置工作原理

由圖1可見，具有較強彈性和韌性的刷毛安裝在滾筒上，從滾筒的軸向看滾刷外形呈圓形，從滾筒的徑向看每排滾刷的刷毛長度并不相同，而是做成仿道床橫斷面的形狀，使得滾刷的相應位置分別錯開鋼軌、扣件及其他軌道設備，較長的刷毛甚至可延伸到底部軌枕板；除雪時，滾刷高速旋轉將雪粒掃向前方的吸雪風機，吸雪風機的吸力將雪粒和氣流混合起來從拋雪筒吹出；調(diào)整拋雪筒的角度和方向，可將雪粒拋送至軌道任意一側，還可調(diào)整拋雪的高度和距離，實現(xiàn)軌道除雪功能。

2　除雪能力的分析及計算模型

軌道除雪裝置的除雪能力與滾刷的掃雪能力、吸雪風機的輸送能力及拋雪高度和距離相關。

2.1　掃雪能力

滾刷的掃雪工作原理如圖2所示。圖中：D0為滾刷外徑；D為掃入滾刷刷毛內(nèi)且依靠離心力作用能拋入吸雪風機中的最內(nèi)側雪粒所處位置對應的直徑，也就是圖中B點位置在滾刷上對應的直徑；DG為滾筒的直徑；vt為雪粒離開滾刷最外緣C點時的切向速度；h為吸雪風機底部到軌枕板的高度；δ0為軌枕板上方的積雪深度；FC為雪粒受到的離心力。

圖2　滾刷掃雪工作原理

如圖2所示，吸雪風機底部高于鋼軌軌面，除雪時風機底部不會碰到鋼軌軌面及相關設備。滾刷掃雪過程中，從A點開始有雪粒掃入刷毛間的空隙內(nèi)，隨著滾刷的旋轉和前移，刷毛空隙內(nèi)掃入的雪粒越來越多，最先掃入的雪粒被后續(xù)掃入的擠至最里面。當最先掃入雪粒的刷毛外緣離開積雪上表面時，將無積雪再掃入滾刷內(nèi)，而掃入刷毛空隙內(nèi)的雪粒在伴隨刷毛旋轉運動的同時，受離心力作用，將從刷毛空隙間向外移動，直到被拋離滾刷。

考慮滾刷空隙內(nèi)靠最里面的雪粒由B點運動到水平方向的C點時，在脫離滾刷的瞬間其切向速度的方向垂直向上。若到C點時，雪粒還未能離開滾刷，而是還向上運動，則雪粒脫離滾刷時易被卷到滾刷左側而無法被吸雪風機吸走，故以C點至滾刷中心作為分界線，將能在分界線前被拋離滾刷的雪粒所對應的這部分空間視為滾刷掃雪的有效容積。

滾刷旋轉時，雪粒從B點旋轉至C點所需的時間即滾刷拋雪的有效時間tBC，為

(1)

式中：n為滾刷的轉速。

忽略雪粒受到的摩擦力，離心力Fc對雪粒造成的加速度與角速度平方及雪粒到滾刷中心的距離成正比。依據(jù)牛頓定理，雪粒在刷毛空隙內(nèi)沿刷毛向外運動的加速度a(x)滿足

a(x)=ω2x

(2)

式中：x為雪粒到滾刷中心的距離；ω為滾刷旋轉的角速度，ω=2πn。

由式(2)對時間的二次積分，得到滾刷拋雪過程中，位于刷毛間的雪粒從B點(旋轉半徑0.5D0-xBC)運動到C點(旋轉半徑0.5D0)時，沿著滾刷刷毛縫隙在直徑方向上向外側移動的距離xBC為

(3)

滾刷每旋轉1周，相當于滾刷每2排刷毛間空隙內(nèi)均掃入1次雪粒后再拋走。故滾刷單位時間內(nèi)的有效掃雪量Q為

(4)

式中：N為滾刷刷毛的排數(shù)；b0為每排刷毛的厚度；b為滾刷的有效掃雪寬度。

假如滾刷僅做旋轉運動而不移動的話，掃雪量始終為零，滾刷只有在移動過程中才能完成掃雪。從掃雪速度分析掃雪能力，則單位時間內(nèi)滾刷掃過空間對應的掃雪量QS為

QS=δ0bv0

(5)

為保證滾刷掃過空間的積雪均能夠被刷起來，需要QS≤Q。

掃雪過程中，滾刷刷起雪粒的最大粒徑為滾刷外緣處2排刷毛空隙的間距。如滾刷所刷起雪粒的最大直徑為Dmax，按照幾何關系，有

(6)

2.2　輸送能力

雪粒被刷起來后，從吸雪風機入口進入并被輸送。雪粒與氣流在管道內(nèi)形成固氣混合二相流運動，依靠氣流將雪粒輸送，最大輸送能力即是雪粒在氣流輸送中不會堵塞管道的最大雪量。

吸雪量最大時，氣流中所含雪量達到飽和狀態(tài)。為使雪粒進入吸雪風機的管道內(nèi)不發(fā)生堵塞現(xiàn)象，需要雪粒在氣流中形成懸浮流，避免由于流動栓塞導致管道被堵塞。

雪粒能被氣流拋起的最低速度為懸浮速度(即雪粒離開滾刷最外緣C點的切向速度)vt，在壓差阻力區(qū)，當驅動雪粒的雷諾數(shù)Re滿足500≤Re≤2×105時，懸浮速度滿足式(7)[5-6]。

20.4Δ≤DS≤1 100Δ

(7)

式中：DS為雪粒粒徑；μ為空氣動力黏度系數(shù)；ρS為雪粒密度；ρa為空氣密度。

作為氣力輸送，氣流輸送雪粒的實際速度應高于懸浮速度。根據(jù)氣力輸送固氣比定義，輸送雪粒的質(zhì)量流量與輸送雪粒消耗掉空氣的質(zhì)量流量之比為固氣比，固氣比φ為

(8)

式中：qmS為輸送雪粒的質(zhì)量流量；qm為輸送雪粒消耗掉空氣的質(zhì)量流量。

依據(jù)式(8)，可得

qmS=ρavFAφ

(9)

式中：A為拋雪筒橫截面的面積；vF為輸送雪粒的氣流速度。

2.3　拋雪高度和距離

雪粒密度越小，拋出后受空氣阻力影響越明顯，將雪粒視為光滑理想球體，參照文獻[7—8]，雪粒拋送后在空氣中總的運動時間T為

(10)

其中，

式中：m為單個雪粒的質(zhì)量；k為雪粒在空氣中運動時的阻力系數(shù)；ymax為拋射高度，即雪粒運動到最高點時與軌枕板的距離；g為重力加速度；t1為雪粒運動到最高點需要的時間；voy為所拋雪粒的初始速度在垂直方向上的分量。

雪粒的拋射距離x為

(11)

式中：vox為所拋雪粒的初始速度在水平方向上的分量。

3　除雪能力計算結果及試驗驗證

按照給出的除雪能力計算模型設計和試制出軌道除雪裝置樣機，在沈陽鐵路局文官屯軌道車基地的鐵路線路上開展試驗。試驗地點的海拔高度約36 m，試驗環(huán)境溫度約為-20 ℃，當?shù)貧鈮簽?9 850 Pa，空氣密度為1.14 kg·m-3，重力加速度為9.8 m·s-2，空氣動力黏度系數(shù)為16.1×10-5Pa·s；雪粒密度實測值為150 kg·m-3，空氣密度為1.14 kg·m-3。

為便于將計算結果與試驗結果進行對比分析，計算環(huán)境條件按試驗環(huán)境條件考慮。

3.1　掃雪能力的計算結果

理論上滾刷旋轉速度越大，掃雪能力越好，但受驅動液壓馬達和旋轉滾筒結構限制，能夠獲得滾刷的轉速n為300 r·min-1。出于安全考慮，為防止?jié)L刷的滾筒與鋼軌軌面觸碰造成損傷，滾刷的滾筒最低點需要高于鋼軌軌面，而刷毛的長度需要刷到軌道板，且還需留有一定余量，故滾刷的外徑D0取1 150 mm。考慮積雪堆積高度略低于鋼軌軌面，掃雪后將鋼軌扣件及軌枕板露出，故掃雪深度δ0取150 mm。

由式(1)，得到滾刷拋雪需要的有效時間tBC為0.026 5 s；由式(3)，得到滾刷拋雪過程中雪粒沿著滾刷刷毛縫隙在直徑方向上向外側移動的距離xBC為257 mm。

受到滾筒結構和刷毛材料的限制，滾刷刷毛排數(shù)N為46排；每排刷毛的厚度b0為8 mm；需要清掃軌枕板上積雪的寬度為2 600 mm，減去2根鋼軌頂部所占寬度約146 mm，故滾刷的有效掃雪寬度b為2 454 mm。由式(4)，得到滾刷的有效掃雪量Q為27 600 m3·h-1。為保證滾刷移動中所掃過空間內(nèi)的積雪均能夠被刷起來，需要QS≤Q，故取QS=Q確定掃雪速度，由式(5)計算出積雪深度與掃雪速度的關系，見表1。

表1　積雪深度與掃雪速度的關系

由式(6)，得到滾刷能刷起雪粒的最大粒徑Dmax為78 mm。

3.2　輸送能力

由式(7)可知，雪粒的粒徑越大，需要的懸浮速度也越大。

輸送雪粒的氣流雷諾數(shù)Re=vAR/μ，其中vA為驅動雪粒的氣流速度，通常不到30 m·s-1；R為拋雪筒的等效水力直徑，設計時取最大值為410 mm，故最大雷諾數(shù)為76 000。

根據(jù)以上參數(shù)，計算出20.4[μ2/(ρa(ρS-ρa))]1/3≈11 mm，1 100[μ2/(ρa(ρS-ρa))]1/3≈588 mm，則最大雪粒粒徑為78 mm，滿足式(7)的適用條件。根據(jù)式(7)，得到最大雪粒被氣流拋起需要的懸浮速度vt≈17.4 m·s-1。

設計的拋雪筒橫截面的長和寬分別為410和345 mm，則拋雪筒橫截面的面積為0.141 45 m2。為節(jié)約輸送雪粒所消耗的能量，控制輸送雪粒的氣流速度不宜過高，但要能保證雪粒與輸送氣流的運動速度相近，故取輸送雪粒的氣流速度vF為1.2vt，即vF約為20.9 m·s-1。因雪粒密度較小，且輸送雪粒的氣流速度高于雪粒懸浮速度20%，忽略雪粒與氣流兩者的流動速度差，則雪粒輸送速度為20.9 m·s-1。

吸雪風機的出口長度較短，其值約為3 m，可實現(xiàn)密相氣力輸送。在不發(fā)生栓塞流堵塞拋雪筒條件下，獲得最大吸雪能力時雪粒處于部分流，此時固氣比值為30～50[9-10]。結合雪粒的物理特性[11]，當雪粒密度為150 kg·m-3時，固氣比取上限50。依據(jù)式(9)，計算出輸送雪粒的質(zhì)量流量為168.5 kg·s-1，相當于4 044 m3·h-1。

3.3　拋雪高度和距離

將雪粒視為光滑理想球體，則雪粒在空氣中運動時的阻力系數(shù)k取0.5[12]；受結構限制，取拋雪口距軌枕板的高度為2.75 m。雪粒輸送速度為20.9 m·s-1時，由式(10)和式(11)計算出拋射角與雪粒粒徑、拋射高度和拋射距離的關系見表2。

表2　不同拋射角時雪粒粒徑與拋射高度和距離的關系

由表2可知：拋射角度為20°～45°時，隨拋射角度的增加，雪粒的拋射高度增加；當拋射角度超過33°時，隨拋射角度的增加，雪粒的拋射距離減小；綜合分析，拋射角為33°是最優(yōu)拋射角。

取拋射角33°時，雪粒的粒徑與拋射高度和拋射距離的關系見表3。

3.4　試驗驗證

除雪能力計算結果表明：滾刷的最大有效掃雪量為27 600 m3·h-1，大于吸雪風機的雪粒最大輸送量4 044 m3·h-1，故最大除雪量由吸雪風機的輸送能力決定；滾刷刷起雪粒的最大粒徑為78 mm；除雪裝置的最優(yōu)拋射角度為33°，雪粒拋射高度和距離主要由雪粒粒徑?jīng)Q定，雪粒越大拋射高度越高且拋射距離越遠。

表3拋射角33°時雪粒粒徑與拋射高度和拋射距離的關系

雪粒粒徑/mm拋射高度/m拋射距離/m10303168203182805045055210052689415057411682006081398400685206960072225207807422823

試驗時，將1套自主化軌道除雪裝置安裝在軌道除雪車上，調(diào)整拋射角為33°，雪粒輸送速度約為20.9 m·s-1。根據(jù)道床板上方積雪深度的不同，調(diào)整掃雪速度以改變除雪量，觀測拋雪筒是否堵塞，一旦開始出現(xiàn)局部堵塞，即視此時除雪量為最大除雪量；觀測試驗中拋雪口雪粒的運動情況，分析拋雪高度和距離。

拋雪狀態(tài)觀測結果如圖3所示，軌道除雪前后對比如圖4所示。

圖3　拋雪狀態(tài)觀測

試驗結果表明：粒徑為1～5 mm的雪粒的拋射高度約為3～5 m，拋射距離約為1.5～5.0 m；部分粒徑為10～15 mm的雪粒的拋射高度約為5 m，拋射距離約為8.0～10.0 m；少量粒徑達到20 mm的雪粒的拋射高度達6.0 m，拋射距離達15.0 m；

試驗測試結果與理論計算結果基本吻合。受到拋雪氣流的影響，少量粒徑不到5 mm的雪粒的拋射距離超過10.0 m。

圖4表明：軌道除雪裝置的除雪效果較好，能夠將軌面以下至軌枕板間的積雪清掃干凈，使鋼軌和扣件清楚地露出來，極大方便了工務人員進行線路檢修作業(yè)。

圖4　軌道除雪前后對比

試驗結果還表明：軌道除雪裝置的移動速度為11 km·h-1時，最大除雪量約為4 000 m3·h-1，試驗結果與理論計算值相近；試驗還發(fā)現(xiàn)，在溫度低于-20 ℃時掃雪，滾刷會將雪塊打碎成散狀，雪粒在風機內(nèi)相互擠壓后，仍然難形成較大雪塊，拋雪高度和距離雖較為有限，但仍然能滿足現(xiàn)場除雪的需要。

4　結　論

(1)自主化軌道除雪裝置可將軌面下至軌枕板間的積雪清掃干凈，除雪效果較好，除雪后鋼軌和扣件能清楚地露出，極大方便了工務人員進行線路檢修作業(yè)。

(2)當除雪裝置的移動速度為11 km·h-1時，自主化軌道除雪裝置的最大除雪量達4 000 m3·h-1，最優(yōu)拋射角為33°，試驗測試結果與理論計算結果基本吻合。

(3)拋雪高度和拋射距離主要取決于雪粒粒徑，粒徑越大，拋射高度越高，拋射距離越遠；雪粒粒徑為10 mm、輸送速度為20.9 m·s-1時，拋射高度可達5.5 m，拋射距離可達10.0 m。

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