張崢明

(中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南昆明650215)

GCX1000軌道除雪車拋雪風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

張崢明

(中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南昆明650215)

GCX1000軌道除雪車是為我國鐵道線路開發(fā)的專用除雪設(shè)備，中間拋雪裝置是其主要除雪裝置，可清除鐵路道床表面線路中心2.6 m寬范圍內(nèi)的積雪，盡可能消除積雪對(duì)線路行車安全的影響。拋雪風(fēng)機(jī)是中間拋雪裝置的核心部件，采用后向直葉片離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，每個(gè)風(fēng)機(jī)包含2個(gè)并排安裝的葉輪，可將道床上被清掃進(jìn)入風(fēng)機(jī)的積雪通過中間的拋雪口拋離道床。中間工作小車前后共有2組拋雪風(fēng)機(jī)，對(duì)稱布置，可雙向進(jìn)行除雪作業(yè)。試驗(yàn)過程表明，GCX1000軌道除雪車的中間拋雪裝置采用拋雪風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，除雪效率高，功能可靠，應(yīng)用效果良好。

軌道除雪車;拋雪風(fēng)機(jī);設(shè)計(jì)與應(yīng)用;鐵路道床;行車安全

GCX1000軌道除雪車是根據(jù)我國鐵路道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的用于清除道床表面積雪的新型大型養(yǎng)護(hù)機(jī)械，可以快速清除道床表面的積雪，并將積雪推送或拋送至指定區(qū)域。

根據(jù)道床表面積雪的深度，整車設(shè)計(jì)有2種除雪裝置，分別位于車體的兩端和中間。車體兩端的除雪裝置用于清除軌面20 mm以上的深積雪，中間拋雪裝置用于清除道床表面軌枕(無砟線路為道床板)以上到軌面的積雪。

我國鐵道線路運(yùn)行比較繁忙，除部分開行列車少的線路或少數(shù)風(fēng)口地段，正常情況下積雪的高度都在軌面以下，因此，中間拋雪裝置是GCX1000軌道除雪車主要的除雪裝置。中間拋雪裝置全部安裝于相對(duì)于主車獨(dú)立的工作小車上，除雪作業(yè)時(shí)工作小車落至軌面，只通過前端的牽引桿與主車相連，牽引桿給工作小車提供向前作業(yè)的動(dòng)力。通過清掃和拋雪相結(jié)合的方式將軌面以下的積雪清除，并拋送至指定區(qū)域。除雪作業(yè)完成后，工作小車被提升并可靠地鎖定至主車上，從而保證整車聯(lián)掛或區(qū)間高速運(yùn)行時(shí)的安全性。拋雪風(fēng)機(jī)是中間拋雪裝置的關(guān)鍵部件，其性能直接影響除雪量、作業(yè)速度、拋雪距離等作業(yè)效果。

1 拋雪風(fēng)機(jī)的功能及工作原理

拋雪風(fēng)機(jī)主要作用［1］是將掃進(jìn)風(fēng)機(jī)的積雪高速拋出。工作過程主要分以下3個(gè)階段:

1)積雪進(jìn)入。拋雪風(fēng)機(jī)為離心式風(fēng)機(jī)［1］，風(fēng)機(jī)面向清掃裝置這一側(cè)是敞開的，道床表面的積雪在清掃裝置的作用下離開道床，并被掃進(jìn)拋雪風(fēng)機(jī)，見圖1。

圖1 積雪進(jìn)入拋雪風(fēng)機(jī)示意

2)積雪加速。當(dāng)被掃起的積雪進(jìn)入拋雪風(fēng)機(jī)后，會(huì)落到高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)葉片上，并隨葉片高速旋轉(zhuǎn)不斷地向葉片端部運(yùn)動(dòng)，雪的速度會(huì)越來越快，直到被風(fēng)機(jī)的蝸殼擋住。

3)積雪拋出。當(dāng)葉片端部的雪隨葉片轉(zhuǎn)到拋雪風(fēng)機(jī)出口區(qū)域時(shí)，由于蝸殼形狀變化，雪會(huì)脫離葉片并被高速甩出，從拋雪風(fēng)機(jī)出口拋出［2］，見圖2。

圖2 拋雪風(fēng)機(jī)工作原理示意

2 拋雪風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

拋雪風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除滿足除雪性能外，同時(shí)兼顧安裝結(jié)構(gòu)及作業(yè)運(yùn)行的安全。其具有以下特點(diǎn):

1)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式為后向直葉片離心風(fēng)機(jī)［3］。常用離心風(fēng)機(jī)采用的葉片形式有徑向直葉片、前傾直葉片、后傾直葉片、前彎曲葉片、徑向彎曲葉片、后彎曲葉片等。后3種葉片的制造工藝復(fù)雜，且有物料經(jīng)過葉片時(shí)抗撞擊能力不如直葉片，容易產(chǎn)生變形而損壞，不利于前期加工和后期維護(hù)，因此，拋雪風(fēng)機(jī)采用直葉片的形式。初步選擇徑向直葉片，其優(yōu)點(diǎn)在于形狀簡單、安裝方便、葉片強(qiáng)度高，但空氣進(jìn)入葉輪時(shí)會(huì)有較大撞擊損失，噪音大，效率較低。

2)拋雪風(fēng)機(jī)有2個(gè)獨(dú)立葉輪和1個(gè)風(fēng)機(jī)出口在矩形的風(fēng)機(jī)殼體內(nèi)。2個(gè)獨(dú)立葉輪水平并排安裝，2個(gè)蝸殼分別圍繞2個(gè)葉輪，但2個(gè)蝸殼的出口在風(fēng)機(jī)殼體上部中間位置合并。2個(gè)葉輪的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)速相同。由于采用了2個(gè)葉輪，在保證拋雪風(fēng)機(jī)作業(yè)覆蓋2.6 m寬度范圍的同時(shí)，顯著減小了葉輪的直徑，降低了風(fēng)機(jī)的高度。同時(shí)，進(jìn)入風(fēng)機(jī)2個(gè)葉輪的積雪，最后都可通過風(fēng)機(jī)中間上方同一個(gè)出口經(jīng)導(dǎo)向裝置拋向指定區(qū)域。

3)風(fēng)機(jī)入口有導(dǎo)流裝置。因風(fēng)機(jī)的葉輪和蝸殼在徑向上是圓形的，在拋雪風(fēng)機(jī)中心面以下的位置，掃起的積雪有一部分不能直接進(jìn)入葉輪區(qū)域。在積雪不能直接進(jìn)入葉輪的區(qū)域設(shè)置有導(dǎo)流裝置，使掃起的積雪經(jīng)導(dǎo)流裝置導(dǎo)向后再進(jìn)入風(fēng)機(jī)，避免再次落回道床上，從而在整個(gè)道床面上實(shí)現(xiàn)一致的除雪效果。

4)作業(yè)時(shí)風(fēng)機(jī)位于軌面以上。為保證清掃裝置掃起的積雪進(jìn)入到風(fēng)機(jī)，拋雪風(fēng)機(jī)的位置越低越好。除雪作業(yè)過程中，除雪速度較快，而線路被積雪覆蓋，為避免除雪裝置對(duì)線路上的設(shè)備造成損壞，拋雪風(fēng)機(jī)始終處于軌面以上。這增加了雪進(jìn)入拋雪風(fēng)機(jī)的難度。

5)中間工作小車上有前后2組拋雪風(fēng)機(jī)，整車可進(jìn)行雙向除雪作業(yè)。除雪作業(yè)時(shí)，清掃裝置是將雪向前掃離道床，在清雪裝置的前后都有拋雪風(fēng)機(jī)。因此，無論朝哪個(gè)方向掃雪，只需要對(duì)應(yīng)側(cè)的拋雪風(fēng)機(jī)工作，即可進(jìn)行除雪作業(yè)，從而保證整車可雙向除雪。不需要在線路上調(diào)頭，可顯著節(jié)約調(diào)車時(shí)間，提高工作效率。

3 主要參數(shù)的確定

3.1 葉輪的主要參數(shù)

拋雪離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)示意如圖3［4-6］。

圖3 拋雪離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)示意

1)葉輪卸載角［7］

葉輪卸載角φx是指將2個(gè)葉片之間的積雪被完全拋出這一時(shí)間段內(nèi)，葉片轉(zhuǎn)過的角度。將積雪視為無黏合力的散狀顆粒，則

式中，ζ為系數(shù)，可近似用式(2)計(jì)算。

式中，μ為雪粒與葉片間的摩擦系數(shù)，隨雪密度與外界氣溫的變化而變化。

雪與鋼之間摩擦系數(shù)見表1［8］。

表1 雪與鋼之間摩擦系數(shù)

根據(jù)除雪車的實(shí)際工作環(huán)境，環(huán)境溫度為－25℃，取雪的密度ρ=200 kg/m3，由表1可知μ為0.1。代入式(2)可得ζ=0.91，代入式(1)進(jìn)而求得φx≥1.1 rad，即φx≥63°，因此葉片間的夾角應(yīng)＞63°，每個(gè)風(fēng)機(jī)葉輪取5個(gè)葉片。

2)葉輪半徑

葉輪半徑R由除雪車的生產(chǎn)率和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速確定，同時(shí)需要考慮雪在風(fēng)機(jī)中的流量系數(shù)。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為

式中:n為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，n=400 r/min;Ψ為流量系數(shù)，Ψ=0.94;Qmax為單個(gè)葉輪的最大除雪生產(chǎn)率，m3/s; D為葉輪直徑，m，計(jì)算式為

按除雪車的設(shè)計(jì)要求，由于除雪車的最大除雪寬度Lmax=2.6 m，最大除雪高度hmax=0.28 m，最大作業(yè)速度Vmax=60 km/h，可知單個(gè)葉輪除雪的最大生產(chǎn)率Qmax=LmaxhmaxVmax/2=6.066 7 m3/s，代入式(4)可得葉輪的直徑D=0.732 9 m。

為滿足設(shè)計(jì)要求，葉輪的直徑應(yīng)≥0.732 9 m，考慮到整車要求的除雪寬度，為便于有效收集滾刷掃起的積雪，風(fēng)機(jī)葉輪的直徑尺寸應(yīng)盡量達(dá)到除雪寬度尺寸。因此，拋雪風(fēng)機(jī)采用雙葉輪并排安裝的方式，葉輪的直徑取1.2 m，即半徑為0.6 m。

3)葉片寬度

風(fēng)機(jī)的葉片寬度B計(jì)算式為

式中，系數(shù)k取1.3，則葉片寬度B=0.39 m。

化合物7，無色針狀結(jié)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)。以上數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[15]報(bào)道的對(duì)羥基苯甲酸基本一致，故確定化合物7為對(duì)羥基苯甲酸。

4)葉片工作長度

式中:lw為葉片工作長度;K為卸載角影響系數(shù)。

x摩擦力和密度有關(guān)，其表達(dá)式為

將各值代入式(7)，得到K=3.388 4，由式(6)求得葉片的工作長度lw=0.423 m。

3.2 風(fēng)機(jī)出口截面尺寸的確定

離心風(fēng)機(jī)的拋雪效率與其幾何尺寸和轉(zhuǎn)速有關(guān)，理想情況下，忽略葉片和蝸殼之間的間隙，設(shè)風(fēng)機(jī)出口截面的長度為l，寬度為葉片寬度B，則風(fēng)機(jī)的理論生產(chǎn)率［9］為

式中:vy為葉片端部的線速度。

經(jīng)計(jì)算可知l=0.309 m是風(fēng)機(jī)在掃雪過程中不發(fā)生堵塞的臨界條件。

又因風(fēng)機(jī)的葉輪卸載角φx≥63°，所以風(fēng)機(jī)的拋雪口截面長度l對(duì)應(yīng)的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度α不得小于63°，這樣才能保證葉片上的積雪一次性拋清，而不會(huì)產(chǎn)生堆積進(jìn)入下一次拋雪循環(huán)中去。如圖4所示，當(dāng)l=0.309 m時(shí)，可以求得拋雪口對(duì)應(yīng)的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度α為

α不能滿足一次性拋凈積雪的要求?？紤]到實(shí)際工作環(huán)境對(duì)雪物理性質(zhì)的影響、線路積雪厚度不均等情況，取α=63°，則此時(shí)l=0.327 mm，既滿足一次性拋凈積雪的要求，也保證了風(fēng)機(jī)不發(fā)生堵塞。

圖4 離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)口示意

3.3 拋雪風(fēng)機(jī)的功率計(jì)算

拋雪風(fēng)機(jī)功率P的計(jì)算公式為

式中:K1為風(fēng)機(jī)的形狀系數(shù)，K1=1;ε0為密度變化系數(shù)，ε0=1.2。

將已知參數(shù)代入式(12)，可得P=118.89 kW。

4 拋雪風(fēng)機(jī)的應(yīng)用效果分析

GCX1000軌道除雪車樣車完成后立即進(jìn)行試驗(yàn)，已在沈陽和哈爾濱鐵路局的部分線路中進(jìn)行了除雪作業(yè)，作業(yè)情況如圖5和圖6所示。

在作業(yè)線路不同、積雪情況不同的情況下，道床軌枕以上的積雪都能被掃進(jìn)拋雪風(fēng)機(jī)，隨后被拋雪風(fēng)機(jī)拋出，不會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)等情況，并且經(jīng)特定的拋雪設(shè)備拋送至道床外指定的區(qū)域。當(dāng)前后風(fēng)機(jī)都同時(shí)運(yùn)行時(shí)，能更好地保證除雪效果。

圖5 GCX1000現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)試驗(yàn)

圖6 作業(yè)后軌枕及扣件

通過多次作業(yè)試驗(yàn)表明，中間除雪工作裝置的作業(yè)效果滿足線路的除雪要求。作業(yè)過后，覆蓋在鋼軌、扣件及軌枕上的積雪被清除，有效地消除了積雪對(duì)線路行車安全的影響，保證了列車的運(yùn)行安全。

5 結(jié)語

拋雪風(fēng)機(jī)是GCX1000軌道除雪車中間工作裝置的關(guān)鍵部件，通過進(jìn)行合理地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)匹配，有效地保證了中間工作裝置的除雪效果。

［1］續(xù)魁昌．風(fēng)機(jī)手冊(cè)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［2］李盛林，孟祥拴，邱序庭．國內(nèi)外道路除雪裝置［J］．筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2003，20(1):17-19．

［3］崔憲江．除雪機(jī)械［M］．北京:人民交通出版社，1988．

［4］王國安．除雪機(jī)械結(jié)構(gòu)原理及計(jì)算要點(diǎn)［J］．建筑機(jī)械化，1995(1):22-25．

［5］翟之平，王春光，楊忠義．葉片式拋送裝置氣流運(yùn)動(dòng)仿真與參數(shù)優(yōu)化［J］．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，29(10):1352-1356．

［6］邊麗娟．清雪車拋雪離心風(fēng)機(jī)特性與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［D］．吉林:吉林大學(xué)，2009．

［7］濮良貴，紀(jì)名剛．機(jī)械設(shè)計(jì)［M］．7版．北京:高等教育出版社，2001．

［8］劉繼德．多功能清雪車清雪裝置研究［D］．吉林:吉林大學(xué)，2008．

［9］孔熠．新編風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)［M］．北京:中國知識(shí)出版社，2006．

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

(責(zé)任審編李付軍)

2016-05-16;

2016-07-22

張崢明(1985—)，男，工程師，碩士。