袁 芬, 張海翔， 張 明, 李明華, 李 彪

(1.中國北方車輛研究所，北京 100072;2.中國兵器工業(yè)集團(tuán)人才研究中心，北京 100072)

隨著高速鐵路的發(fā)展，鐵路軌道的維修和維護(hù)也日益被重視.在鋼軌的使用過程中，鋼軌會出現(xiàn)肥邊、裂紋、振動等現(xiàn)象，鋼軌打磨車可以及時消除這些問題，保證軌道的的正常使用.因此為更高效、更安全地維護(hù)軌道，鋼軌打磨列車的應(yīng)用越來越廣泛，并有力促進(jìn)了我國高速列車的發(fā)展[1].但在鋼軌打磨過程中產(chǎn)生的大量高溫?zé)焿m和鐵屑，若不及時收集，當(dāng)機車高速運行時會將鐵屑卷起損壞列車上的傳感器，粉塵也會附著在鐵路沿線的電器設(shè)備上，容易造成設(shè)備短路，影響行車安全.同時粉塵的擴散也會對環(huán)境帶來污染[2].因此，隨時收集打磨過后的煙塵和鐵屑成為鋼軌打磨車必須有的功能之一，集塵過濾裝置就是滿足這一功能的專用設(shè)備.

由于軌道維護(hù)在國內(nèi)屬于新興產(chǎn)業(yè)，集塵過濾裝置相關(guān)的產(chǎn)品采用直接引進(jìn)或者仿制兩種手段.直接引進(jìn)價格昂貴，維修保養(yǎng)也是一項繁瑣的事情，因此仿制成為各大軌道主機廠研究的內(nèi)容.而在仿制過程中如何掌握其核心技術(shù)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，同時降低成本，實現(xiàn)國產(chǎn)化才是目的.某機車引進(jìn)的集塵裝置在使用過程中出現(xiàn)國外馬達(dá)、風(fēng)機維修成本高、周期長，以及在風(fēng)機旋轉(zhuǎn)過程中艙體振動和整機價格昂貴等問題.為解決上述問題，本研究根據(jù)機車空間要求選擇了國產(chǎn)馬達(dá)、風(fēng)機等重要元件，并進(jìn)行了總體方案設(shè)計，設(shè)計了風(fēng)機縱向布置連接裝置，通過骨架設(shè)計保證了艙體的鋼強度，通過流場分析進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計，奠定了完全替代的技術(shù)基礎(chǔ)，推進(jìn)了國產(chǎn)化進(jìn)程.

1 總體方案設(shè)計

1.1 總體方案設(shè)計

集塵過濾裝置主要由進(jìn)氣腔、過濾腔、風(fēng)機裝置、反吹腔和集塵盒等組成，如圖1所示.液壓泵和風(fēng)機組成的風(fēng)機裝置作為整個集塵過濾裝置的動力源，風(fēng)機裝置工作時在集塵艙體內(nèi)形成負(fù)壓，進(jìn)氣腔開有進(jìn)氣口，與軌道表面連接，隨時吸收打磨過后殘留的塵屑.塵屑通過進(jìn)氣道進(jìn)行冷卻分離，大的石塊會通過進(jìn)氣口掉回鐵軌上，小的塵屑進(jìn)入過濾腔.在過濾腔內(nèi)通過濾芯進(jìn)行過濾，稍大的顆粒直接墜落在集塵盒內(nèi)，小的灰塵粘附在濾芯上.反吹腔內(nèi)反吹系統(tǒng)會定時啟動，通過濾芯內(nèi)腔向外反吹，粘附在濾芯上的小顆粒在濾芯的振動下墜入集塵盒內(nèi).過濾后的氣體通過濾芯內(nèi)腔在風(fēng)機作用下排到大氣中，排出的氣體要符合環(huán)保的要求.在設(shè)計過程中，風(fēng)機的選型和布置、風(fēng)道流場的設(shè)計是集塵裝置的核心.

圖1 某集塵裝置結(jié)構(gòu)圖

在集塵裝置的設(shè)計中，技術(shù)要求如下：

1)滿足列車的各項接口；

2)選用國產(chǎn)馬達(dá)和風(fēng)機并縱向布置；

3)設(shè)計風(fēng)量：7 000～8 400 m3/h；

4)含塵濃度≤20 mg/m3

國內(nèi)研制的集塵過濾裝置的動力源大多以電機驅(qū)動為主，如李海濱[3]設(shè)計的GMC96B型鋼軌打磨列車專用的集塵裝置.但在此次集塵過濾裝置的設(shè)計中，需要選用液壓馬達(dá)驅(qū)動風(fēng)機.由于空間所限液壓馬達(dá)和風(fēng)機都要縱向布置.這在國內(nèi)的集塵過濾裝置中還不多見，同時為了節(jié)約研制成本和維修成本、縮短研制周期和后期的維修周期，經(jīng)過性能匹配，選擇國產(chǎn)華德A2F28W2P1型液壓馬達(dá)和標(biāo)準(zhǔn)的5#風(fēng)機，并設(shè)計了一套風(fēng)機縱向布置連接裝置.

1.2 風(fēng)機縱向布置連接裝置設(shè)計

風(fēng)機縱向連接裝置分為兩部分：一部分為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，將馬達(dá)輸出軸的扭矩傳遞給渦輪，保證渦輪的有效運轉(zhuǎn)；一部分為承載系統(tǒng)，將渦輪的重力和其旋轉(zhuǎn)起來的氣動力通過連接裝置傳遞給渦殼，由渦殼承受所有縱向載荷，如圖2所示.

圖2 液壓馬達(dá)縱向布置的連接裝置

旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由鍵轂套、旋轉(zhuǎn)盤、旋轉(zhuǎn)套、軸承套等組成.馬達(dá)輸出軸通過平鍵與鍵轂套連接，鍵轂套通過四方凸臺將馬達(dá)輸出扭矩傳遞給旋轉(zhuǎn)盤，隨后通過旋轉(zhuǎn)套，將扭矩傳遞到軸承套，而軸承套與渦輪通過緊固件連接，這樣馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時可以有效帶動渦輪旋轉(zhuǎn).

承載系統(tǒng)是本次連接裝置的核心，確保渦輪等所有裝置的重量通過該系統(tǒng)有效轉(zhuǎn)接到渦殼上.圓螺母和馬達(dá)連接法蘭組成的承載系統(tǒng)，有效地將雙列角接觸球軸承內(nèi)圈軸向固定，馬達(dá)連接法蘭通過緊固件與渦殼法蘭盤連接，保證所有重量轉(zhuǎn)接到渦殼上.

1.3 艙體骨架設(shè)計

原艙體全部選擇板材折彎拼接而成.為保證強度和焊縫的整潔，使用了很多搭接技巧，如圖3(a)所示.同時在大板上增加加強筋，即便如此依然會在風(fēng)機工作時出現(xiàn)頻繁振動現(xiàn)象.究其原因，對于艙體而言其受力主要來自風(fēng)機帶來的負(fù)壓，由于風(fēng)機口在艙體的后上方，所以越靠近風(fēng)機口受力越大，在風(fēng)機的高頻運動下，板的強度不夠便帶來了振動，但用增加壁厚的辦法來解決不是最優(yōu)的選擇.

為解決這一問題，設(shè)計了兩種方案.方案一如圖3(b)所示，放棄大整板的辦法，對艙體進(jìn)行分段折彎，折彎部分拼接處相當(dāng)于加強筋，然后焊接.但由于板薄，容易造成焊接變形，且不易矯正，對外觀會有較大的影響.方案二如圖3(c)所示，借鑒車體方艙設(shè)計技巧，增加骨架結(jié)構(gòu)，來提高艙體的鋼強度，整機重量會稍有增加，對于機車而言，增加的重量易于接受.經(jīng)過權(quán)衡選擇了第二種方案.在整個樣機的試驗中，沒有發(fā)現(xiàn)艙體的任何振動現(xiàn)象，同時艙體外觀更為光整平滑.

圖3 艙體結(jié)構(gòu)

2 風(fēng)道流場設(shè)計分析

風(fēng)機工作時風(fēng)道內(nèi)形成一定的負(fù)壓和一定速度的氣流，引導(dǎo)磨屑和灰塵顆粒運動.風(fēng)道是整個集塵裝置流體系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在集塵過濾裝置的功能中，氣場阻力的大小直接影響除塵效率和過濾能力，因此風(fēng)道流場設(shè)計的優(yōu)劣直接決定集塵過濾功能.為此專門針對風(fēng)道進(jìn)行仿真，并通過仿真模擬不斷對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如圖4所示.為保證風(fēng)道能夠有效攔截高溫磨屑，對大粒子進(jìn)行預(yù)分離機降溫，對內(nèi)部流線進(jìn)行了分析，如圖5所示.同時風(fēng)道進(jìn)氣口位置安裝防火鏈，阻擋大的石塊、高溫火花對內(nèi)部風(fēng)道的影響.

圖4 風(fēng)道結(jié)構(gòu)圖

圖5 風(fēng)道內(nèi)部流場分布圖

3 試驗驗證

樣機生產(chǎn)完成后，對集塵過濾裝置進(jìn)行性能試驗，分別對系統(tǒng)供油壓力、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、風(fēng)機出口速度、集塵裝置進(jìn)氣口速度進(jìn)行采樣，數(shù)據(jù)如表1所示.由表1可以看出，在供油壓力至10 MPa，風(fēng)機轉(zhuǎn)速至2 580 r/min時，風(fēng)機出風(fēng)口風(fēng)量為7 101.86 m3/h，達(dá)到設(shè)計要求.

表1 集塵過濾裝置性能試驗數(shù)據(jù)匯總表

對該裝置進(jìn)行了可靠性試驗.集塵過濾裝置陸續(xù)運轉(zhuǎn)28 h，最長連續(xù)運轉(zhuǎn)4 h，風(fēng)機運轉(zhuǎn)順暢，無機械摩擦及明顯發(fā)熱現(xiàn)象，艙體無任何振動，充分證明了該裝置的可行性和可靠性.經(jīng)檢測，出口粉塵濃度0.9 mg/m3，完全達(dá)標(biāo).

4 結(jié) 論

為完成利用國產(chǎn)風(fēng)機和馬達(dá)完成某集塵過濾裝置的設(shè)計，進(jìn)行了集塵過濾裝置的方案設(shè)計，研究了風(fēng)機縱向布置結(jié)構(gòu)、艙體強度和風(fēng)道設(shè)計.通過試驗結(jié)果可知，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計完全可以保證國產(chǎn)部件應(yīng)用的要求，減少生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期.該項研究補充了我國集塵過濾裝置的研究內(nèi)容，進(jìn)一步推動了我國集塵過濾裝置的能力建設(shè).今后可以增加該集塵過濾裝置與國外同類型產(chǎn)品的性能對比研究，不斷優(yōu)化和提高國內(nèi)的設(shè)計.