袁 芬 張 明 李 彪 吳宏濤

中國北方車輛研究所 北京 100072

引言

隨著高速鐵路的發(fā)展,鐵路軌道的維修和維護也日益被重視。在鋼軌的使用過程中,鋼軌會出現(xiàn)肥邊、裂紋、振動等病害,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[1-3]。但在鋼軌打磨過程中會產(chǎn)生大量的高溫?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件,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[4-5]。為及時收集鋼軌打磨后的灰塵并對灰塵進行過濾處理滿足排放的需求,集塵設(shè)備應(yīng)運而生。在軌道集塵設(shè)備中風(fēng)量是決定集塵設(shè)備過濾性能的一個關(guān)鍵指標(biāo)。風(fēng)量大小主要由動力源和風(fēng)機性能決定。因此動力源和風(fēng)機組成的風(fēng)機裝置是集塵設(shè)備設(shè)計的重點之一。

軌道集塵設(shè)備不同于地面的除塵設(shè)備,其設(shè)計空間受到列車外型和安放位置的限制。在風(fēng)機裝置中,一般采用電機驅(qū)動,如如李海濱[6]設(shè)計的GMC96B型鋼軌打磨列車專用的集塵裝置等。但在大風(fēng)量集塵過濾裝置的設(shè)計中,動力源為液壓,需要選用液壓馬達驅(qū)動風(fēng)機,由于空間所限液壓馬達和風(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,風(fēng)機和液壓馬達需要選用國產(chǎn)件。由于液壓馬達在縱向布置時都只傳遞扭矩而不能承受軸向力,為此設(shè)計了一套風(fēng)機縱向布置連接裝置。

1 風(fēng)機安裝結(jié)構(gòu)及要求

1.1 風(fēng)機結(jié)構(gòu) 風(fēng)機將電機提供的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)能,它所提供的壓力和風(fēng)量決定整個集塵設(shè)備的工作性能。風(fēng)機主要由渦殼、葉輪、導(dǎo)流罩等部分組成。電機帶動葉輪在渦殼內(nèi)高速旋轉(zhuǎn),葉輪上的葉片對風(fēng)機內(nèi)的流體做功,流體產(chǎn)生動能,并從葉輪周邊被拋出,甩到四周,形成高速高壓的氣體,最后以較高的速度被排出風(fēng)機[7]。渦殼一方面保護葉輪,另一方面匯集葉輪出口氣流并引向風(fēng)機出口,為提高風(fēng)機效率,渦殼的外形一般采用阿基米德螺旋線或?qū)?shù)螺旋線；導(dǎo)流罩保證氣流能夠均勻而順暢的充滿葉輪進口,使氣流在流動過程中的損失能夠達到最小[8-9]。

1.2 風(fēng)機在集塵設(shè)備中的安裝位置 在大風(fēng)量集塵設(shè)備設(shè)計中,機車上動力源是液壓馬達,由于空間所限,馬達和風(fēng)機組成的風(fēng)機裝置需要縱向布置,如圖1所示。

圖1 某集塵裝置結(jié)構(gòu)圖

集塵過濾裝置主要由進氣腔、過濾腔、風(fēng)機裝置、反吹腔和集塵盒等組成。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)形成強大的負(fù)壓,保證進氣腔能夠及時吸收軌道打磨后的塵屑,并有效利用過濾腔內(nèi)的濾芯完成氣體的過濾。在集塵過濾裝置的設(shè)計過程中,風(fēng)機的選型和布置是集塵裝置的核心。風(fēng)機裝置除了要縱向布置、滿足機車接口要求外,設(shè)計風(fēng)量要達到7000～8400m3/h。

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,風(fēng)機和液壓馬達選用國產(chǎn)件。經(jīng)過性能匹配,選擇國產(chǎn)華德A2F28W2P1型液壓馬達和標(biāo)準(zhǔn)的5#風(fēng)機。由于液壓馬達在縱向布置時都只傳遞扭矩而不能承受軸向力,為此設(shè)計了一套風(fēng)機縱向布置連接裝置。

2 縱向布置連接裝置的設(shè)計

2.1 縱向布置連接裝置總體設(shè)計 連接裝置既要把馬達輸出的扭矩實時傳遞給風(fēng)機,保證風(fēng)機的有效運轉(zhuǎn)；同時又要把風(fēng)機的重量以及葉片旋轉(zhuǎn)帶來軸向氣動力轉(zhuǎn)接出去。風(fēng)機縱向連接裝置由旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和承載系統(tǒng)組成,裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 一種液壓馬達縱向布置的連接裝置

2.2 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是整個連接裝置的重要組成部分,承擔(dān)著將馬達輸出軸的扭矩實時傳遞給風(fēng)機的重任。該系統(tǒng)由鍵轂套2、旋轉(zhuǎn)盤9、毛氈圈10、雙列角接觸球軸承6、旋轉(zhuǎn)套8組成。馬達輸出軸通過平鍵與鍵轂套2連接,鍵轂套2通過四方凸臺將馬達輸出扭矩傳遞給旋轉(zhuǎn)盤9,隨后通過緊固件,將扭矩傳遞到軸承套5,而軸承套5與葉輪通過緊固件連接,這樣馬達旋轉(zhuǎn)時可以有效帶動葉輪旋轉(zhuǎn)。

2.3 承載系統(tǒng)設(shè)計 承載系統(tǒng)是連接裝置的核心,它解決了如何將風(fēng)機重量和渦輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向氣動力轉(zhuǎn)接到風(fēng)機渦殼上的問題。渦殼等連接裝置的重量由雙列角接觸球軸承6承擔(dān),圓螺母12、止動墊圈11、馬達連接法蘭7凸臺,牢牢地將雙列角接觸球軸承6的內(nèi)圈進行軸向固定,同時馬達連接法蘭通過緊固件與渦殼法蘭盤4連接,保證所有重量轉(zhuǎn)接到渦殼上[10]。

3 試驗情況

樣機生產(chǎn)完成后,對集塵過濾裝置進行性能試驗,同時增加可靠性試驗,集塵過濾裝置陸續(xù)運轉(zhuǎn)28h,最長連續(xù)運轉(zhuǎn)4h,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。

在試驗過程中分別對系統(tǒng)供油壓力、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、風(fēng)機出口速度、進行采樣,經(jīng)過數(shù)據(jù)匯總后,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2580r/min時,風(fēng)機出口風(fēng)量達到7101.86m3/h,滿足設(shè)計要求。

表1 集塵過濾裝置性能試驗數(shù)據(jù)匯總表

4 結(jié)論

風(fēng)機縱向連接裝置的設(shè)計為集塵裝置液壓馬達縱向布置找到了解決方案,并通過試驗驗證了結(jié)構(gòu)的可靠性,保證了風(fēng)機的正常運轉(zhuǎn)和風(fēng)量要求。為在集塵裝置風(fēng)機設(shè)計中使用國產(chǎn)液壓馬達和風(fēng)機奠定了基礎(chǔ),進一步降低風(fēng)機裝置研制成本和時間,推動了我國軌道集塵裝置的研究水平和能力的提高。