,

(1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙，410083；2.湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南株洲，412007；3.中國鐵建重工集團(tuán)有限公司，湖南長沙，410100)

鐵路道床表面的污物清理工作多年來主要依靠人工完成，近年來，一些軌道表面清污設(shè)備開始研制并投入使用，如應(yīng)用于無砟軌道客運(yùn)專線的道床吸污車、朔黃(山西神池—河北黃驊港)鐵路的吸煤車、蘭新二線(蘭州—烏魯木齊)的軌道除沙車等，其基本工作原理建立在吹吸循環(huán)工作方式和氣體輸送技術(shù)上。針對上述鐵路專用養(yǎng)護(hù)設(shè)備，郭關(guān)柱[1-2]采用吸風(fēng)循環(huán)式軌道吸塵裝置，吹風(fēng)氣流通過前后吹嘴將污物吹起后，由中間吸風(fēng)口將污物吸入除塵器內(nèi)，并對能耗和吸污能力進(jìn)行了分析；史天亮[3]對吸塵裝置內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，在不同參數(shù)情況下對吸塵效率進(jìn)行了仿真研究；張繼恩等[4]利用氣流吹吸原理，對鐵路道床堆積煤粉的關(guān)鍵特性進(jìn)行了研究；郭關(guān)柱[5]對氣力吸取式軌道吸沙機(jī)的吸沙特性進(jìn)行了探討；張鳴鳳等[6]利用正交試驗(yàn)方法研究了地鐵清掃車的重要參數(shù)對清掃效果的影響規(guī)律。上述專用設(shè)備對道床表面的不同污物清理起到了一定的作用，但存在只能處理特定類型污物、清污工況單一的缺點(diǎn)，尤其在污物量大的情況下應(yīng)用效果不夠理想。國內(nèi)公路清潔車輛已得到廣泛應(yīng)用和研究。在除塵效率和結(jié)構(gòu)研究方面，李必紅[7]分析了吸塵口的結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸塵性能的影響；曾廣銀等[8-12]運(yùn)用CFD技術(shù)對公路清掃車的吸塵系統(tǒng)進(jìn)行了流場仿真和結(jié)構(gòu)改進(jìn)；WU等[13]建立了吸塵車氣固兩相流場模型，使用數(shù)值計(jì)算方法分析了吸塵車前進(jìn)作業(yè)速度、吸塵口進(jìn)出口壓降和不同類型的粉塵顆粒對真空吸塵口內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特征及其吸塵性能的影響；郗元等[14-15]以除塵效率為性能指標(biāo)，研究了各參數(shù)與除塵效率的關(guān)系。這些研究對鐵路道床吸污裝置的設(shè)計(jì)起到了一定的指導(dǎo)意義，但不適用于表面結(jié)構(gòu)不規(guī)則、污物情況復(fù)雜的鐵路道床。本文作者在鐵路道床吸污車和吸煤車現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出新型的吹掃吸組合工作裝置結(jié)構(gòu)，對比原有的吹吸組合工作方式，重點(diǎn)研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸塵效果的影響規(guī)律，采用氣固兩相流動(dòng)方法仿真計(jì)算該新結(jié)構(gòu)的吸塵效率，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性。

1 吸塵裝置作業(yè)原理分析及塵粒臨界啟動(dòng)條件

1.1 吸塵裝置作業(yè)原理分析

原有的道床吸污車吸塵裝置工作原理如圖1所示，吹風(fēng)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速吹噴氣流(正風(fēng)壓)通過前后兩側(cè)吹嘴將鐵路道床表面的污物吹起，再由吸風(fēng)風(fēng)機(jī)形成的吸污氣流(負(fù)風(fēng)壓)從中間吸風(fēng)口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(dá)到清潔鐵路道床的目的。這種吹吸組合的吸污方式對吹吸風(fēng)速度的匹配要求較高，較小的吹風(fēng)速度將導(dǎo)致作業(yè)效率低，過高的吹風(fēng)速度將造成二次污染[16]。此外，該方式多用于清掃高速鐵路無砟軌道上散落的灰塵和鋼軌打磨鐵粉等污物顆粒，對于污物量大的區(qū)域，僅僅依靠吹風(fēng)氣流的剪切力作用，不足以將較厚污物清理干凈。

圖1 吸風(fēng)循環(huán)式軌道吸塵裝置工作原理Fig.1 Principle of dust suction apparatus with blowsuction cycle

針對原有吸塵裝置在污物堆積工況時(shí)吸污效率不足問題，本文提出新型的吹掃吸組合裝置的作業(yè)模式示意圖如圖2所示。其工作原理是：吹風(fēng)氣流通過吹風(fēng)口將道床表面的污物吹起，吸風(fēng)口布置在吹風(fēng)口的前后兩側(cè)，同時(shí)在其外側(cè)分別增加了一套滾刷式清掃裝置；前、后滾刷分別采用圓周順轉(zhuǎn)和逆轉(zhuǎn)的方式，將道床表面污物沿切線掃起拋入吸風(fēng)口區(qū)域。這種結(jié)構(gòu)將避免吹風(fēng)氣流引起污物外泄造成二次污染，同時(shí)，采用機(jī)械式滾刷將極大提高堆積污物的吸塵效率。

圖2 吹掃吸組合作業(yè)模式示意圖Fig.2 Principle diagram of blow-sweep-suction combined mode

1.2 吸污工況及研究對象分析

當(dāng)清掃無砟軌道道床表面或污物量較少時(shí)，滾刷不參與作業(yè)。滾刷作用主要應(yīng)用于污物顆粒較大且較厚的工況，例如運(yùn)煤專線隧道處煤粉的清掃。與石子和鐵粉相比，煤粉的密度要低很多，但在鐵路運(yùn)煤專線，散落的煤粉在道床上堆積現(xiàn)象嚴(yán)重。本文重點(diǎn)針對該工況以煤粉顆粒為對象，進(jìn)行數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究。

為使研究結(jié)果與實(shí)際情況相符，取樣煤粉，利用顯微鏡、天平和量筒，進(jìn)行形態(tài)觀測、質(zhì)量和容積測量，研究煤粉的物理特性。研究結(jié)果表明：煤粉的堆積密度為850 kg/m3，實(shí)體密度為1 197 kg/m3，堆積煤粉顆粒粒度以0.5～5.0 mm 為主，顆粒粒度小于0.05 mm 的煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1%，顆粒粒度大于12.0 mm 的煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1%，顆粒粒度為0.2～5.0 mm 的煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90%。

1.3 塵粒運(yùn)動(dòng)臨界條件

污物塵粒的氣力啟動(dòng)速度是指使得塵粒開始滑動(dòng)、翻滾并即將懸浮的最小氣流速度，只有當(dāng)風(fēng)速超過這一最小風(fēng)速時(shí)，塵粒才有可能發(fā)生移動(dòng)[17]；當(dāng)污物層較厚或污物顆粒粒度較大時(shí)，在車輛有效作業(yè)時(shí)間內(nèi)，僅僅依靠氣流作用無法達(dá)到預(yù)期的吸塵效果，此時(shí)滾刷參與作業(yè)；當(dāng)滾刷水平清掃力大于塵粒與地面的摩擦力或垂直清掃力大于塵粒的重力時(shí)，塵粒開始發(fā)生移動(dòng)或跳動(dòng)。

1.3.1 氣力起塵臨界條件

對于直徑為d1的球形顆粒，在空氣中的浮重G為

所受流體動(dòng)力F為

塵粒自由懸浮時(shí)，必須滿足流體動(dòng)力與浮重相等、方向相反這樣的力學(xué)平衡，所以，

由此可解出塵粒啟動(dòng)臨界速度v1為

式中：ρk為顆粒密度；ρq為空氣密度；v1為塵粒啟動(dòng)臨界速度；C為阻力系數(shù)(本文取C= 0.44)；d1為塵粒的當(dāng)量直徑；g為重力加速度；G為浮重；F為流體動(dòng)力。

1.3.2 滾刷刷掃起塵臨界條件

滾刷刷毛與塵粒接觸受力情況如圖3所示。設(shè)P1為兩者接觸點(diǎn)，塵粒所受滾刷水平清掃力∑Fx和垂直清掃力∑Fy計(jì)算如下：

式中：fT為刷毛與塵粒摩擦力；NT為刷毛對塵粒正壓力；αT為P1點(diǎn)切線方向與水平方向的夾角；fR為不同環(huán)境下塵粒與地面的摩擦力；μ1為刷毛與塵粒摩擦因數(shù)；m為塵粒質(zhì)量。

刷毛作用到地面的壓力N的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為[18]

式中：d2為刷毛直徑，m；E為刷絲的彈性模量，Pa；J為刷絲截面慣性矩，m4；s為刷毛的自由長度，m；h為刷毛的變形量，m；ZB為刷毛與地面接觸的數(shù)量；R為滾刷半徑，m；vm為滾刷圓周線速度，m/s。圖3中，R0為滾刷軸半徑，m；YK為刷毛自由長度與變形量之差。

N=NTcosαT，代入式(5)和式(6)可求得∑Fx和∑Fy。

圖3 滾刷刷毛與塵粒接觸受力圖Fig.3 Contact force diagram between brush bristles and dust particles

2 模型建立

2.1 物理模型

根據(jù)本文提出的新型吸塵裝置結(jié)構(gòu)及吹掃吸組合作業(yè)原理，建立其物理結(jié)構(gòu)模型，如圖4所示，其中，中間為吹風(fēng)口，用于將污物吹起，兩側(cè)對稱布置吸風(fēng)口。為了便于分析關(guān)鍵參數(shù)對吸塵效率的影響，吸塵裝置建立模型時(shí)設(shè)定：1)模型的左右兩側(cè)作為空氣入口；2)將地面分為3 部分，其中，中間位置為吹吸風(fēng)作用區(qū)域，兩側(cè)為滾刷刷掃作用區(qū)域；3)在距離吸風(fēng)口頂面80 mm處分別建立吸風(fēng)口半截面，用于計(jì)算該截面處氣流的平均流量。

由于吸塵口結(jié)構(gòu)不規(guī)則，利用ICEM-CFD 對模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。為保證計(jì)算精度，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)。經(jīng)多次劃分后，最終網(wǎng)格數(shù)量確定為12萬余個(gè)。選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程作為湍流計(jì)算模型，選擇二階迎風(fēng)差分格式和SIMPLE求解算法[19]。邊界條件設(shè)置如下：流場計(jì)算采用速度入口、壓力入口的邊界條件，吹風(fēng)速度取正值，吸風(fēng)速度取負(fù)值。對與吹風(fēng)口平行的兩側(cè)進(jìn)行擴(kuò)張，其端面作為進(jìn)風(fēng)口，與吹風(fēng)口垂直兩側(cè)則根據(jù)實(shí)際情況作為壁面。

圖4 吹掃吸裝置的結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Simulating structure model of dust suction apparatus

2.2 數(shù)學(xué)模型

流場遵循下列動(dòng)力學(xué)方程[20]。

1)連續(xù)性方程：

其中：ρ為流體密度；v2為流體速度。

2)動(dòng)量方程：

其中，校正壓力p′為

p為靜壓力；ξ為體積黏性系數(shù)；μ2為層流黏度系數(shù)；。

有效黏度系數(shù)μeff的定義式為

其中：μT為湍流黏度系數(shù)，

Cμ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，通常取0.09；k為湍動(dòng)能；ε為動(dòng)能耗散系數(shù)，它們滿足k-ε雙方程。

3)k-ε雙方程：

其中：

σk和σε分別為k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)；C1和C2為常數(shù)。

3 吸污效果數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 參數(shù)設(shè)定

本文結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及功能要求，對參數(shù)進(jìn)行仿真分析研究，以求得風(fēng)速風(fēng)量的合理匹配?？紤]到原有產(chǎn)品部分參數(shù)無法更改，因此，對主要參數(shù)進(jìn)行如下規(guī)定：最大吸風(fēng)風(fēng)量為65 000 m3/h，最大吹風(fēng)風(fēng)量為30 000 m3/h，滾刷直徑為500 mm，滾刷轉(zhuǎn)速為0～450 rad/min。吹風(fēng)風(fēng)量可調(diào)節(jié)，當(dāng)設(shè)置最大吹風(fēng)風(fēng)量時(shí)，吹風(fēng)口最大風(fēng)速為29 m/s。

3.2 吹風(fēng)速度對吸塵效果影響分析

當(dāng)吹風(fēng)氣流速度大于塵粒啟動(dòng)速度時(shí)，塵粒才能被吹起，或者當(dāng)滾刷的水平清掃力大于塵粒與地面的摩擦力、垂直清掃力大于塵粒的重力時(shí)，塵粒就會(huì)運(yùn)動(dòng)。吸風(fēng)速度越大越有利于將吹掃的塵粒吸入，當(dāng)吸風(fēng)量調(diào)節(jié)為風(fēng)機(jī)最大值時(shí)，吸風(fēng)口速度為23 m/s。

吹風(fēng)量可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，只有將污物吹到距離吸風(fēng)口一定范圍內(nèi)污物才能被完全吸走，達(dá)到高效除塵的目的。根據(jù)圖4所示模型，對不同吹風(fēng)速度時(shí)工作裝置的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，地面最大風(fēng)速、平均風(fēng)速及吸風(fēng)口半截面處平均氣流速度如圖5所示。

由圖5可以看出：隨著吹風(fēng)速度增加，地面最大風(fēng)速逐漸增大；當(dāng)吹風(fēng)風(fēng)速較小時(shí)，由于受到吸風(fēng)氣流的影響，吹到地面的平均風(fēng)速增大較緩；隨著吹風(fēng)速度增大，其抗吸風(fēng)干擾的能力加強(qiáng)，吹風(fēng)到達(dá)地面的平均風(fēng)速增大變快。

圖5 不同吹風(fēng)速度時(shí)的地面及吸風(fēng)口處氣流速度Fig.5 Air velocity on the ground and at suction port at different blowing speeds

吸風(fēng)口半截面處的平均風(fēng)速先增大后逐漸減小。當(dāng)吹風(fēng)速度小于18 m/s 時(shí)，吹風(fēng)氣流被較大的吸風(fēng)氣流直接吸至吸風(fēng)口，此時(shí)，吸風(fēng)口平均氣流隨著吹風(fēng)速度增大而增大；當(dāng)吹風(fēng)氣流繼續(xù)增大時(shí)，其抗吸風(fēng)氣流干擾能力逐漸增強(qiáng)，較多的氣流吹至地面同時(shí)沿遠(yuǎn)離吸風(fēng)口半截面位置處運(yùn)動(dòng)，從而造成吸風(fēng)口半截面處氣流平均速度減小?？梢姡碉L(fēng)速度不宜低于18 m/s，當(dāng)風(fēng)速過小時(shí)，由于受吸風(fēng)氣流影響以及衰減，達(dá)到地面無法吹起污物。

3.3 吹吸風(fēng)口距離對吸塵效果的影響

吹風(fēng)口與吸風(fēng)口之間的距離也是吸塵裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，它同樣影響吸塵效果。吸風(fēng)口速度為23 m/s，吹風(fēng)口的吹風(fēng)速度為18 m/s，吹風(fēng)口與吸風(fēng)口之間的距離分別為100，110，120，130，140，150 和160 mm。在其他參數(shù)不變的情況下，對吹吸裝置流場進(jìn)行數(shù)值仿真，地面處及吸風(fēng)口半截面處的風(fēng)速如圖6所示。

由圖6可以看出：隨著吹吸風(fēng)距離增大，地面處的平均風(fēng)速逐漸增大。這主要是由于距離越大，吸風(fēng)氣流對吹風(fēng)氣流的干擾越小，達(dá)到地面的吹風(fēng)氣流速度也就越大；吸風(fēng)口半截面處的平均氣流速度先增大后減小，這是因?yàn)椋捍碉L(fēng)氣流吹至地面后朝前后兩側(cè)流動(dòng)，由于設(shè)定的吸風(fēng)口半截面選取靠近吹風(fēng)口一側(cè)；當(dāng)距離較小時(shí)，進(jìn)入吸風(fēng)口另外一半截面的氣流較多，此時(shí)，該半截面氣流速度較小；隨著吹風(fēng)口與吸風(fēng)口間距增大，吹風(fēng)氣流進(jìn)入設(shè)定吸風(fēng)口半截面的風(fēng)量逐漸增多，吸風(fēng)口半截面氣流平均速度增大；當(dāng)距離為130～140 mm 時(shí)，到達(dá)地面處的吹風(fēng)氣流剛好被吸風(fēng)氣流吸起，從而使吸風(fēng)口的氣流速度達(dá)到最大；隨著距離繼續(xù)增大，部分吹風(fēng)氣流在進(jìn)入吸風(fēng)口前被罩體結(jié)構(gòu)遮擋，造成氣流部分損失。因此，吹吸風(fēng)口距離130～140 mm為較佳的吹吸風(fēng)口距離。

圖6 不同吹吸風(fēng)口距離時(shí)的地面及吸風(fēng)口處氣流速度Fig.6 Air velocity on the ground and at suction pot at different distances between blowing and suction outlets

3.4 氣流相分析

根據(jù)圖4所示模型，設(shè)置吸風(fēng)速度為23 m/s，吹風(fēng)速度為18 m/s，吹風(fēng)口與吸風(fēng)口之間的距離為130 mm，對吸塵裝置內(nèi)部速度流線分布進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示。從圖7可看出吹到地面的最大速度為19.0 m/s，大于粒度為5 mm 的煤粉啟動(dòng)速度(15.3 m/s)，且氣流方向緊貼地面。該結(jié)構(gòu)由于吹吸相互影響，在地面處形成渦流，極大地提高了該處的氣流速度，能夠較好地將塵粒吸起，且內(nèi)部流場分布呈現(xiàn)規(guī)律性，吸風(fēng)口處氣流速度較平均。

3.5 顆粒相分析

為研究顆粒的碰撞和跟蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)圖4所示模型，采用拉格朗日分散相(DPM)模型對不同粒度煤粉在吹吸組合和吹掃吸組合作業(yè)這2種工況下的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行數(shù)值仿真，用于比較滾刷參與作業(yè)時(shí)的吸塵效果。吹吸組合作業(yè)模式為：滾刷不開啟，地面及滾刷塵粒入口處顆粒注入速度為0 m/s，其他參數(shù)與上述設(shè)定保持不變。吹掃吸組合作業(yè)模式為：設(shè)定滾刷轉(zhuǎn)速為180 rad/min，根據(jù)滾刷功率及式(7)，計(jì)算滾刷塵粒入口處的塵粒注入速度為3.75 m/s，地面處顆粒初始速度仍為0 m/s。

圖8和圖9所示分別為2 種模式時(shí)的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖8和圖9可看出顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與圖7所示氣流速度流線總體上相似，顆粒隨著氣流運(yùn)動(dòng)到達(dá)吸風(fēng)口后被吸走。通過對比2種模式下不同顆粒粒度可知：當(dāng)顆粒粒度較小時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡比較規(guī)則，被吸風(fēng)氣流捕捉耗時(shí)較短；隨著粒度增大，顆粒所需啟動(dòng)速度增大，吸塵捕捉過程變長，同時(shí)，顆粒相互之間的碰撞增加了運(yùn)動(dòng)軌跡的雜亂程度，此時(shí)，大粒度污物難以較快地隨氣流進(jìn)入吸塵口，造成吸污效率下降。

圖7 速度流線圖Fig.7 Diagrams of velocity vectors and streamlines

從圖8可見：在吹吸組合作業(yè)模式下，當(dāng)粒度增大達(dá)到5 mm時(shí)，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸雜亂。從圖9可見：對于同樣是粒度為5 mm 的顆粒，在吹掃吸組合作業(yè)模式下，運(yùn)動(dòng)軌跡仍較規(guī)則，幾乎完全被氣流吸走，直至當(dāng)顆粒粒度為15 mm 時(shí)，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡變得雜亂無序。這說明在該工況下吸塵效果比前者好，能夠處理較大顆粒的污物。根據(jù)取樣煤粉的粒度分布可知：5 mm 以下的煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90%，該裝置的吹掃吸組合作業(yè)工作模式能較好地滿足使用要求。

圖8 吹吸結(jié)合作業(yè)時(shí)煤粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.8 Coal particle trajectories with blow-suction mode

圖9 吹掃吸組合作業(yè)時(shí)煤粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.9 Coal particle trajectories with blow-sweep-suction mode

圖10 2種作業(yè)模式的作業(yè)試驗(yàn)對比Fig.10 Comparison of field test results of two operation modes

4 現(xiàn)場試驗(yàn)效果對比

選取一段有砟軌道線路，沿道床表面均勻鋪設(shè)厚度為100 mm、直徑為1～15 mm不等的煤粉顆粒。在清污車輛作業(yè)行駛速度為5 km/h 時(shí)，針對改進(jìn)后的新型吸塵裝置2種作業(yè)模式，對比作業(yè)前后的吸塵清理效果，結(jié)果如圖10所示。從圖10可見：不開啟滾刷時(shí)，吹、吸結(jié)合作業(yè)工況下吸塵效率僅為70%～80%；當(dāng)滾刷參與作業(yè)時(shí)，吹掃吸吸組合作業(yè)模式下吸塵效率可達(dá)95%以上。

5 結(jié)論

1)在吸風(fēng)功率已確定的情況下，吸風(fēng)口風(fēng)速保持不變，吸塵效率主要受吹風(fēng)速度和吹吸風(fēng)口距離的影響。通過對工作裝置流場的數(shù)值模擬和氣相流分析，設(shè)置吹風(fēng)速度為18 m/s、吹吸風(fēng)口距離為130～140 mm為宜。

2)吹吸作業(yè)模式適用于道床表面污物較少工況，如高鐵開通前的無砟道床表面固體粉塵顆粒的清理及打磨車打磨磨削的收集等；當(dāng)污物顆粒較大且堆積較厚時(shí)，滾刷刷掃和吹吸風(fēng)氣流的共同作用，可有效地提高吸塵清理效果。

3)吸風(fēng)口置于吹風(fēng)口兩側(cè)的結(jié)構(gòu)布置優(yōu)于原結(jié)構(gòu)，不會(huì)出現(xiàn)氣流外泄造成二次污染，同時(shí)能夠滿足車輛雙向作業(yè)要求。