姚明夏，黃 侃

（1，中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司柳州機(jī)務(wù)段，工程師，廣西 柳州，545007；2，廣西沿海鐵路股份有限公司南寧南機(jī)務(wù)運(yùn)用段，助理工程師，廣西 南寧，530045）

1 概述

傳統(tǒng)的機(jī)車整備上砂作業(yè)方式主要有三種：即在機(jī)車整備臺(tái)位上純?nèi)斯ど仙?；在固定上砂臺(tái)位上移動(dòng)平車自流式上砂；在固定臺(tái)位固定式正壓上砂。第一種上砂方式上砂人員要從烤砂房用手推車把砂子運(yùn)到整備場(chǎng)整備臺(tái)位，再用砂鏟手工給機(jī)車上砂，勞動(dòng)強(qiáng)度大，上砂效率低，正常一臺(tái)機(jī)車上砂就需要20 min左右，運(yùn)砂和上砂作業(yè)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生粉塵污染，影響環(huán)境以及作業(yè)人員健康；第二、第三種方式雖然解決了運(yùn)砂問(wèn)題，但上砂作業(yè)還是會(huì)產(chǎn)生粉塵污染且加滿后不能自動(dòng)停止，同時(shí)作業(yè)點(diǎn)往往要固定在機(jī)車入庫(kù)通道上，一臺(tái)車停車上砂一般需要10～15 min，雨季時(shí)往往需要20 min以上，既造成入庫(kù)線路通過(guò)能力降低又增加乘務(wù)員輔助作業(yè)工時(shí)。為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款可以適應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境，可以自動(dòng)吸砂、上砂的移動(dòng)上砂小車設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)給砂整備作業(yè)自動(dòng)化靈活化高效化，具有重要意義。

2 移動(dòng)上砂小車工作原理

2.1 移動(dòng)上砂小車吸砂系統(tǒng)工作原理吸砂系統(tǒng)工作原理如圖1所示，吸砂裝置主要由高壓風(fēng)機(jī)、貯砂罐、分離器（匯流塊）、砂量調(diào)節(jié)器、吸砂槍、管道等組成。吸砂時(shí)，打開(kāi)no.1、no.4關(guān)閉no.2、no.3、no.5閥門，高壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生高速氣流，氣流通過(guò)吸砂槍（受砂口）將砂料匯合成砂流，砂流通過(guò)管道至分離器，進(jìn)行氣、砂分離，砂料至砂罐，空氣經(jīng)除塵后排出，當(dāng)吸入的砂子到達(dá)儲(chǔ)砂罐預(yù)定存量點(diǎn)通過(guò)傳感器控制自動(dòng)停止吸砂，完成吸砂工作。

2.2 移動(dòng)上砂小車上砂系統(tǒng)工作原理上砂系統(tǒng)工作原理如圖1所示。上砂時(shí)，打開(kāi)no.2、no.3、no.5關(guān)閉no.1、no.4閥門，高壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生高速氣流，氣流通過(guò)管道到達(dá)匯流塊，通過(guò)砂量調(diào)節(jié)器控制砂量，與貯砂罐流出的砂子匯合成砂流，經(jīng)過(guò)管道和砂槍（上砂口）到達(dá)砂箱，當(dāng)上砂到達(dá)砂箱預(yù)定位置，砂子觸封閉砂槍出口的吸氣管口時(shí)自動(dòng)停止上砂，完成加砂作業(yè)。上砂過(guò)程中，產(chǎn)生的灰塵經(jīng)上砂口的回風(fēng)管道至濕式過(guò)水除塵器和機(jī)械式干燥器及旋風(fēng)氣水分離器進(jìn)行除塵、除水后排放。

2.3 運(yùn)輸裝置工作原理移動(dòng)上砂小車運(yùn)輸裝置采用電瓶運(yùn)輸車，節(jié)能環(huán)保，用于將砂子從存砂場(chǎng)運(yùn)輸?shù)綑C(jī)車上砂點(diǎn)，并利用運(yùn)輸車的電瓶驅(qū)動(dòng)高速風(fēng)機(jī)產(chǎn)生吸砂及上砂動(dòng)力。

2.4 除塵系統(tǒng)工作原理利用高壓風(fēng)機(jī)氣流通過(guò)濕式過(guò)水除塵器和機(jī)械式干燥裝置及旋風(fēng)氣水分離器，將粉塵氣體通過(guò)裝水容器及封閉式循環(huán)氣道使塵粒產(chǎn)生氣水混合作用捕集顆粒進(jìn)而降塵；利用機(jī)械式干燥裝置及旋風(fēng)式氣水分離器的氣流切向引入造成的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使具有較大慣性離心力的水滴甩向外壁面而進(jìn)一步將氣水分離，經(jīng)過(guò)兩級(jí)氣水分離達(dá)到環(huán)保排放要求。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 設(shè)備選型采用電瓶車作為運(yùn)輸工具，其電瓶滿足一次充電后持續(xù)工作一個(gè)臺(tái)班要求。為使設(shè)備的通過(guò)性更好、作業(yè)時(shí)間更長(zhǎng)，在滿足各項(xiàng)性能前提下，應(yīng)減輕設(shè)備重量、減小設(shè)備體積及功率。吸砂和上砂可共用一臺(tái)三葉羅茨風(fēng)機(jī)。羅茨風(fēng)機(jī)屬容積式風(fēng)機(jī)，利用兩個(gè)葉形轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)壓縮和輸送氣體，適用于低壓力場(chǎng)合氣體輸送和加壓系統(tǒng)，也可用作真空泵。羅茨風(fēng)機(jī)體積小、風(fēng)量大、噪聲低、耗能省、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、風(fēng)量穩(wěn)定、安裝方便，對(duì)被抽氣體中灰塵和水蒸氣不敏感。吸砂時(shí)利用羅茨風(fēng)機(jī)的負(fù)壓抽氣功能，上砂時(shí)利用羅茨風(fēng)機(jī)的正壓吹風(fēng)功能。

3.2 參數(shù)計(jì)算及選擇

3.2.1 吸砂與上砂能力計(jì)算 在吸砂、上砂過(guò)程中，砂氣混合氣流的運(yùn)動(dòng)狀況非常復(fù)雜，吸砂、上砂量的大小受到氣流的壓力、管路的通徑、風(fēng)量的大小、管路的長(zhǎng)短及管路局部的壓力損耗等因素制約。

在工程設(shè)計(jì)中，吸砂、上砂量的大小可按下述經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：G為上砂量，單位為kg/h

D為輸送砂管內(nèi)徑，單位為m；

Va為輸送空氣速度，單位為m/s，

當(dāng)物料＞880 kg/m3＜1 360 kg/m3時(shí)，取25 m/s；

γai為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣比重，

取1.2 kg/m3；

π為圓周率；

M為混合比，低真空吸送裝置使用的范圍在1～8之間，一般取m=5.5；

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，機(jī)務(wù)段上砂小車應(yīng)達(dá)到每分鐘不少于20 kg的吸砂能力，上砂能力不低于每分鐘10 kg；理論上吸砂、上砂管道管徑分別不小于50 mm和25 mm，建議吸砂、上砂管徑分別選擇60 mm和30 mm。

3.2.2吸砂及上砂時(shí)羅茨風(fēng)機(jī)的參數(shù)計(jì)算

1）吸砂上砂起始段所需的空氣流量計(jì)算

式中：Qa為空氣流量，單位為m3/min

D為輸砂軟管內(nèi)徑，單位為m；

Va為輸送空氣速度，單位為m/s，

當(dāng)物料＞880 kg/m3＜1 360 kg/m3時(shí)，取25 m/s；

2）吸砂上砂時(shí)沿程壓力損失計(jì)算

空氣管壓損ΔPai可以按下式計(jì)算：

式中：mmaq為管壓損單位，以下公式中省略；λai為管摩擦系數(shù)，λai=K（0.0125+0.0011/Dai）其中：光滑管K=1.0，焊接管K=1.3舊焊接K=1.6；

Lai為氣管長(zhǎng)，單位為m；

Dai為空氣管內(nèi)徑，單位為m；

Γai為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣比重，

取1.2 kg/m3；

Va為輸送空氣速度。單位為m/s，當(dāng)物料＞880 kg/m3＜1 360kg/m3時(shí)，取25m/s；

砂在輸送時(shí)的初速度可視為0，當(dāng)輸送空氣加速到一定速度所產(chǎn)生的壓力損失ΔPac大致可用下式計(jì)算：

式中，C為常數(shù)，約1～10，一般取c=3；

M為混合比，低真空吸送裝置使用的范圍在1～8之間，一般取m=5.5；

γai為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣比重，取1.2kg/m3；

Va為輸送空氣速度，單位為m/s，當(dāng)物料＞880 kg/m3＜1 360 kg/m3時(shí)，取25 m/s；

輸砂管中壓力損失ΔPm可按下式計(jì)算：

式中，Leq為輸砂管相當(dāng)長(zhǎng)度，單位m；

Lh為輸砂管水平管長(zhǎng)度，單位為m；

Kθ為斜長(zhǎng)管換算系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)決定，一般取1.2

Lθ為輸砂管斜管長(zhǎng)度，單位m；

Kv為垂直管換算系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)決定，一般取kv=1.5

Lv為輸砂管垂直管長(zhǎng)度，單位為m；

N為輸砂管彎管數(shù)，由實(shí)驗(yàn)決定，一般取N=100；

Dai為輸砂管內(nèi)徑。單位為m；

β為常數(shù)，一般取β=0.45；

λa為0.1555；

除塵裝置的壓力損失ΔPsep可以按下式計(jì)算：

式中ξ為阻力系數(shù)，干式除塵器，ξ=5.5；濕式除塵器，ξ=4.0；

Ρt為溫度在t℃時(shí)含塵氣體的密度（kg/m3），本文取氣體密度ρt=1.39 kg/m3;

Υj為進(jìn)氣速度，單位為m/s，推薦取υj=25m/s。

吸砂時(shí)系統(tǒng)壓力總損失ΔP吸可以按下式計(jì)算：

上砂時(shí)系統(tǒng)壓力總損失ΔP上可以按下式計(jì)算：

在選擇羅茨風(fēng)機(jī)時(shí)，要綜合考慮風(fēng)機(jī)能滿足吸砂和上砂的參數(shù)要求。風(fēng)機(jī)負(fù)壓抽氣的風(fēng)量應(yīng)大于吸砂起始段所需的空氣流量Qa，風(fēng)機(jī)負(fù)壓的壓力應(yīng)大于吸砂時(shí)系統(tǒng)壓力總損失ΔP吸，風(fēng)機(jī)正壓吹風(fēng)的風(fēng)量應(yīng)大于上砂起始段所需的空氣流量Qa，風(fēng)機(jī)正壓的壓力應(yīng)大于上砂時(shí)系統(tǒng)壓力總損失ΔP上，一般余裕風(fēng)量和壓力為10%～20%。

3.3 輸砂管路設(shè)計(jì)輸砂管路分為兩路，一路是將砂抽吸到儲(chǔ)砂罐時(shí)砂子和空氣通過(guò)的管路，這里稱之為吸砂管路；另一路是將儲(chǔ)砂罐里的砂子輸向機(jī)車砂箱時(shí)砂子和空氣通過(guò)的管路，稱之為上砂管路。由前述可知，兩路管路的動(dòng)力源為同一風(fēng)機(jī)，但是同一風(fēng)機(jī)的正壓、負(fù)壓、抽氣和吹風(fēng)的數(shù)值不同，兩路管路的布局、長(zhǎng)度和砂量也不同。因此，在設(shè)計(jì)中要充分考慮到兩者的差異，分別選用不同的管徑及管壁厚度。

無(wú)論是吸砂管路還是上砂管路，應(yīng)盡量減少?gòu)澒苓B接。因彎管連接會(huì)增加系統(tǒng)的壓力損失，增加耗能，并且彎管連接處易磨損。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)負(fù)壓、正壓氣流輸送技術(shù)設(shè)計(jì)的移動(dòng)上砂小車主要由吸砂系統(tǒng)、上砂系統(tǒng)、運(yùn)輸裝置、除塵系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構(gòu)成，采用全封閉移動(dòng)式結(jié)構(gòu)、自動(dòng)控制、兩級(jí)除塵。目前已經(jīng)在南寧局集團(tuán)公司柳州機(jī)務(wù)段投入試用，經(jīng)過(guò)使用測(cè)試，設(shè)備每分鐘吸砂量可達(dá)25 kg/m，上砂每分鐘可達(dá)15 kg/m；使用兩套設(shè)備同時(shí)作業(yè)正常時(shí)一臺(tái)機(jī)車上砂時(shí)間可控制在7分鐘以內(nèi)，雨天每臺(tái)機(jī)車上砂時(shí)間大約為15分鐘左右；吸砂及上砂均實(shí)現(xiàn)了滿砂自動(dòng)停止，全程無(wú)揚(yáng)塵現(xiàn)象。該移動(dòng)上砂小車自動(dòng)化程度較其他方式有較大提高，作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度明顯降低，可以滿足在不同地點(diǎn)上砂的個(gè)性化要求，實(shí)現(xiàn)了既能提高機(jī)車整備效率及機(jī)車入庫(kù)線路通過(guò)能力又能達(dá)到環(huán)境保護(hù)要求的設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。