姚明夏，黃 侃

（1，中國鐵路南寧局集團有限公司柳州機務(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務(wù)運用段，助理工程師，廣西 南寧，530045）

1 概述

傳統(tǒng)的機車整備上砂作業(yè)方式主要有三種：即在機車整備臺位上純?nèi)斯ど仙?；在固定上砂臺位上移動平車自流式上砂；在固定臺位固定式正壓上砂。第一種上砂方式上砂人員要從烤砂房用手推車把砂子運到整備場整備臺位，再用砂鏟手工給機車上砂，勞動強度大，上砂效率低，正常一臺機車上砂就需要20 min左右，運砂和上砂作業(yè)時還會產(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砂問題，但上砂作業(yè)還是會產(chǎn)生粉塵污染且加滿后不能自動停止，同時作業(yè)點往往要固定在機車入庫通道上，一臺車停車上砂一般需要10～15 min，雨季時往往需要20 min以上，既造成入庫線路通過能力降低又增加乘務(wù)員輔助作業(yè)工時。為解決上述問題，設(shè)計一款可以適應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境，可以自動吸砂、上砂的移動上砂小車設(shè)備，以實現(xiàn)給砂整備作業(yè)自動化靈活化高效化，具有重要意義。

2 移動上砂小車工作原理

2.1 移動上砂小車吸砂系統(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、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，打開no.1、no.4關(guān)閉no.2、no.3、no.5閥門，高壓風(fēng)機產(chǎn)生高速氣流，氣流通過吸砂槍（受砂口）將砂料匯合成砂流，砂流通過管道至分離器，進行氣、砂分離，砂料至砂罐，空氣經(jīng)除塵后排出，當(dāng)吸入的砂子到達儲砂罐預(yù)定存量點通過傳感器控制自動停止吸砂，完成吸砂工作。

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

2.3 運輸裝置工作原理移動上砂小車運輸裝置采用電瓶運輸車，節(jié)能環(huán)保，用于將砂子從存砂場運輸?shù)綑C車上砂點，并利用運輸車的電瓶驅(qū)動高速風(fēng)機產(chǎn)生吸砂及上砂動力。

2.4 除塵系統(tǒng)工作原理利用高壓風(fēng)機氣流通過濕式過水除塵器和機械式干燥裝置及旋風(fēng)氣水分離器，將粉塵氣體通過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而降塵；利用機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)運動使具有較大慣性離心力的水滴甩向外壁面而進一步將氣水分離，經(jīng)過兩級氣水分離達到環(huán)保排放要求。

3 設(shè)計要點

3.1 設(shè)備選型采用電瓶車作為運輸工具，其電瓶滿足一次充電后持續(xù)工作一個臺班要求。為使設(shè)備的通過性更好、作業(yè)時間更長，在滿足各項性能前提下，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三葉羅茨風(fēng)機。羅茨風(fēng)機屬容積式風(fēng)機，利用兩個葉形轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)作相對運動來壓縮和輸送氣體，適用于低壓力場合氣體輸送和加壓系統(tǒng)，也可用作真空泵。羅茨風(fēng)機體積小、風(fēng)量大、噪聲低、耗能省、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、風(fēng)量穩(wěn)定、安裝方便，對被抽氣體中灰塵和水蒸氣不敏感。吸砂時利用羅茨風(fēng)機的負壓抽氣功能，上砂時利用羅茨風(fēng)機的正壓吹風(fēng)功能。

3.2 參數(shù)計算及選擇

3.2.1 吸砂與上砂能力計算 在吸砂、上砂過程中，砂氣混合氣流的運動狀況非常復(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、管路的長短及管路局部的壓力損耗等因素制約。

在工程設(shè)計中，吸砂、上砂量的大小可按下述經(jīng)驗公式進行計算：

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，取25 m/s；

γai為標(biāo)準狀態(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)實際應(yīng)用場景，機務(wù)段上砂小車應(yīng)達到每分鐘不少于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吸砂及上砂時羅茨風(fēng)機的參數(shù)計算

1）吸砂上砂起始段所需的空氣流量計算

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，取25 m/s；

2）吸砂上砂時沿程壓力損失計算

空氣管壓損ΔPai可以按下式計算：

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，單位為m；

Dai為空氣管內(nèi)徑，單位為m；

Γai為標(biāo)準狀態(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，取25m/s；

砂在輸送時的初速度可視為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，取25 m/s；

輸砂管中壓力損失ΔPm可按下式計算：

式中，Leq為輸砂管相當(dāng)長度，單位m；

Lh為輸砂管水平管長度，單位為m；

Kθ為斜長管換算系數(shù)，由實驗決定，一般取1.2

Lθ為輸砂管斜管長度，單位m；

Kv為垂直管換算系數(shù)，由實驗決定，一般取kv=1.5

Lv為輸砂管垂直管長度，單位為m；

N為輸砂管彎管數(shù)，由實驗決定，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℃時含塵氣體的密度（kg/m3），本文取氣體密度ρt=1.39 kg/m3;

Υj為進氣速度，單位為m/s，推薦取υj=25m/s。

吸砂時系統(tǒng)壓力總損失ΔP吸可以按下式計算：

上砂時系統(tǒng)壓力總損失ΔP上可以按下式計算：

在選擇羅茨風(fēng)機時，要綜合考慮風(fēng)機能滿足吸砂和上砂的參數(shù)要求。風(fēng)機負壓抽氣的風(fēng)量應(yīng)大于吸砂起始段所需的空氣流量Qa，風(fēng)機負壓的壓力應(yīng)大于吸砂時系統(tǒng)壓力總損失ΔP吸，風(fēng)機正壓吹風(fēng)的風(fēng)量應(yīng)大于上砂起始段所需的空氣流量Qa，風(fēng)機正壓的壓力應(yīng)大于上砂時系統(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)計輸砂管路分為兩路，一路是將砂抽吸到儲砂罐時砂子和空氣通過的管路，這里稱之為吸砂管路；另一路是將儲砂罐里的砂子輸向機車砂箱時砂子和空氣通過的管路，稱之為上砂管路。由前述可知，兩路管路的動力源為同一風(fēng)機，但是同一風(fēng)機的正壓、負壓、抽氣和吹風(fēng)的數(shù)值不同，兩路管路的布局、長度和砂量也不同。因此，在設(shè)計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。

無論是吸砂管路還是上砂管路，應(yīng)盡量減少彎管連接。因彎管連接會增加系統(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

根據(jù)負壓、正壓氣流輸送技術(shù)設(shè)計的移動上砂小車主要由吸砂系統(tǒng)、上砂系統(tǒng)、運輸裝置、除塵系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構(gòu)成，采用全封閉移動式結(jié)構(gòu)、自動控制、兩級除塵。目前已經(jīng)在南寧局集團公司柳州機務(wù)段投入試用，經(jīng)過使用測試，設(shè)備每分鐘吸砂量可達25 kg/m，上砂每分鐘可達15 kg/m；使用兩套設(shè)備同時作業(yè)正常時一臺機車上砂時間可控制在7分鐘以內(nèi)，雨天每臺機車上砂時間大約為15分鐘左右；吸砂及上砂均實現(xiàn)了滿砂自動停止，全程無揚塵現(xiàn)象。該移動上砂小車自動化程度較其他方式有較大提高，作業(yè)人員的勞動強度明顯降低，可以滿足在不同地點上砂的個性化要求，實現(xiàn)了既能提高機車整備效率及機車入庫線路通過能力又能達到環(huán)境保護要求的設(shè)計預(yù)期目標(biāo)。