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        某鐵路養(yǎng)護(hù)機(jī)械隧道內(nèi)作業(yè)通風(fēng)方案分析

        2025-03-18 00:00:00莫濤
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2025年5期

        摘 要:鐵路養(yǎng)護(hù)機(jī)械需要在隧道內(nèi)需要進(jìn)行搗固、清篩和吸污等作業(yè),其作業(yè)天窗點(diǎn)內(nèi)會出現(xiàn)動力裝置高溫和作業(yè)人員施工區(qū)域有害氣體濃度超標(biāo)問題,影響作業(yè)效率和人員生命安全。本文為車輛匹配了通風(fēng)裝置,以加強(qiáng)作業(yè)車輛周圍空氣流動,有效解決了鐵路養(yǎng)護(hù)機(jī)械在隧道內(nèi)作業(yè)中面臨的高溫、有害氣體超標(biāo)問題。并利用流場仿真手段,比較某作業(yè)車輛編組匹配通風(fēng)裝置前、后動力裝置入口區(qū)域進(jìn)氣溫度和作業(yè)人員區(qū)域有害氣體濃度變化趨勢,說明本文針對隧道內(nèi)作業(yè)鐵路養(yǎng)護(hù)機(jī)械的匹配通風(fēng)方案具有推廣應(yīng)用價值。

        關(guān)鍵詞:鐵路養(yǎng)護(hù)機(jī)械;隧道;通風(fēng);仿真分析

        中圖分類號:U 453" " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        鐵路隧道長度分為特長隧道(全長超過10000m)、長隧道(全長為3000m~10000m)、中隧道(全長為500m~3000m)和短隧道(全長500m及以下)。已投入運(yùn)營的長度20km以上特長鐵路隧道13座,總長約312km[1]。隧道內(nèi)自然風(fēng)速與隧道進(jìn)出口風(fēng)壓成正比,與隧道長度成反比,與隧道等效直徑成正比[2]。在超長隧道內(nèi),自然風(fēng)速下降,出現(xiàn)無風(fēng)情況。陳愛娟等[3]基于FLUENT流場仿真分析了不同射流風(fēng)機(jī)組合方案下的公路隧道內(nèi)通風(fēng)效果,表明單、雙射流風(fēng)機(jī)組合且每組射流風(fēng)機(jī)距離較近的風(fēng)機(jī)組合為最優(yōu)通風(fēng)組合,對污染物的擴(kuò)散作用顯著,并且指出,縱向通風(fēng)是最常用的長大隧道通風(fēng)方式,其采用射流風(fēng)機(jī),形成有限空間流,布置形式包括多組并列、多組縱向串聯(lián)。不同的布置形式對通風(fēng)效果具有明顯影響。師虹[4]基于CFD對特長公路隧道內(nèi)的通風(fēng)排煙進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,在特長公路隧道頂部設(shè)計(jì)集中排煙道,同時,采用射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行縱向通風(fēng),實(shí)際隧道內(nèi)的通風(fēng)效果比射流風(fēng)機(jī)單獨(dú)作用效果具有顯著提升。陳愛娟等[5]分析了公路隧道內(nèi)通風(fēng)流場分布表面,指出在長度2km的隧道內(nèi),自然風(fēng)從隧道入口進(jìn)入,到出口前,要使風(fēng)壓降至0kPa,需要將至少3臺射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行縱向布置,以滿足隧道內(nèi)的通風(fēng)需求。呂曉云[6]以甘青隧道工程為研究背景,利用統(tǒng)計(jì)分析、理論分析等手段,對高寒地區(qū)特長鐵路隧道采用射流風(fēng)機(jī)集成通風(fēng)管道的方式,以保證隧道內(nèi)的通風(fēng)效果。

        1 鐵路養(yǎng)護(hù)機(jī)械隧道內(nèi)作業(yè)通風(fēng)方案模擬方法

        1.1 項(xiàng)目背景

        國內(nèi)某鐵路單線隧道內(nèi)鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)軌距單線有渣線路,線路兩側(cè)設(shè)計(jì)有鐵路道床排水溝,隧道橫截面凈高度為5.5m,寬為4.88m,總長約14.7km。由于隧道壁面滲水、泥漿和鐵路道床石渣滾落等原因,使用一段時間后,隧道的排水溝會產(chǎn)生堵塞,導(dǎo)致鐵路道床發(fā)生內(nèi)澇,影響行車安全。需要定期清理溝內(nèi)的各種污物,保證溝槽順暢。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況,現(xiàn)有鐵路道床排水溝清淤施工過程中主要存在以下4個特點(diǎn)。1)需要人工作業(yè)。需要人工使用鐵鏟清理排水溝蓋板上的道砟,找到密井位置,撬開蓋板,用潛水泵將積水抽干,再利用鐵鏟等工具將淤堵物裝入編織袋內(nèi),轉(zhuǎn)運(yùn)出隧道并堆放在道傳兩側(cè)。2) 排水溝暗管部分的淤泥無法清理。暗管部分無蓋板且空間狹小,施工人員無法鉆入暗溝內(nèi)清掏淤泥,長時間無法清理后,淤泥板結(jié),排水溝堵塞。3) 勞動強(qiáng)度大、效率低。人工清淤前需要清除蓋板上方石渣,并將蓋板全部掀開,作業(yè)后要安裝蓋板并進(jìn)行石渣回填,作業(yè)工序均為重體力勞動。4) 作業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較大。在長大且無自然通風(fēng)的隧道內(nèi),施工所用小型內(nèi)燃驅(qū)動的機(jī)具設(shè)備尾氣污染嚴(yán)重,形成局部CO氣體積聚,危害施工人員生命健康。

        基于工程實(shí)際問題需求,本文設(shè)計(jì)了某隧道綜合作業(yè)車,以提升作業(yè)工序機(jī)械化、自動化程度,降低作業(yè)人員配置需求。并匹配了射流風(fēng)機(jī),形成局部通風(fēng)效應(yīng),改良作業(yè)區(qū)域空氣環(huán)境。作業(yè)車輛編組如圖1所示,C2車、C3車中部分別并列布置2套射流風(fēng)機(jī),進(jìn)出口間隔約15m。對于不同的作業(yè)方向,由作業(yè)方向前端的動力車輛牽引作業(yè),編組總長約60m。

        1.2 仿真分析模型和工況

        將C4車作為動力車向前牽引車輛作業(yè),分別計(jì)算射流風(fēng)機(jī)開啟和關(guān)閉狀態(tài)下的工況。仿真計(jì)算工況見表1。

        1.3 邊界條件設(shè)定和評價標(biāo)準(zhǔn)

        邊界條件設(shè)置見表2。

        將隧道入口、隧道出口分別設(shè)置為壓力入口和壓力出口,將射流風(fēng)機(jī)出口、發(fā)動機(jī)排氣口和散熱器排氣口設(shè)計(jì)為速度入口。其余邊界條件設(shè)定如下:隧道流域內(nèi)自然風(fēng)速0m/s,溫度30℃;預(yù)設(shè)初始空氣成分為氮?dú)?8%,氧氣21%,其他氣體1%;作業(yè)車發(fā)動機(jī)功率為450kW,動力車功率為100kW;施工人員作業(yè)區(qū)域的CO濃度≤20mg/m3,O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥0.195。

        2 不同通風(fēng)方案隧道通風(fēng)效果數(shù)值仿真分析

        2.1 無通風(fēng)方案隧道內(nèi)作業(yè)分析

        作業(yè)車輛編組工況2流線圖如圖2所示。車輛編組外部空氣流動積聚在C2車和C3車周圍,流速最快區(qū)域?yàn)檐囕v頂部發(fā)動機(jī)散熱出風(fēng)口、液壓油散熱器出風(fēng)口,在散熱器進(jìn)、出風(fēng)口間會產(chǎn)生“回流”現(xiàn)象,降低了散熱器散熱效果。

        2.2 通風(fēng)效果分析

        作業(yè)車輛編組工況1如圖3所示。散熱器排風(fēng)、發(fā)動機(jī)排氣隨通風(fēng)方向進(jìn)行擴(kuò)散,距離射流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口越遠(yuǎn)的區(qū)域,其溫度場分布越均勻。作業(yè)人員區(qū)域風(fēng)速均>1.5m/s,車輛頂部風(fēng)速最快為13m/s。通風(fēng)設(shè)備能夠使發(fā)動機(jī)散熱器、液壓油散熱器出口熱風(fēng)加速擴(kuò)散,避免熱量回流。在作業(yè)天窗點(diǎn)內(nèi),作業(yè)車輛編組在作業(yè)過程中不會出現(xiàn)由發(fā)動機(jī)高溫導(dǎo)致無法繼續(xù)作業(yè)的現(xiàn)象。

        2.3 進(jìn)氣區(qū)域溫升對比

        施工人員區(qū)域進(jìn)氣區(qū)域溫升見表3。

        在通風(fēng)設(shè)備額定功率運(yùn)行狀態(tài)下,車輛各吸風(fēng)口進(jìn)氣溫升均低于20K,滿足發(fā)動機(jī)散熱器、液壓油散熱器等在熱平衡狀態(tài)下的最高設(shè)計(jì)進(jìn)氣溫度50℃的要求。當(dāng)通風(fēng)設(shè)備未開啟時,車輛各吸風(fēng)口進(jìn)氣溫升均超過20K,其中動力間進(jìn)氣溫度、空濾進(jìn)氣溫度超過65℃,發(fā)動機(jī)散熱器無法達(dá)到熱平衡狀態(tài),因此會產(chǎn)生高溫。當(dāng)液壓油散熱器進(jìn)口溫度超過50℃時同樣無法達(dá)到熱平衡,液壓作業(yè)系統(tǒng)會產(chǎn)生高溫,影響整車作業(yè)。打開通風(fēng)設(shè)備后,各進(jìn)氣區(qū)域溫升下降超過10K。

        3 不同通風(fēng)方案隧道內(nèi)有害氣體污染物擴(kuò)散仿真分析

        施工人員區(qū)域排氣濃度分布如圖4所示。作業(yè)編組車輛在隧道持續(xù)作業(yè)一個天窗后,通風(fēng)設(shè)備全功率運(yùn)行,施工人員區(qū)域車輛頂部排氣濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2%,車體中下部低于1%。

        當(dāng)無通風(fēng)設(shè)備時,排氣濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過11%,車體中下部為8.5%。根據(jù)公式(1)、公式(2)計(jì)算一氧化碳?xì)怏w的濃度和空氣中的氧氣含量,結(jié)果見表4。

        (1)

        CO2=0.21?(1-Pexh) (2)

        式中:Cco為一氧化碳?xì)怏w濃度,mg/m3;為空氣密度,kg/m3;COLim為一氧化碳排放限值,g/kW·h,按照非道路四階段?。籦ei為作業(yè)編組車輛第i個動力裝置額定工況點(diǎn)比油耗,g/kW·h;ci為化學(xué)計(jì)量空燃比,柴油取14.3;Ai取第i個動力裝置運(yùn)行工況點(diǎn)下過量空氣系數(shù);Pi取第i個動力裝置的實(shí)際運(yùn)行功率,kW;Pexh取排氣濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù);ρ0取排氣密度,kg/m3。

        當(dāng)不啟用通風(fēng)設(shè)備時,作業(yè)編組車輛無法滿足隧道內(nèi)持續(xù)作業(yè)一個天窗點(diǎn)的要求,CO氣體濃度超標(biāo),威脅施工人員生命。啟用通風(fēng)設(shè)備后,施工人員作業(yè)區(qū)域一氧化碳?xì)怏w濃度有所降低。

        4 結(jié)論

        在整車作業(yè)編組狀態(tài)下,比較開啟、關(guān)閉通風(fēng)方案,可以提取計(jì)算域內(nèi)的溫度分布、排氣污染物濃度分布信息。結(jié)果表明,當(dāng)通風(fēng)設(shè)備按額定功率運(yùn)行時,作業(yè)一個天窗點(diǎn)后,作業(yè)編組車輛各吸風(fēng)口溫升<15K,滿足車輛各散熱器達(dá)到熱平衡后進(jìn)風(fēng)口溫度限制要求。施工人員區(qū)域一氧化碳?xì)怏w濃度未超過標(biāo)準(zhǔn)限值,保障了隨車作業(yè)人員的生命安全,降低了尾氣中毒現(xiàn)象發(fā)生的可能性。

        當(dāng)通風(fēng)設(shè)備不啟動時,施工人員積聚區(qū)域有害氣體堆積現(xiàn)象嚴(yán)重,作業(yè)一個天窗點(diǎn)后會出現(xiàn)一氧化碳?xì)怏w濃度超標(biāo),并且作業(yè)編組車輛各吸風(fēng)口溫升為38K,車輛各散熱系統(tǒng)已無法達(dá)到熱平衡。

        綜上所述,為作業(yè)編組車輛配備頂置通風(fēng)設(shè)備,能夠提升隧道內(nèi)作業(yè)性能,優(yōu)化施工人員區(qū)域一氧化碳?xì)怏w濃度,保障施工人員作業(yè)安全,對隧道內(nèi)作業(yè)的其他車輛來說具有一定借鑒作用。

        參考文獻(xiàn)

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