李海濱

（北京二七軌道交通裝備公司，北京10072）

鋼軌打磨列車在打磨鋼軌的作業(yè)中產(chǎn)生大量的磨削粉塵，極大的危害作業(yè)人員的身體健康和污染鐵道周圍的環(huán)境，近年來，先進(jìn)的鋼軌打磨列車上安裝了集塵裝置，將打磨作業(yè)中產(chǎn)生的粉塵，經(jīng)過濾清元件過濾后集中收集，可以極大的改善作業(yè)周圍的空氣質(zhì)量，有利于保護(hù)勞動者身體健康和鐵道周邊的環(huán)境。

GMC96B型鋼軌打磨列車安裝了具有脈沖反向吹掃濾清元件技術(shù)的集塵裝置，集塵能力強(qiáng)、濾清精度高、濾清元件壽命長、具有防燃安全保護(hù)系統(tǒng)，技術(shù)先進(jìn)、可靠。

自2007年開始，北京二七軌道交通裝備公司和瑞士斯比諾國際公司聯(lián)合設(shè)計(jì)、合作生產(chǎn)了GMC96B型鋼軌打磨列車，提出了集塵裝置的總體結(jié)構(gòu)型式、主要功能和技術(shù)要求、在列車上安裝的接口尺寸，聯(lián)合北方兵器集團(tuán)北方車輛研究所進(jìn)行國產(chǎn)化集塵裝置的研制；樣機(jī)研制完成后，進(jìn)行了臺架試驗(yàn)和濾清性能第3方試驗(yàn)、裝車性能測試，通過了鐵道部質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對列車進(jìn)行的綜合性能試驗(yàn)。目前，已經(jīng)批量出廠運(yùn)用，質(zhì)量可靠。

1 主要結(jié)構(gòu)組成

1.1 在鋼軌打磨列車上的安裝和工作條件

GMC96B型鋼軌打磨列車共有6節(jié)作業(yè)車，集塵裝置安裝在每節(jié)作業(yè)車的中部車架上方，與車架下部安裝的打磨小車相對應(yīng)。集塵裝置進(jìn)風(fēng)道口通過鋼制彈性波紋管分別與打磨小車左右兩側(cè)的出風(fēng)口相連；排氣道口與作業(yè)車頂蓋相連。集塵裝置的通風(fēng)機(jī)電機(jī)由作業(yè)車上安裝的發(fā)電機(jī)組供電，脈沖吹掃系統(tǒng)等氣動部件由作業(yè)車上的風(fēng)源裝置供風(fēng)。

1.2 主要結(jié)構(gòu)組成

集塵裝置為箱形結(jié)構(gòu)，主要由進(jìn)氣道、濾清室、濾清元件、通風(fēng)機(jī)和電動機(jī)、排氣道、集塵室、脈沖反吹掃系統(tǒng)及控制裝置組成。箱形濾清室內(nèi)排列有濾清元件；室體前端的門可以打開，檢查和更換濾清元件；濾清元件為扁平袋式結(jié)構(gòu)；濾清室箱體的側(cè)面安裝有一體化的通風(fēng)機(jī)和電機(jī)；下部為集塵室，前后留有除塵口。集塵室上部側(cè)面安裝有脈沖反吹氣流控制閥。進(jìn)氣道上設(shè)有防火閥門，當(dāng)溫度超限時(shí)，閥門關(guān)閉，防止發(fā)生火災(zāi)。如圖1所示。

圖1 集塵裝置圖

1.3 主要工作原理

集塵裝置工作時(shí)，電動機(jī)驅(qū)動通風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，在進(jìn)氣道至濾清室內(nèi)形成真空負(fù)壓，形成引風(fēng)作用，將打磨小車的4個(gè)打磨頭磨削鋼軌產(chǎn)生的粉塵抽吸入集塵裝置內(nèi)，粉塵氣流通過濾清室后；被過濾在濾清元件外側(cè)，有脈沖氣流間歇通入濾清元件內(nèi)部向外吹掃，將吸附在濾清元件上的粉塵沖掃下來，落入集塵箱集中起來。

1.4 主要技術(shù)參數(shù)

2 設(shè)計(jì)研究的主要問題

2.1 箱形結(jié)構(gòu)和風(fēng)道阻力計(jì)算分析

按照總體方案的要求，集塵裝置結(jié)構(gòu)為箱形，進(jìn)風(fēng)道、出風(fēng)道均為矩形截面，要減小氣流在風(fēng)道、轉(zhuǎn)彎、進(jìn)入濾清室的擴(kuò)壓和濾清后進(jìn)入通風(fēng)機(jī)的收縮流動的沿程損失及局部渦流等流動損失，降低流體噪聲。采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的風(fēng)道進(jìn)行了仿真計(jì)算，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和降低沿程阻力，同時(shí)，也為確定風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)提供依據(jù)。如圖2，為仿真計(jì)算的靜壓分布。

圖2 仿真計(jì)算靜壓分布圖

集塵裝置箱形結(jié)構(gòu)體要滿足通風(fēng)機(jī)和電機(jī)安裝要求，相對于底座安裝面，確定進(jìn)風(fēng)口的位置要準(zhǔn)確，滿足裝車要求，箱形結(jié)構(gòu)體、集塵室門可以采用壓制出肋條來提高強(qiáng)度，降低裝置的總重。集塵裝置樣機(jī)試制后，箱形結(jié)構(gòu)外觀進(jìn)行了優(yōu)化，提高表面質(zhì)量。

2.2 通風(fēng)機(jī)的選型

采用離心式通風(fēng)機(jī)，選型中主要考慮：（1）通風(fēng)機(jī)的氣動特性曲線中常用工作段隨靜壓上升，通風(fēng)量的減少能適應(yīng)系統(tǒng)風(fēng)量的要求。（2）在車輛長期的振動環(huán)境中工作，要求可靠性高。（3）通風(fēng)機(jī)效率高、噪聲低、體積小、質(zhì)量輕。

通風(fēng)機(jī)的噪聲主要由氣動噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲兩部分組成。降低氣動噪聲的主要措施有：（1）在集塵裝置的風(fēng)機(jī)蝸殼出口后安裝擴(kuò)壓消聲段，降低噪聲；（2）在通風(fēng)機(jī)的制造中提高進(jìn)風(fēng)口的加工精度和裝配精度，縮小葉輪和進(jìn)風(fēng)口的間隙，從而有效抑制徑向間隙引起的渦流噪聲。降低旋轉(zhuǎn)噪聲的措施主要是提高通風(fēng)機(jī)葉輪的動平衡等級，保證葉輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性。

圖3 通風(fēng)機(jī)氣動特性曲線

根據(jù)集塵裝置系統(tǒng)工作要求和流道計(jì)算分析的要求，選擇通風(fēng)機(jī)電機(jī)，有較高的防護(hù)等級，在惡劣天氣的環(huán)境下也能夠持續(xù)穩(wěn)定地工作。

2.3 濾材的選擇和濾清元件

集塵裝置中濾清元件為扁平式濾袋，采用鋼骨架，外包濾布制成，排列在濾清室內(nèi)，可以拆缷更換。如圖4所示。經(jīng)過大量的篩選和對比試驗(yàn)，濾袋選用厚實(shí)的化纖針刺氈或壓縮氈濾布，并通過試驗(yàn)測試，選用濾布材料的透氣度大，工作溫度可達(dá)到204℃，斷裂強(qiáng)度大，耐磨性好、抗張力強(qiáng)。

根據(jù)濾清室內(nèi)部的空間，布置18行、9列，共計(jì)162個(gè)扁平袋式濾芯，經(jīng)計(jì)算分析，在滿足系統(tǒng)濾清阻力、濾清精度、過濾風(fēng)速的條件下，總過濾面積滿足流量通過的要求。

圖4 濾清室和濾清元件

2.4 濾清元件的脈沖反向吹掃系統(tǒng)

脈沖反向吹掃系統(tǒng)由儲風(fēng)缸、脈沖閥、控制閥、噴吹管、脈沖控制器等幾部分組成。

脈沖閥入口與壓縮空氣的儲風(fēng)缸連接，出口連接噴吹管，吹掃濾清元件，脈沖閥內(nèi)的背壓室與控制閥連接。脈沖控制器、控制閥控制脈沖閥的開啟、關(guān)閉；當(dāng)脈沖控制器無信號輸出時(shí)，控制閥的排氣口關(guān)閉；當(dāng)脈沖控制器發(fā)出信號時(shí)，控制閥排氣口打開，壓縮空氣從儲氣缸通過脈沖閥，經(jīng)噴吹管的小孔噴出，由袋式濾清元件的內(nèi)側(cè)向外與粉塵氣流濾清通過的反方向吹掃，氣流在瞬間釋放壓縮空氣，濾清元件急劇膨脹，紡織物的濾布和灰塵一起向外加速運(yùn)動，濾布具有迅速恢復(fù)原狀的彈性，灰塵不能隨之復(fù)原，與濾布脫離而被吹落入集塵箱中。工作原理如圖5所示。

脈沖反向吹掃氣流噴吹周期的長短一般根據(jù)通過濾清元件的粉塵氣流的流速、粉塵濃度、吹掃壓力等確定，當(dāng)吹掃壓力一定時(shí)，若粉塵氣流的流速過大、入口粉塵濃度高時(shí)，可以縮短吹掃周期，以保持通過濾清元件時(shí)的流體阻力不增加過大。經(jīng)過設(shè)計(jì)和試驗(yàn)確定，脈沖反向吹掃氣流10s噴吹一次，每次吹掃兩組濾清元件，每次通風(fēng)0.1s，依次對各濾清元件進(jìn)行吹掃，反復(fù)循環(huán)。

圖5 濾清元件脈沖反吹掃原理圖

2.5 防火閥門及控制

打磨產(chǎn)生的高溫粉塵氣流通過進(jìn)氣道進(jìn)入過濾室，必須有相應(yīng)的防火措施。在進(jìn)氣道入口處，設(shè)置鏈條制成的火星吸收網(wǎng)，高溫粉塵中混雜的火星被吸收在鏈條上而熄滅，無法隨氣流進(jìn)入濾清室。

在進(jìn)氣道上設(shè)置溫度傳感器、防火風(fēng)門，防火閥門主要有防火擋板和氣動風(fēng)缸組成（圖6）。當(dāng)高溫粉塵氣流含有較大的火星或進(jìn)氣道入口附近產(chǎn)生火焰時(shí)，溫度傳感器檢測的高溫粉塵氣流大于100℃，控制系統(tǒng)使氣動風(fēng)缸驅(qū)動防火擋板關(guān)閉通風(fēng)道；同時(shí)，通風(fēng)機(jī)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，引風(fēng)作用停止，高溫粉塵氣流被阻斷在進(jìn)氣道外，脈沖反吹掃系統(tǒng)也停止工作，防止高溫粉塵氣流損壞濾清元件；當(dāng)溫度降低后，控制系統(tǒng)重新打開防火板，啟動通風(fēng)機(jī)的電機(jī)，使集塵裝置繼續(xù)工作；若集塵裝置恢復(fù)工作后再次發(fā)生高溫報(bào)警，控制系統(tǒng)再次關(guān)閉防火閥、停止通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和反向吹掃，處于鎖定狀態(tài)，發(fā)出報(bào)警信號；這時(shí)，只有工作人員到達(dá)報(bào)警的集塵裝置及打磨小車現(xiàn)場判別并處理火災(zāi)隱患后，方可手動解除鎖定狀態(tài)，恢復(fù)正常工作。

控制器設(shè)置在列車電氣控制柜中，也可以組成獨(dú)立的控制盒，安裝在集塵裝置箱體側(cè)面。

3 試驗(yàn)研究

3.1 臺架性能試驗(yàn)

集塵裝置樣機(jī)試制后，進(jìn)行臺架性能試驗(yàn)，全面測試集塵裝置的各項(xiàng)性能。

圖6 防火閥門和火星吸收網(wǎng)

試驗(yàn)時(shí)，由地面電源柜向集塵裝置通風(fēng)機(jī)供電。首先進(jìn)行機(jī)組運(yùn)行試驗(yàn)，檢查工作狀態(tài)正常后，進(jìn)行通風(fēng)道靜壓測試、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。通風(fēng)道靜壓值測試，如圖7所示，多次測試的平均值如表1如示。通過查證通風(fēng)機(jī)氣動性能曲線的圖3，可以得到通風(fēng)量和對應(yīng)的電機(jī)功率值。試驗(yàn)表明，通風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口靜壓值、流量均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，濾清元件有較大的容塵周期裕量。該項(xiàng)試驗(yàn)也為裝車試驗(yàn)進(jìn)一步試驗(yàn)分析提供基礎(chǔ)。連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)12 h，機(jī)組工作正常，脈沖反吹掃系統(tǒng)脈沖閥開閉吹掃氣流正常，工作可靠。用加熱設(shè)備（如打火機(jī)）對集塵裝置進(jìn)風(fēng)口的溫度傳感器加熱到90℃以及以上，此時(shí)防火閥門關(guān)閉，電機(jī)停止工作，脈沖閥自動停止。低于該溫度值，再次啟動裝置，正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖7 集塵裝置靜壓測試示意圖

表1 靜壓測量和通風(fēng)量試驗(yàn)測試

2009－02－24由中國冶金環(huán)境檢測中心進(jìn)行"鋼軌打磨列車用集塵裝置粉塵排放檢測"。檢測依據(jù)為GB 16157－1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》［1］，主要檢測器具為煙塵檢測儀、空盒氣壓表、電子天平。檢測在北京二七機(jī)車廠工業(yè)公司生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行，鐵道部駐廠驗(yàn)收室、北方車輛研究所、北京二七軌道交通裝備公司代表參加。在集塵裝置進(jìn)風(fēng)口處形成污染粉塵顆粒物，通過集塵裝置濾清后，測試出口的粉塵濃度為12mg／m3，滿足技術(shù)指標(biāo)提出的濾清后空氣含塵量≤20mg／m3的要求［2］。

3.2 裝車試驗(yàn)

集塵裝置裝車后，進(jìn)行與整列車各機(jī)組共同工作試驗(yàn)，了解聯(lián)合工作性能和濾清元件的容塵裕量。在集塵裝置上預(yù)留3處測試點(diǎn)，即進(jìn)風(fēng)道、進(jìn)氣室（粉塵空氣通過濾清元件前）、集氣室（位于濾清后、相當(dāng)于通風(fēng)機(jī)入口前）。采用U形管測量真空度，用毫米水柱表示，換算為靜壓值。

裝車后，集塵裝置進(jìn)風(fēng)口增加了打磨頭附近設(shè)備阻力、經(jīng)打磨小車的進(jìn)風(fēng)道和波紋管等風(fēng)道阻力，測試進(jìn)風(fēng)道靜壓與臺架性能試驗(yàn)測試參數(shù)進(jìn)行比較，進(jìn)風(fēng)道阻力增加約585Pa。查看通風(fēng)機(jī)氣動性能曲線對應(yīng)的通風(fēng)量和功率，與濾清后集氣室的靜壓即通風(fēng)機(jī)入口前靜壓的設(shè)計(jì)點(diǎn)4 000Pa、通風(fēng)量不小于10 000m3／h相比，實(shí)際裝車后系統(tǒng)留有較大的濾袋容塵裕量的使用期。在運(yùn)用中，可以采用這種直觀測量方法檢查集塵裝置濾芯狀態(tài)，測量濾清后集氣室靜壓超過設(shè)計(jì)值、系統(tǒng)流量無法滿足濾清要求時(shí)更換濾袋。

查看集塵裝置的反吹清掃作用工作正常，打開集塵裝置下部集塵門，可以看到過濾下的粉塵吹落到集塵箱中。進(jìn)行集塵裝置進(jìn)風(fēng)道上防火閥門動作試驗(yàn)，運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

4 結(jié)論

（1）鋼軌打磨列車用集塵裝置已經(jīng)成功地批量裝車運(yùn)用，臺架試驗(yàn)和裝車試驗(yàn)表明，集塵裝置濾清精度高，有較大的含塵裕量，工作周期長，效果良好，工作可靠。

（2）對集塵裝置箱體結(jié)構(gòu)和通風(fēng)道進(jìn)行仿真計(jì)算，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)和降低氣流沿程阻力。通風(fēng)機(jī)對粉塵氣流引風(fēng)作用強(qiáng)，適應(yīng)濾清元件在使用過程中阻力增加和通風(fēng)量變化，在工作周期內(nèi)都保持較好的氣動特性。

（3）選擇了透氣度大、耐高溫、斷裂強(qiáng)度大，耐磨性好、抗張力強(qiáng)的材料制作袋式濾清元件，組合成濾清器室，濾清精度高、阻力小。

（4）采用脈沖反向氣流對濾清元件進(jìn)行吹掃，可以將吸附在濾清元件外的粉塵吹掃下落到集塵箱中，減小濾清阻力的增長，延長濾清元件的使用壽命。

（5）設(shè)有防火閥門，可以有效的控制打磨粉塵引發(fā)的火災(zāi)，運(yùn)用可靠、安全。

［1］ GB 16157－1996.固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法［S］.

［2］ 冶金環(huán)境檢測中心.（2009－W－016檢驗(yàn)報(bào)告）鋼軌打磨集塵裝置粉塵排放檢則［R］.北京：2009.