郭關(guān)柱

(中國鐵建高新裝備股份有限公司 研究院，云南 昆明　650215)

冬季降雪后，鐵路軌道表面會(huì)堆積大量積雪，輕則掩埋道床板和鋼軌扣件，重則將鋼軌掩埋，從而造成鐵路工務(wù)人員不能正常檢查扣件是否松動(dòng)和鋼軌是否斷裂；并且，列車高速運(yùn)行卷起的雪粒會(huì)粘貼在列車底部，再經(jīng)過列車運(yùn)行所形成的氣壓作用，粘貼在列車底部的雪粒逐漸積累并被壓縮成冰塊，當(dāng)冰塊累積到一定厚度并受到振動(dòng)時(shí)，會(huì)脫落而砸壞線路上的鐵路設(shè)備，危及列車安全運(yùn)行。

軌道除雪是避免列車因積雪而降速和停運(yùn)的主要措施之一，國外最常用的軌道除雪裝置有除雪犁和旋拋式除雪裝置2種：除雪犁是通過類似于犁狀的裝置將軌面的積雪鏟起來并同時(shí)推至軌道兩側(cè)；旋拋式除雪裝置則是通過螺旋機(jī)構(gòu)將軌面上積雪收集至葉片式拋雪機(jī)內(nèi)，由拋雪機(jī)拋送至鐵路軌道外側(cè)[1-2]。除雪犁和旋拋式除雪裝置共同的優(yōu)點(diǎn)是除雪效率高，能夠清掃軌面上堆積較深的積雪。但是，它們的共同缺點(diǎn)也有2點(diǎn)：一是受結(jié)構(gòu)影響，除雪犁和旋拋式除雪裝置只能固定在列車的前端或后端，影響除雪車輛與牽引機(jī)車的聯(lián)掛，且不利于長途運(yùn)輸和故障救援；二是由于除雪犁和旋拋式除雪裝置整體上由剛性結(jié)構(gòu)部件組成，故為了不損壞軌道設(shè)備，只能清掃鋼軌軌面上方的積雪，而不能清掃軌面下方至道床板間的積雪。

在我國北方地區(qū)，鐵路以往采用人工清掃的方式除雪，勞動(dòng)環(huán)境惡劣且勞動(dòng)量較大，隨著列車開行密度和速度的提高，對機(jī)械化除雪的需求越來越迫切。針對國外2種常用除雪裝置存在的不足，本文提出一種組合滾刷掃雪和吸雪風(fēng)機(jī)吸拋積雪的自主化軌道除雪裝置，并對其除雪能力進(jìn)行研究。

1　自主化軌道除雪裝置的工作原理

為了保證鐵路行車安全，當(dāng)?shù)来舶迳系姆e雪超過一定厚度(如高速鐵路道床板的積雪深度超過40 mm)時(shí)，列車必須降速運(yùn)行，如積雪深度進(jìn)一步增加則需要對道床板上的積雪進(jìn)行清掃。北方地區(qū)冬季氣溫較低，積雪難于融化，會(huì)長期掩埋扣件和鋼軌，從而影響線路的檢修。在分析了除雪犁和旋拋式除雪裝置作業(yè)原理的基礎(chǔ)上，參照已使用的吸拋式軌道清掃機(jī)械原理[3-4]，提出1種先通過滾刷旋轉(zhuǎn)將積雪掃起來，再由吸雪風(fēng)機(jī)吸起并拋?zhàn)叩淖灾骰壍莱┭b置，其工作原理如下圖1所示。圖中：v0為軌道除雪裝置的移動(dòng)速度(即掃雪速度)；h0為拋雪筒出口至軌枕板的高度；v1為雪粒的輸送速度；θ為拋雪筒與水平方向的夾角，即拋射角。

圖1　自主化軌道除雪裝置工作原理

由圖1可見，具有較強(qiáng)彈性和韌性的刷毛安裝在滾筒上，從滾筒的軸向看滾刷外形呈圓形，從滾筒的徑向看每排滾刷的刷毛長度并不相同，而是做成仿道床橫斷面的形狀，使得滾刷的相應(yīng)位置分別錯(cuò)開鋼軌、扣件及其他軌道設(shè)備，較長的刷毛甚至可延伸到底部軌枕板；除雪時(shí)，滾刷高速旋轉(zhuǎn)將雪粒掃向前方的吸雪風(fēng)機(jī)，吸雪風(fēng)機(jī)的吸力將雪粒和氣流混合起來從拋雪筒吹出；調(diào)整拋雪筒的角度和方向，可將雪粒拋送至軌道任意一側(cè)，還可調(diào)整拋雪的高度和距離，實(shí)現(xiàn)軌道除雪功能。

2　除雪能力的分析及計(jì)算模型

軌道除雪裝置的除雪能力與滾刷的掃雪能力、吸雪風(fēng)機(jī)的輸送能力及拋雪高度和距離相關(guān)。

2.1　掃雪能力

滾刷的掃雪工作原理如圖2所示。圖中：D0為滾刷外徑；D為掃入滾刷刷毛內(nèi)且依靠離心力作用能拋入吸雪風(fēng)機(jī)中的最內(nèi)側(cè)雪粒所處位置對應(yīng)的直徑，也就是圖中B點(diǎn)位置在滾刷上對應(yīng)的直徑；DG為滾筒的直徑；vt為雪粒離開滾刷最外緣C點(diǎn)時(shí)的切向速度；h為吸雪風(fēng)機(jī)底部到軌枕板的高度；δ0為軌枕板上方的積雪深度；FC為雪粒受到的離心力。

圖2　滾刷掃雪工作原理

如圖2所示，吸雪風(fēng)機(jī)底部高于鋼軌軌面，除雪時(shí)風(fēng)機(jī)底部不會(huì)碰到鋼軌軌面及相關(guān)設(shè)備。滾刷掃雪過程中，從A點(diǎn)開始有雪粒掃入刷毛間的空隙內(nèi)，隨著滾刷的旋轉(zhuǎn)和前移，刷毛空隙內(nèi)掃入的雪粒越來越多，最先掃入的雪粒被后續(xù)掃入的擠至最里面。當(dāng)最先掃入雪粒的刷毛外緣離開積雪上表面時(shí)，將無積雪再掃入滾刷內(nèi)，而掃入刷毛空隙內(nèi)的雪粒在伴隨刷毛旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，受離心力作用，將從刷毛空隙間向外移動(dòng)，直到被拋離滾刷。

考慮滾刷空隙內(nèi)靠最里面的雪粒由B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到水平方向的C點(diǎn)時(shí)，在脫離滾刷的瞬間其切向速度的方向垂直向上。若到C點(diǎn)時(shí)，雪粒還未能離開滾刷，而是還向上運(yùn)動(dòng)，則雪粒脫離滾刷時(shí)易被卷到滾刷左側(cè)而無法被吸雪風(fēng)機(jī)吸走，故以C點(diǎn)至滾刷中心作為分界線，將能在分界線前被拋離滾刷的雪粒所對應(yīng)的這部分空間視為滾刷掃雪的有效容積。

滾刷旋轉(zhuǎn)時(shí)，雪粒從B點(diǎn)旋轉(zhuǎn)至C點(diǎn)所需的時(shí)間即滾刷拋雪的有效時(shí)間tBC，為

(1)

式中：n為滾刷的轉(zhuǎn)速。

忽略雪粒受到的摩擦力，離心力Fc對雪粒造成的加速度與角速度平方及雪粒到滾刷中心的距離成正比。依據(jù)牛頓定理，雪粒在刷毛空隙內(nèi)沿刷毛向外運(yùn)動(dòng)的加速度a(x)滿足

a(x)=ω2x

(2)

式中：x為雪粒到滾刷中心的距離；ω為滾刷旋轉(zhuǎn)的角速度，ω=2πn。

由式(2)對時(shí)間的二次積分，得到滾刷拋雪過程中，位于刷毛間的雪粒從B點(diǎn)(旋轉(zhuǎn)半徑0.5D0-xBC)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)(旋轉(zhuǎn)半徑0.5D0)時(shí)，沿著滾刷刷毛縫隙在直徑方向上向外側(cè)移動(dòng)的距離xBC為

(3)

滾刷每旋轉(zhuǎn)1周，相當(dāng)于滾刷每2排刷毛間空隙內(nèi)均掃入1次雪粒后再拋?zhàn)?。故滾刷單位時(shí)間內(nèi)的有效掃雪量Q為

(4)

式中：N為滾刷刷毛的排數(shù)；b0為每排刷毛的厚度；b為滾刷的有效掃雪寬度。

假如滾刷僅做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而不移動(dòng)的話，掃雪量始終為零，滾刷只有在移動(dòng)過程中才能完成掃雪。從掃雪速度分析掃雪能力，則單位時(shí)間內(nèi)滾刷掃過空間對應(yīng)的掃雪量QS為

QS=δ0bv0

(5)

為保證滾刷掃過空間的積雪均能夠被刷起來，需要QS≤Q。

掃雪過程中，滾刷刷起雪粒的最大粒徑為滾刷外緣處2排刷毛空隙的間距。如滾刷所刷起雪粒的最大直徑為Dmax，按照幾何關(guān)系，有

(6)

2.2　輸送能力

雪粒被刷起來后，從吸雪風(fēng)機(jī)入口進(jìn)入并被輸送。雪粒與氣流在管道內(nèi)形成固氣混合二相流運(yùn)動(dòng)，依靠氣流將雪粒輸送，最大輸送能力即是雪粒在氣流輸送中不會(huì)堵塞管道的最大雪量。

吸雪量最大時(shí)，氣流中所含雪量達(dá)到飽和狀態(tài)。為使雪粒進(jìn)入吸雪風(fēng)機(jī)的管道內(nèi)不發(fā)生堵塞現(xiàn)象，需要雪粒在氣流中形成懸浮流，避免由于流動(dòng)栓塞導(dǎo)致管道被堵塞。

雪粒能被氣流拋起的最低速度為懸浮速度(即雪粒離開滾刷最外緣C點(diǎn)的切向速度)vt，在壓差阻力區(qū)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)雪粒的雷諾數(shù)Re滿足500≤Re≤2×105時(shí)，懸浮速度滿足式(7)[5-6]。

20.4Δ≤DS≤1 100Δ

(7)

式中：DS為雪粒粒徑；μ為空氣動(dòng)力黏度系數(shù)；ρS為雪粒密度；ρa(bǔ)為空氣密度。

作為氣力輸送，氣流輸送雪粒的實(shí)際速度應(yīng)高于懸浮速度。根據(jù)氣力輸送固氣比定義，輸送雪粒的質(zhì)量流量與輸送雪粒消耗掉空氣的質(zhì)量流量之比為固氣比，固氣比φ為

(8)

式中：qmS為輸送雪粒的質(zhì)量流量；qm為輸送雪粒消耗掉空氣的質(zhì)量流量。

依據(jù)式(8)，可得

qmS=ρa(bǔ)vFAφ

(9)

式中：A為拋雪筒橫截面的面積；vF為輸送雪粒的氣流速度。

2.3　拋雪高度和距離

雪粒密度越小，拋出后受空氣阻力影響越明顯，將雪粒視為光滑理想球體，參照文獻(xiàn)[7—8]，雪粒拋送后在空氣中總的運(yùn)動(dòng)時(shí)間T為

(10)

其中，

式中：m為單個(gè)雪粒的質(zhì)量；k為雪粒在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力系數(shù)；ymax為拋射高度，即雪粒運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)與軌枕板的距離；g為重力加速度；t1為雪粒運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)需要的時(shí)間；voy為所拋雪粒的初始速度在垂直方向上的分量。

雪粒的拋射距離x為

(11)

式中：vox為所拋雪粒的初始速度在水平方向上的分量。

3　除雪能力計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證

按照給出的除雪能力計(jì)算模型設(shè)計(jì)和試制出軌道除雪裝置樣機(jī)，在沈陽鐵路局文官屯軌道車基地的鐵路線路上開展試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)的海拔高度約36 m，試驗(yàn)環(huán)境溫度約為-20 ℃，當(dāng)?shù)貧鈮簽?9 850 Pa，空氣密度為1.14 kg·m-3，重力加速度為9.8 m·s-2，空氣動(dòng)力黏度系數(shù)為16.1×10-5Pa·s；雪粒密度實(shí)測值為150 kg·m-3，空氣密度為1.14 kg·m-3。

為便于將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，計(jì)算環(huán)境條件按試驗(yàn)環(huán)境條件考慮。

3.1　掃雪能力的計(jì)算結(jié)果

理論上滾刷旋轉(zhuǎn)速度越大，掃雪能力越好，但受驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)和旋轉(zhuǎn)滾筒結(jié)構(gòu)限制，能夠獲得滾刷的轉(zhuǎn)速n為300 r·min-1。出于安全考慮，為防止?jié)L刷的滾筒與鋼軌軌面觸碰造成損傷，滾刷的滾筒最低點(diǎn)需要高于鋼軌軌面，而刷毛的長度需要刷到軌道板，且還需留有一定余量，故滾刷的外徑D0取1 150 mm。考慮積雪堆積高度略低于鋼軌軌面，掃雪后將鋼軌扣件及軌枕板露出，故掃雪深度δ0取150 mm。

由式(1)，得到滾刷拋雪需要的有效時(shí)間tBC為0.026 5 s；由式(3)，得到滾刷拋雪過程中雪粒沿著滾刷刷毛縫隙在直徑方向上向外側(cè)移動(dòng)的距離xBC為257 mm。

受到滾筒結(jié)構(gòu)和刷毛材料的限制，滾刷刷毛排數(shù)N為46排；每排刷毛的厚度b0為8 mm；需要清掃軌枕板上積雪的寬度為2 600 mm，減去2根鋼軌頂部所占寬度約146 mm，故滾刷的有效掃雪寬度b為2 454 mm。由式(4)，得到滾刷的有效掃雪量Q為27 600 m3·h-1。為保證滾刷移動(dòng)中所掃過空間內(nèi)的積雪均能夠被刷起來，需要QS≤Q，故取QS=Q確定掃雪速度，由式(5)計(jì)算出積雪深度與掃雪速度的關(guān)系，見表1。

表1　積雪深度與掃雪速度的關(guān)系

由式(6)，得到滾刷能刷起雪粒的最大粒徑Dmax為78 mm。

3.2　輸送能力

由式(7)可知，雪粒的粒徑越大，需要的懸浮速度也越大。

輸送雪粒的氣流雷諾數(shù)Re=vAR/μ，其中vA為驅(qū)動(dòng)雪粒的氣流速度，通常不到30 m·s-1；R為拋雪筒的等效水力直徑，設(shè)計(jì)時(shí)取最大值為410 mm，故最大雷諾數(shù)為76 000。

根據(jù)以上參數(shù)，計(jì)算出20.4[μ2/(ρa(bǔ)(ρS-ρa(bǔ)))]1/3≈11 mm，1 100[μ2/(ρa(bǔ)(ρS-ρa(bǔ)))]1/3≈588 mm，則最大雪粒粒徑為78 mm，滿足式(7)的適用條件。根據(jù)式(7)，得到最大雪粒被氣流拋起需要的懸浮速度vt≈17.4 m·s-1。

設(shè)計(jì)的拋雪筒橫截面的長和寬分別為410和345 mm，則拋雪筒橫截面的面積為0.141 45 m2。為節(jié)約輸送雪粒所消耗的能量，控制輸送雪粒的氣流速度不宜過高，但要能保證雪粒與輸送氣流的運(yùn)動(dòng)速度相近，故取輸送雪粒的氣流速度vF為1.2vt，即vF約為20.9 m·s-1。因雪粒密度較小，且輸送雪粒的氣流速度高于雪粒懸浮速度20%，忽略雪粒與氣流兩者的流動(dòng)速度差，則雪粒輸送速度為20.9 m·s-1。

吸雪風(fēng)機(jī)的出口長度較短，其值約為3 m，可實(shí)現(xiàn)密相氣力輸送。在不發(fā)生栓塞流堵塞拋雪筒條件下，獲得最大吸雪能力時(shí)雪粒處于部分流，此時(shí)固氣比值為30～50[9-10]。結(jié)合雪粒的物理特性[11]，當(dāng)雪粒密度為150 kg·m-3時(shí)，固氣比取上限50。依據(jù)式(9)，計(jì)算出輸送雪粒的質(zhì)量流量為168.5 kg·s-1，相當(dāng)于4 044 m3·h-1。

3.3　拋雪高度和距離

將雪粒視為光滑理想球體，則雪粒在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力系數(shù)k取0.5[12]；受結(jié)構(gòu)限制，取拋雪口距軌枕板的高度為2.75 m。雪粒輸送速度為20.9 m·s-1時(shí)，由式(10)和式(11)計(jì)算出拋射角與雪粒粒徑、拋射高度和拋射距離的關(guān)系見表2。

表2　不同拋射角時(shí)雪粒粒徑與拋射高度和距離的關(guān)系

由表2可知：拋射角度為20°～45°時(shí)，隨拋射角度的增加，雪粒的拋射高度增加；當(dāng)拋射角度超過33°時(shí)，隨拋射角度的增加，雪粒的拋射距離減??；綜合分析，拋射角為33°是最優(yōu)拋射角。

取拋射角33°時(shí)，雪粒的粒徑與拋射高度和拋射距離的關(guān)系見表3。

3.4　試驗(yàn)驗(yàn)證

除雪能力計(jì)算結(jié)果表明：滾刷的最大有效掃雪量為27 600 m3·h-1，大于吸雪風(fēng)機(jī)的雪粒最大輸送量4 044 m3·h-1，故最大除雪量由吸雪風(fēng)機(jī)的輸送能力決定；滾刷刷起雪粒的最大粒徑為78 mm；除雪裝置的最優(yōu)拋射角度為33°，雪粒拋射高度和距離主要由雪粒粒徑?jīng)Q定，雪粒越大拋射高度越高且拋射距離越遠(yuǎn)。

表3拋射角33°時(shí)雪粒粒徑與拋射高度和拋射距離的關(guān)系

雪粒粒徑/mm拋射高度/m拋射距離/m10303168203182805045055210052689415057411682006081398400685206960072225207807422823

試驗(yàn)時(shí)，將1套自主化軌道除雪裝置安裝在軌道除雪車上，調(diào)整拋射角為33°，雪粒輸送速度約為20.9 m·s-1。根據(jù)道床板上方積雪深度的不同，調(diào)整掃雪速度以改變除雪量，觀測拋雪筒是否堵塞，一旦開始出現(xiàn)局部堵塞，即視此時(shí)除雪量為最大除雪量；觀測試驗(yàn)中拋雪口雪粒的運(yùn)動(dòng)情況，分析拋雪高度和距離。

拋雪狀態(tài)觀測結(jié)果如圖3所示，軌道除雪前后對比如圖4所示。

圖3　拋雪狀態(tài)觀測

試驗(yàn)結(jié)果表明：粒徑為1～5 mm的雪粒的拋射高度約為3～5 m，拋射距離約為1.5～5.0 m；部分粒徑為10～15 mm的雪粒的拋射高度約為5 m，拋射距離約為8.0～10.0 m；少量粒徑達(dá)到20 mm的雪粒的拋射高度達(dá)6.0 m，拋射距離達(dá)15.0 m；

試驗(yàn)測試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。受到拋雪氣流的影響，少量粒徑不到5 mm的雪粒的拋射距離超過10.0 m。

圖4表明：軌道除雪裝置的除雪效果較好，能夠?qū)④壝嬉韵轮淋壵戆彘g的積雪清掃干凈，使鋼軌和扣件清楚地露出來，極大方便了工務(wù)人員進(jìn)行線路檢修作業(yè)。

圖4　軌道除雪前后對比

試驗(yàn)結(jié)果還表明：軌道除雪裝置的移動(dòng)速度為11 km·h-1時(shí)，最大除雪量約為4 000 m3·h-1，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值相近；試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在溫度低于-20 ℃時(shí)掃雪，滾刷會(huì)將雪塊打碎成散狀，雪粒在風(fēng)機(jī)內(nèi)相互擠壓后，仍然難形成較大雪塊，拋雪高度和距離雖較為有限，但仍然能滿足現(xiàn)場除雪的需要。

4　結(jié)　論

(1)自主化軌道除雪裝置可將軌面下至軌枕板間的積雪清掃干凈，除雪效果較好，除雪后鋼軌和扣件能清楚地露出，極大方便了工務(wù)人員進(jìn)行線路檢修作業(yè)。

(2)當(dāng)除雪裝置的移動(dòng)速度為11 km·h-1時(shí)，自主化軌道除雪裝置的最大除雪量達(dá)4 000 m3·h-1，最優(yōu)拋射角為33°，試驗(yàn)測試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。

(3)拋雪高度和拋射距離主要取決于雪粒粒徑，粒徑越大，拋射高度越高，拋射距離越遠(yuǎn)；雪粒粒徑為10 mm、輸送速度為20.9 m·s-1時(shí)，拋射高度可達(dá)5.5 m，拋射距離可達(dá)10.0 m。

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