郭關(guān)柱

(中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司 研究院，云南 昆明 650215)

從20世紀(jì)50年代以來(lái)，我國(guó)在沙化地區(qū)相繼修建了包蘭、蘭新、集二、干武等20余條沙漠鐵路干線。沙化地區(qū)具有氣候干燥、降雨稀少、日照強(qiáng)烈、冷熱劇變、風(fēng)大風(fēng)多的特殊自然環(huán)境，致使地表植被稀少，加之大部分地表為疏松的沙質(zhì)地層，這些地區(qū)鐵路線路沙害嚴(yán)重。尤其是2014年12月26日開(kāi)通的蘭新二線無(wú)砟軌道高鐵，經(jīng)過(guò)三十里風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、大板城風(fēng)區(qū)和煙墩風(fēng)區(qū)4大風(fēng)區(qū)，所處風(fēng)區(qū)線路共計(jì)有400余公里。為了保障高鐵動(dòng)車在風(fēng)區(qū)運(yùn)行的安全，蘭新二線采取了防風(fēng)措施，在線路一側(cè)修建了擋風(fēng)墻，夾帶沙粒和塵土的強(qiáng)風(fēng)在越過(guò)擋風(fēng)墻時(shí)，在擋風(fēng)墻順風(fēng)下側(cè)區(qū)域風(fēng)速降低，強(qiáng)風(fēng)夾帶的沙粒和塵土沉降到軌道表面，在軌道表面及側(cè)面形成嚴(yán)重積沙，如圖1所示。

圖1 蘭新二線高鐵線路積沙情況

沙害會(huì)影響道床溝槽排水和列車正常運(yùn)行，加大鋼軌及扣件等磨損，破壞道床彈性并增加線路維修成本。解決鐵路沙害問(wèn)題主要有主動(dòng)預(yù)防和被動(dòng)除沙2種方法，預(yù)防性治沙工程量大、費(fèi)用高、短期內(nèi)難以從根本上解決問(wèn)題；被動(dòng)除沙主要是在突發(fā)性沙害線路或沙害嚴(yán)重部位線路進(jìn)行被動(dòng)清除，在線路上定點(diǎn)監(jiān)測(cè)沙害部位及時(shí)清掃。

國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)大型鐵路除沙設(shè)備，還是采用人工清掃的方式，而人工清掃沙粒作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、環(huán)境惡劣，效果不理想。國(guó)外通常采用安裝了刮板式除沙裝置的軌道機(jī)械清掃沙粒，這類設(shè)備能夠清掃鋼軌表面上方的沙粒，適合于清掃沙粒掩埋較深的普速鐵路，其不足之處是單車鉤、不能與牽引機(jī)車聯(lián)掛，只能進(jìn)行單向作業(yè)且無(wú)法清掃鋼軌表面下方的沙粒。

為了能夠清掃鋼軌表面下方較薄積沙，解決我國(guó)沙化地區(qū)普通鐵路和高速鐵路沙粒可機(jī)械清掃的問(wèn)題，結(jié)合氣力輸送技術(shù)在鐵路裝備行業(yè)應(yīng)用中取得的一定基礎(chǔ)[1-2]，本文提出一種氣力吸取式軌道吸沙機(jī)，并對(duì)該設(shè)備性能進(jìn)行理論計(jì)算、分析及試驗(yàn)。

1 氣力吸取式軌道吸沙機(jī)的工作原理

氣力吸取式軌道吸沙機(jī)的工作原理如圖2所示。圖中：vXG，vX和vRS分別為吸沙管內(nèi)的氣流速度、旋風(fēng)分離筒入口處的氣流速度和沉降及貯沙筒右半部分氣流上升的速度；pT和pF分別為沉降及貯沙筒內(nèi)的風(fēng)壓和吸沙風(fēng)機(jī)入口處的風(fēng)壓；h為吸沙嘴至吸沙管最高點(diǎn)的垂直高度；l為吸沙管在水平方向的長(zhǎng)度。

圖2 氣力吸取式軌道吸沙機(jī)工作原理

由圖2可知：在負(fù)壓氣流作用下，沙粒由吸沙嘴吸入，經(jīng)吸沙管輸送到沉降及貯沙筒，因筒內(nèi)風(fēng)速減小，大部分沙粒通過(guò)重力作用沉降到筒底，沒(méi)有沉降的小粒徑沙粒和粉塵隨氣流懸浮進(jìn)入旋風(fēng)分離筒，從懸浮氣流中分離出來(lái)后沉積到旋風(fēng)分離筒筒底。氣流經(jīng)上述2套裝置后匯總到1根排風(fēng)管內(nèi)，經(jīng)排風(fēng)管進(jìn)入過(guò)濾筒，將氣流紊流帶入過(guò)濾筒內(nèi)的微量沙粒過(guò)濾掉，以防止其進(jìn)入吸沙風(fēng)機(jī)損壞風(fēng)機(jī)葉片或縮短風(fēng)機(jī)使用壽命，起到安全和保護(hù)作用。吸沙風(fēng)機(jī)依靠電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)使氣流產(chǎn)生負(fù)壓，吸走的氣流經(jīng)消聲器排走，以降低排風(fēng)噪聲。

2 軌道吸沙機(jī)吸沙能力的理論計(jì)算

氣力吸取式軌道吸沙機(jī)的吸沙特性由最大吸沙量、沉降沙粒的最小粒徑、旋風(fēng)分離筒分離出沙粒的最小粒徑、最大粒徑和分割粒徑以及過(guò)濾筒過(guò)濾性能決定。

2.1 吸沙管內(nèi)徑、壓力及風(fēng)速

最大吸沙量與沙粒的物理特性、吸沙管內(nèi)徑、吸沙壓力、沙粒輸送的垂直高度和水平距離密切相關(guān)，還受走行吸沙速度、沙層厚度、沙粒直徑、吸沙后的潔凈度等影響，走行吸沙速度和沙層厚度主要影響吸沙后的潔凈度，當(dāng)走行吸沙速度過(guò)快或沙層厚度較厚時(shí)，軌道表面吸沙后的潔凈度較低，會(huì)滯留大量沙粒；反之，則吸沙后的潔凈度較高。為保證正常吸沙，需要吸沙管暢通而不會(huì)堵塞。為使沙粒在吸沙管內(nèi)不發(fā)生堵塞，考慮吸沙管塞滿沙粒這種極端情形即吸沙管內(nèi)沙粒仍可被吸走，則吸沙管將不會(huì)發(fā)生堵塞?？紤]吸沙管包含垂直提升和水平輸送兩部分功能，為使沙粒在管內(nèi)正常流動(dòng)，則吸沙機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓力要能夠克服沙粒受到垂直提升部分重力和水平輸送部分摩擦力的作用[3-4]，則

pA-pF≥(h+dXG)ρSg+lρSgλXF

(1)

式中：pA為大氣壓力；dXG為吸沙管內(nèi)徑；ρS為沙粒的堆積密度；g為重力加速度；λXF為沙粒流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力系數(shù)。

吸沙需要的負(fù)壓及氣流流量由吸沙風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，驅(qū)動(dòng)吸沙風(fēng)機(jī)消耗的軸功率PF[5]為

(2)

式中：qLE為吸沙風(fēng)機(jī)的氣流流量；ηF0為吸沙風(fēng)機(jī)的內(nèi)效率；ηFm為吸沙風(fēng)機(jī)的機(jī)械效率。

從氣力輸送角度看，為使吸沙氣流能夠正常輸送沙粒，則需要沙粒在吸沙管內(nèi)與氣流一起形成懸浮流。沙粒能被負(fù)壓氣流懸浮起來(lái)的最低速度為懸浮速度vt，需滿足[3]

(3)

式中：dS為沙粒粒徑；μ為空氣動(dòng)力黏度系數(shù)；ρSS為沙粒實(shí)體密度；ρA為空氣密度。

當(dāng)吸沙管發(fā)生塞滿沙粒這種極端情況時(shí)，氣流只能通過(guò)吸沙管內(nèi)沙粒間的縫隙內(nèi)流過(guò)，為使氣流將吸沙管內(nèi)的沙粒帶走，以保證吸沙管內(nèi)氣流和沙粒的流動(dòng)暢通，參照式(1)，需要吸沙管內(nèi)沙粒段前段壓差能夠達(dá)到最高壓力差pA-pF。此時(shí)，吸沙管內(nèi)氣流的有效過(guò)流面積為吸沙管橫截面上沙粒間縫隙所占面積，通過(guò)吸沙管內(nèi)沙?？p隙間的吸沙氣流流量qSA[6]為

(4)

其中，

式中：α為流量系數(shù)，如為音速流，則α=1；CXG為氣體流量系數(shù)，與孔口形狀相關(guān)；SFX為吸沙管橫截面上沙粒間縫隙的總流通面積；ΔpG為吸沙管前后端壓差；MA為空氣相對(duì)分子量；k為空氣絕熱指數(shù)；R為空氣氣體常數(shù)；TA為空氣溫度。

將沙粒視為理想球體，吸沙管內(nèi)塞滿沙粒時(shí)，在吸沙管任意1個(gè)截面上，沙粒均挨個(gè)擠在吸沙管內(nèi)，其最小過(guò)流面為截面上全部沙粒正好截到沙粒正中心的面，在該截面上，就任意1個(gè)沙粒而言，它所對(duì)應(yīng)縫隙的面積為它的直徑所對(duì)應(yīng)正方形面積與球體橫截面面積之差。通過(guò)吸沙管內(nèi)沙?？p隙的面積為全部沙粒對(duì)應(yīng)縫隙的總流通面積之和，故SFX滿足下式。

(5)

2.2 管道壓降與吸沙量

氣力吸取式吸沙方式采用的是氣力輸送原理，氣流輸送沙粒的實(shí)際速度應(yīng)高于懸浮速度。根據(jù)氣力輸送固氣比定義，輸送沙粒的質(zhì)量流量與輸送沙粒所消耗空氣的質(zhì)量流量之比為固氣比φ，即

(6)

式中：qmS為輸送沙粒的質(zhì)量流量；qmA為輸送沙粒所消耗空氣的質(zhì)量流量。

沙粒從吸沙嘴進(jìn)入后，需要流經(jīng)吸沙管的垂直段和水平段，才能進(jìn)入沉降及貯沙筒。假設(shè)沙粒在吸沙管內(nèi)流動(dòng)時(shí)均勻分布，則吸沙管內(nèi)氣流壓力降包括水平段壓力降和垂直段壓力降2部分[7]，水平段壓力降主要用于克服沙粒輸送時(shí)的摩擦力，而垂直段壓力降則主要用于克服沙粒重力輸送沙粒，參照文獻(xiàn)[3]，輸送沙粒的氣流流經(jīng)吸沙管后的總壓力降pXL為

ρSghkSA+pGL

(7)

其中，

式中：λA為吸沙管內(nèi)純空氣流動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)；Re為雷諾數(shù)；pGL為吸沙管進(jìn)口、出口和中間彎頭處的局部壓力損失之和[6]；kSA為吸沙管截面上，沙粒流動(dòng)所占面積與空氣流動(dòng)所占面積之比。

式(7)中，局部壓力損失之和pGL[6]為

(8)

式中：ζE為吸沙嘴入口壓力損失系數(shù)；ζO為吸沙管進(jìn)入貯沙筒壓力損失系數(shù)；ζM為吸沙管中間彎頭處壓力損失系數(shù)；n為吸沙管中間彎頭數(shù)量。

依據(jù)式(6)和式(7)，得到

(9)

作為氣力輸送，沙粒隨氣流流動(dòng)過(guò)程中獲得的動(dòng)能均由吸沙氣流提供。根據(jù)能量守恒定理，被輸送沙?？色@得的動(dòng)能應(yīng)不超過(guò)風(fēng)機(jī)提供的總能量減去吸沙氣流自身消耗的能量，故有

(10)

2.3 最小沉降粒徑

為了分析簡(jiǎn)便，將沉降及貯沙筒截面平均分成左右兩部分。沙粒經(jīng)吸沙管進(jìn)入重力分離和貯沙筒左半部分空間后，氣流流通面積突然增大，風(fēng)速突然降低，在沙粒自身重力作用下沉降，未能沉降的沙粒將隨著氣流從沉降及貯沙筒的右半部分空間上升，伴隨氣流進(jìn)入旋風(fēng)分離筒。

沙粒最小沉降粒徑與筒內(nèi)右半部分上升風(fēng)速和沙粒比重相關(guān)，沙粒受到的氣體浮力較小可忽略，則沙粒自身的重力大于或等于受到的氣流升力時(shí)，沙粒才能沉降[8]，故可沉降的最小沙粒滿足下式。

(11)

由式(11)，可得到沉降沙粒的最小粒徑dSmin為

(12)

當(dāng)吸起沙粒的粒徑大于dSmin時(shí)，則容易沉降在沉降及貯沙筒內(nèi)；沙粒的粒徑小于dSmin時(shí)，則容易隨著吸沙氣流進(jìn)入旋風(fēng)分離筒。

2.4 旋風(fēng)分離筒阻力與分離效果

旋風(fēng)分離筒的阻力pXF滿足下式[8]。

(13)

式中：hX和bX分別為旋風(fēng)分離筒的入口高度和寬度；vXE旋風(fēng)分離筒的入口風(fēng)速；dXO為旋風(fēng)分離筒排風(fēng)管直徑。

旋風(fēng)分離效果多以不同粒度的分離效率來(lái)衡量，通常引用分割粒徑dC50的分離效率進(jìn)行評(píng)價(jià)[9]?？紤]到作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)沙粒粒徑大小不一，且分析測(cè)試手段較為有限，為了使測(cè)試評(píng)價(jià)方法便于實(shí)施，從旋風(fēng)分離筒底部取樣，采取將拍照獲得的照片放大觀察的方法分析沙粒粒徑分布。由于氣流紊流等因素的影響，能分離出來(lái)沙粒粒徑的界限不是絕對(duì)的，通常采用分割粒徑dC50來(lái)劃分，即從概率統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)看，處于這種狀態(tài)的顆粒有50%的可能被捕捉，有50%的可能進(jìn)入內(nèi)漩渦，故分割粒徑dC50[10]為

(14)

式中：r0旋風(fēng)分離筒交界面的半徑，r0≈0.6rXO，rXO為排風(fēng)管半徑；vRD為旋風(fēng)分離筒交界面上氣流徑向速度，vRD=qLE/(2πr0hXF)；hXF為交界面假想高度；vRT為旋風(fēng)分離筒交界面上氣流切向速度。

2.5 過(guò)濾性能

過(guò)濾筒設(shè)置的目的是將因湍流導(dǎo)致未被沉降和旋風(fēng)分離掉的極少量較大粒徑沙粒過(guò)濾出來(lái)，防止進(jìn)入風(fēng)機(jī)損壞葉片或降低風(fēng)機(jī)使用壽命，過(guò)濾筒濾網(wǎng)網(wǎng)孔越小，過(guò)濾效果越好，但越容易造成堵塞，且現(xiàn)場(chǎng)難于維護(hù)，設(shè)計(jì)時(shí)取過(guò)濾筒濾網(wǎng)網(wǎng)孔直徑與吸沙風(fēng)機(jī)葉片最小間隙相當(dāng)。

3 軌道吸沙機(jī)吸沙能力的計(jì)算結(jié)果

將軌道吸沙機(jī)安裝在軌道車上，在哈密地區(qū)的蘭新二線(無(wú)砟軌道)和哈羅線(有砟軌道)等鐵路線路進(jìn)行吸沙作業(yè)。哈密地區(qū)海拔高度約2 692 m，考慮使用環(huán)境溫度約為30 ℃，當(dāng)?shù)貧鈮簽?00.2 kPa，空氣密度為1.15 kg·m-3。故按此環(huán)境條件進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 吸沙內(nèi)管徑、壓力及風(fēng)速

軌道吸沙機(jī)安裝在軌道車上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，吸沙嘴至沉降及貯沙筒入口處最高點(diǎn)的垂直高度達(dá)5.0 m。被吸沙粒均為較干沙粒，沙粒需要提升的垂直距離較高，為低混合比氣力輸送，摩擦阻力系數(shù)取值約0.012[3]。重力加速度取值9.8 m2·s-2。取現(xiàn)場(chǎng)適量沙粒進(jìn)行測(cè)量，沙粒的堆積密度為1 190 kg·m-3。相比吸沙嘴到最高點(diǎn)的垂直高度，吸沙管內(nèi)徑較小，可忽略。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)吸沙實(shí)際需要，吸沙管總長(zhǎng)約15 m，水平輸送段管長(zhǎng)約10 m。將相關(guān)參數(shù)代入式(1)，計(jì)算出吸沙風(fēng)機(jī)入口風(fēng)壓pF應(yīng)低于40 490 Pa。

為防吸沙管內(nèi)堵塞，風(fēng)機(jī)能產(chǎn)生的最大負(fù)壓應(yīng)不低于59 710 Pa，實(shí)際取值600 kPa。吸沙風(fēng)機(jī)的內(nèi)效率取0.75，機(jī)械效率取0.75[11]。吸沙作業(yè)時(shí)，軌道車通過(guò)發(fā)電機(jī)向軌道吸沙機(jī)提供電源，為保證其它設(shè)備的運(yùn)行正常，能夠提供電源的最大功率為30 kW。將相關(guān)參數(shù)代入式(2)，計(jì)算出最大負(fù)壓條件下，吸沙風(fēng)機(jī)能產(chǎn)生的流量qLE為0.28 m3·s-1。

現(xiàn)場(chǎng)單個(gè)最大沙粒的粒徑約為10 mm，沙粒的實(shí)體密度為2 800 kg·m3，空氣動(dòng)力黏度系數(shù)μ值為1.86×10-5Pa·s。將相關(guān)參數(shù)代入式(3)，計(jì)算出懸浮速度vt為40.0 m·s-1。

吸沙管塞滿沙粒時(shí)，風(fēng)機(jī)形成的負(fù)壓最大，吸沙管前后壓差可達(dá)60 kPa，前后壓力比約0.404，低于0.528，故吸沙管內(nèi)氣流流過(guò)沙粒間縫隙的流動(dòng)為音速流，則α=1；氣體流量系數(shù)為0.9；空氣相對(duì)分子量取29；空氣絕熱指數(shù)為1.4；空氣的氣體常數(shù)為287 J·kg-1·K-1。將相關(guān)參數(shù)代入式(4)，計(jì)算出吸沙管內(nèi)沙粒間縫隙的總流通面積為410 mm2。1套軌道吸沙機(jī)配置2根吸沙管，將相關(guān)參數(shù)代入式(5)，可計(jì)算出吸沙管內(nèi)徑dXG應(yīng)為31.3 mm。考慮到吸沙管垂直段只要局部有一段接近堵塞狀態(tài)，無(wú)須全部堵塞，就能夠在堵塞沙粒前后端建立起最高壓差，氣流能夠?qū)⑸沉］斔妥撸绱藭r(shí)不能保持暢通，則沙粒將不斷堆積，堵塞會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，故吸沙管內(nèi)徑的選擇可大于按全部堵塞計(jì)算出來(lái)的管徑，綜合考慮現(xiàn)有耐負(fù)壓吸沙管的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格，實(shí)際選取吸沙管內(nèi)徑為38 mm。

忽略各部件泄漏流量，則吸沙管內(nèi)的氣流流量為qLE。吸沙管內(nèi)徑為38 mm，可計(jì)算出正常吸沙時(shí)吸沙管內(nèi)平均風(fēng)速約為123 m·s-1，遠(yuǎn)高于沙粒懸浮速度40.0 m·s-1，能夠正常吸沙。

3.2 管道壓降與吸沙量

管內(nèi)純空氣流動(dòng)時(shí)摩擦系數(shù)計(jì)算值為0.014；吸沙時(shí)，吸沙管入口近似為無(wú)限空間收縮流，吸沙嘴入口壓力損失系數(shù)ζE為0.5；吸沙管出口近似為無(wú)限空間擴(kuò)張流，吸沙嘴出口壓力損失系數(shù)ζO為1.0；吸沙管中間共有90度彎頭3個(gè)，單個(gè)彎頭壓力損失系數(shù)為0.65。相關(guān)參數(shù)代入式(8)，計(jì)算出局部壓力損失約30.8 kPa。

依據(jù)式(10)，可計(jì)算出純氣流壓力的損失為35.8 kPa，代入相關(guān)參數(shù)，可算出維持吸沙氣流壓力消耗的功率約12.7 kW；考慮吸沙風(fēng)機(jī)的機(jī)械效率后，吸沙風(fēng)機(jī)能夠輸出的功率約16.9 kW。沙粒流動(dòng)中可獲得動(dòng)能約4.2 kW，考慮到吸入沙粒的數(shù)量增加后，氣流的流量會(huì)降低，但沙粒流動(dòng)的動(dòng)能應(yīng)低于吸沙氣流消耗的功率 12.7 kW較多。

吸沙風(fēng)機(jī)風(fēng)壓是基于吸沙管不堵塞條件設(shè)計(jì)的，在吸沙管內(nèi)塞滿沙粒時(shí)壓力最高，正常使用時(shí)，考慮吸沙風(fēng)機(jī)吸沙的實(shí)際風(fēng)壓約為最高風(fēng)壓的3/4，將相關(guān)參數(shù)代入式(7)，考慮沙粒堆積密度，計(jì)算出不同沙粒輸送速度時(shí)固氣比和輸送沙粒的體積流量見(jiàn)表1。

表1 沙粒速度與固氣比和沙粒體積流量的關(guān)系

3.3 最小沉降粒徑

軌道吸沙機(jī)安裝在軌道車上，貯沙筒做得越大，可貯存沙粒越多。但受車輛限界空間限制，沉降及貯沙筒的內(nèi)徑只能做到0.9 m，忽略沿程各部件的泄漏損失，可計(jì)算出貯沙筒右半部分氣流上升最低速度為0.44 m·s-1；對(duì)于球體，空氣阻力系數(shù)CSd為0.9。將相關(guān)參數(shù)代入式(12)，得到沉降沙粒的最小粒徑dSmin為0.06 mm。

3.4 旋風(fēng)分離筒阻力與分離效果

為了與軌道車空間相匹配，設(shè)計(jì)的旋風(fēng)分離筒主要參數(shù)為：入口高度hX和寬度bX均為112 mm；旋風(fēng)分離筒排風(fēng)管直徑dXO為150 mm；正常吸沙時(shí)，旋風(fēng)分離筒的入口風(fēng)速vXE為9.7 m·s-1。相關(guān)參數(shù)代入式(13)，計(jì)算出旋風(fēng)分離筒的阻力pXF為482 Pa。相比吸沙管的壓降，旋風(fēng)分離器阻力較小，可忽略。

旋風(fēng)分離筒排風(fēng)管半徑rXO為75 mm，交界面的半徑r0約為0.045 m，由旋風(fēng)筒結(jié)構(gòu)得知交界面假想高度hXF為0.55 m，故算出旋風(fēng)分離筒交界面上氣流徑向速度vRD為0.9 m·s-1；取旋風(fēng)分離器切向速度vRD為旋風(fēng)分離筒入口風(fēng)速vXE，即9.7 m·s-1。將相關(guān)參數(shù)代入式(14)，計(jì)算出分割粒徑dC50大小為0.03 mm。因此，旋風(fēng)分離筒能夠?qū)饬髦?0%粒徑大于0.03 mm沙粒分離出來(lái)。

3.5 過(guò)濾性能

過(guò)濾性能由過(guò)濾筒的濾網(wǎng)孔徑和材質(zhì)決定，鑒于吸沙風(fēng)機(jī)葉片最小間隙為0.2 mm，故確定過(guò)濾網(wǎng)孔徑取0.2 mm，過(guò)濾筒濾網(wǎng)采用金屬編織過(guò)濾網(wǎng)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，氣力吸取式軌道吸沙機(jī)固定在軌道車上，通過(guò)軌道車自帶的發(fā)電機(jī)供電，運(yùn)輸?shù)教m新二線和哈羅線沙害區(qū)域鐵路線路上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)分為2部分：先開(kāi)展空載試驗(yàn)，驗(yàn)證空載壓力與風(fēng)速；再進(jìn)行吸沙特性試驗(yàn)，驗(yàn)證吸沙相關(guān)的參數(shù)與性能。

空載試驗(yàn)時(shí)，軌道車停在鐵路線路上，將吸沙管嘴拉至軌道側(cè)面準(zhǔn)備吸沙位置，啟動(dòng)吸沙風(fēng)機(jī)，測(cè)試風(fēng)壓和風(fēng)量。試驗(yàn)測(cè)出風(fēng)機(jī)入口負(fù)壓約30 kPa，風(fēng)量約為0.22 m3·s-1。

吸沙特性試驗(yàn)時(shí)，軌道車停在鐵路線上，人工攜帶吸沙嘴在軌道車附近進(jìn)行吸沙，如圖3所示。吸完該區(qū)域后，軌道車向前移動(dòng)一段距離，再停下來(lái)進(jìn)行吸沙。測(cè)試風(fēng)壓及最大吸沙量時(shí)，將2根吸沙嘴直接插入松散的沙粒內(nèi)。試驗(yàn)中吸沙管未堵塞，測(cè)出風(fēng)機(jī)入口負(fù)壓約42 000 Pa，最大吸沙量略高于理論計(jì)算值約為1.76 m3·h-1。

圖3 吸沙特性試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)束后，由軌道車將氣力吸取式軌道吸沙機(jī)運(yùn)回車場(chǎng)站段，從沉降及貯沙筒、旋風(fēng)分離筒和過(guò)濾筒底部取出沙粒，發(fā)現(xiàn)有超過(guò)95%沙粒沉降在貯沙筒內(nèi)，旋風(fēng)分離筒底有少量沙粒，過(guò)濾筒內(nèi)過(guò)濾出微量沙粒，通過(guò)沙粒粒形分布來(lái)分析最小沉降粒徑、分離效果和過(guò)濾性能。將取出的3種沙粒分別拍照，放大后沙粒粒形分布如圖4所示，圖中每小格表示1 mm。

圖4 沙粒粒形微觀圖

依據(jù)圖4中沙粒粒形分布情況，獲得如下結(jié)果：

(1)貯沙筒內(nèi)沉降沙粒的最小粒徑與理論計(jì)算值相近約0.06 mm；

(2)旋風(fēng)分離筒內(nèi)分離出來(lái)的沙粒表面含有少量粉塵，沙粒最小和最大粒徑分別為0.025和0.45 mm，分割粒徑dC50約0.10 mm，高于理論計(jì)算值0.03 mm；

(3)過(guò)濾筒過(guò)濾出來(lái)的沙粒最小粒徑約0.15 mm，最大粒徑約0.62 mm。

試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：最大吸沙量略高于理論計(jì)算值，主要是軌道吸沙機(jī)實(shí)際壓力損失低于理論計(jì)算值形成的；旋風(fēng)分離筒分離沙粒的分割粒徑高于理論計(jì)算值，是由于旋風(fēng)分離筒交界面假想高度低于實(shí)際高度造成的；過(guò)濾筒內(nèi)沙粒的情況表明過(guò)濾筒能夠過(guò)濾掉因吸沙氣流紊流帶入過(guò)濾筒內(nèi)的沙粒。

5 結(jié) 論

(1)基于建立的模型及計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)驗(yàn)證情況，探索性研究了氣力吸取式軌道吸沙機(jī)的吸沙特性，獲得吸沙快、管路不易堵、分離過(guò)濾好及可滿足實(shí)際使用要求的吸沙部件推薦設(shè)計(jì)參數(shù)和選型。

(2)在現(xiàn)有軌道和軌道車安裝空間及供電條件下，推薦軌道吸沙機(jī)的風(fēng)量0.22 m3·s-1，最大風(fēng)壓60 kPa；吸沙管內(nèi)徑38 mm；貯沙筒內(nèi)徑按照車輛限界空間限制盡量取大為0.9 m；旋風(fēng)分離筒排風(fēng)管直徑150 mm；濾網(wǎng)過(guò)濾網(wǎng)孔直徑0.2 mm。

(3)依據(jù)推薦設(shè)計(jì)參數(shù)和選型，最大吸沙量可達(dá)1.76 m3·h-1，貯沙筒可沉降分離95%以上沙粒，貯沙筒內(nèi)沉降沙粒最小粒徑與理論值相近約0.06 mm，旋風(fēng)分離筒分離出沙粒的最小粒徑、最大粒徑和分割粒徑dC50分別為0.025，0.45和0.10 mm，過(guò)濾筒內(nèi)過(guò)濾出的最小沙粒粒徑約0.15 mm。