李 靜,康文澤
(中車太原機車車輛有限公司,太原030027)
有蓋漏斗車卸貨過程中車體承受負(fù)壓,車體尤其是頂蓋易發(fā)生塌陷,而國內(nèi)鐵道車輛相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中并未對負(fù)壓工況提出考核。為保證車體強度滿足使用要求,對有蓋漏斗車卸貨過程車體負(fù)壓進行分析。由仿真分析可知漏斗車卸貨過程負(fù)壓接近極值,通過理論分析得出負(fù)壓極值對有蓋漏斗車通風(fēng)孔設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。
有蓋漏斗車多數(shù)為重力卸貨,貨物由上面裝入,卸貨時用人力或風(fēng)力開啟漏斗底門,貨物靠自身重力自動卸出。卸貨過程中,貨物快速地從下部流出,而空氣不能及時進入到車體內(nèi)部,導(dǎo)致車體內(nèi)部壓力急速降低,產(chǎn)生負(fù)壓作用。負(fù)壓增大到某一值時,車體會突然失去原來的形狀,被壓扁或出現(xiàn)波紋,載荷卸去后,車體不能恢復(fù)原狀,即發(fā)生了屈曲或稱為失穩(wěn)。
有蓋漏斗車卸貨過程中車體內(nèi)的負(fù)壓受貨物狀態(tài)、卸貨時間、裝貨狀態(tài)影響較大,同時也受卸貨環(huán)境的影響;同時有蓋漏斗車也并不是一個完全的密封結(jié)構(gòu),除了通氣孔以外,頂蓋和車體間仍然存在間隙,因此要完全理論分析出卸貨過程中的負(fù)壓變化及其困難。為分析有蓋漏斗車卸貨過程車體內(nèi)的負(fù)壓,做出以下假設(shè):
(1)貨物均勻卸出,流量不隨時間和車內(nèi)貨物狀態(tài)發(fā)生變化;
(2)忽略貨物內(nèi)部的間隙,即貨物密實,顆粒間無空氣;
(3)卸貨過程中,空氣不從卸貨口進入車體內(nèi);
(4)忽略頂蓋與車體間的間隙,即空氣僅能從通風(fēng)口進入車體內(nèi)部;
(5)車體內(nèi)壓強大小不隨位置的變化而變化;
(6)將車體內(nèi)流體域分成兩層,上層為空氣、下層為貨物,計算中主要考慮空氣流動,且空氣流動為定常流動,貨物流動不做詳細(xì)分析;
(7)把空氣作為可壓縮氣體考慮,并且空氣流動主要沿車體垂向,車體橫截面沿垂向變化不大,故可按一元可壓縮流考慮;
(8)假設(shè)氣流流動過程中與外界無熱量和功的交換、無黏性,則流動過程等熵。
上述假設(shè)中(1)對計算結(jié)果無影響,(2)、(3)、(4)使求得的計算結(jié)果偏大,(5)使計算結(jié)果不能充分反映通風(fēng)口局部負(fù)壓,(6)、(7)、(8)對計算結(jié)果影響較小。
用于描述可壓縮流體一元等熵流動的基本方程有3個,即
連續(xù)性方程為式(1):
絕熱方程為式(2):
能量方程為式(3):
式中:A為流管的橫截面積;γ為氣體的定壓比熱與定容比熱之比;p為壓強;ρ為密度;v為速度;V為體積。
此次理論分析的目的是確定卸貨過程中有蓋漏斗車內(nèi)的負(fù)壓極值,僅通過絕熱方程和能量方程就能分析出漏斗車卸貨過程中的負(fù)壓極值。
t時刻車內(nèi)的氣體體積V、壓強p;t到t+dt時間內(nèi),由通風(fēng)孔進入車內(nèi)氣體體積為dV氣,卸出貨物體積為dV貨;整個吸氣過程絕熱,由理想氣體絕熱過程方程[1]可得式(4):
整理得式(5):
由廣義二項式定理可得式(6)、式(7):
因此得式(8)、式(9)
設(shè)t時刻卸貨和吸入空氣的體積流量分別為q貨、q氣,則有式(11):
將上式代入式(10)可得式(12):
由式(12)可知,當(dāng)q氣=q貨時車體氣壓達(dá)到極值,因為負(fù)壓隨著卸貨時間的累積而增大,所以此極值為極大值。
有蓋漏斗車卸貨過程中,車體外部空氣流動速度可看作為0,則其能量方程[2]為式(13):
式中:pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣壓強;ρa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣密度;pe為通氣孔內(nèi)側(cè)進口壓強;ve為通氣孔內(nèi)側(cè)進口氣體流速;ρe為通氣孔內(nèi)側(cè)進口處氣體密度。
根據(jù)等熵過程方程可得式(14):
聯(lián)立式(13)和式(14)可得式(15):
式(15)可寫成式(16):
漏斗車底部卸貨口截面積為A貨,卸貨速度為v貨,體積流量為q貨,則有式(17):
通氣孔中的空氣進入車體內(nèi)發(fā)生體積膨脹,通氣孔中的體積流量不等于車體內(nèi)的體積流量,但定常流動過程中同一流管中的質(zhì)量流量不變[3],則有式(18):
式中:A氣為通氣孔總截面積;ρ氣為車體內(nèi)空氣密度。
空氣是理想氣體,且流動過程等熵,根據(jù)泊松公式以及ρV=常數(shù),可得pρ-γ=常數(shù),則上式可寫成式(19):
當(dāng)q氣=q貨時,負(fù)壓達(dá)到極值。設(shè)負(fù)壓達(dá)到極值時β=βm,根據(jù)式(16)~式(19)可得式(20):
分析式(22)可得,有蓋漏斗車卸貨過程中車內(nèi)負(fù)壓極值與卸貨總時間、通氣孔的截面積有關(guān):卸貨總時間越短、通氣孔總截面積越小,βm越小,車內(nèi)負(fù)壓極值越大。
該漏斗車額定載重為70 t,水泥熟料堆積密度為1200 kg/m3,對于空氣取ca=343 m/s、γ=1.4。將各值代入式(21)可得βm。不同卸貨時間、通風(fēng)孔直徑下車體負(fù)壓理論極值,見表1。
表1 不同卸貨總時間、通風(fēng)孔直徑下車體負(fù)壓極值
通過以上理論分析及計算可得出以下結(jié)論:
(1)有蓋漏斗車卸貨過程中車內(nèi)負(fù)壓極值與卸貨總時間、通氣孔的截面積有關(guān):卸貨總時間越短、通氣孔總截面積越小,車內(nèi)負(fù)壓極值越大。
(2)通氣孔總截面積對負(fù)壓極值影響較大,降低車體內(nèi)部負(fù)壓極值最有效的辦法是增大通氣孔總截面積。