用于机车整备作业的移动上砂小车设计

姚明夏，黄 侃

（1，中国铁路南宁局集团有限公司柳州机务段，工程师，广西 柳州，545007；2，广西沿海铁路股份有限公司南宁南机务运用段，助理工程师，广西 南宁，530045）

1 概述

传统的机车整备上砂作业方式主要有三种：即在机车整备台位上纯人工上砂；在固定上砂台位上移动平车自流式上砂；在固定台位固定式正压上砂。第一种上砂方式上砂人员要从烤砂房用手推车把砂子运到整备场整备台位，再用砂铲手工给机车上砂，劳动强度大，上砂效率低，正常一台机车上砂就需要20 min左右，运砂和上砂作业时还会产生粉尘污染，影响环境以及作业人员健康；第二、第三种方式虽然解决了运砂问题，但上砂作业还是会产生粉尘污染且加满后不能自动停止，同时作业点往往要固定在机车入库通道上，一台车停车上砂一般需要10～15 min，雨季时往往需要20 min以上，既造成入库线路通过能力降低又增加乘务员辅助作业工时。为解决上述问题，设计一款可以适应不同作业环境，可以自动吸砂、上砂的移动上砂小车设备，以实现给砂整备作业自动化灵活化高效化，具有重要意义。

2 移动上砂小车工作原理

2.1 移动上砂小车吸砂系统工作原理吸砂系统工作原理如图1所示，吸砂装置主要由高压风机、贮砂罐、分离器（汇流块）、砂量调节器、吸砂枪、管道等组成。吸砂时，打开no.1、no.4关闭no.2、no.3、no.5阀门，高压风机产生高速气流，气流通过吸砂枪（受砂口）将砂料汇合成砂流，砂流通过管道至分离器，进行气、砂分离，砂料至砂罐，空气经除尘后排出，当吸入的砂子到达储砂罐预定存量点通过传感器控制自动停止吸砂，完成吸砂工作。

2.2 移动上砂小车上砂系统工作原理上砂系统工作原理如图1所示。上砂时，打开no.2、no.3、no.5关闭no.1、no.4阀门，高压风机产生高速气流，气流通过管道到达汇流块，通过砂量调节器控制砂量，与贮砂罐流出的砂子汇合成砂流，经过管道和砂枪（上砂口）到达砂箱，当上砂到达砂箱预定位置，砂子触封闭砂枪出口的吸气管口时自动停止上砂，完成加砂作业。上砂过程中，产生的灰尘经上砂口的回风管道至湿式过水除尘器和机械式干燥器及旋风气水分离器进行除尘、除水后排放。

2.3 运输装置工作原理移动上砂小车运输装置采用电瓶运输车，节能环保，用于将砂子从存砂场运输到机车上砂点，并利用运输车的电瓶驱动高速风机产生吸砂及上砂动力。

2.4 除尘系统工作原理利用高压风机气流通过湿式过水除尘器和机械式干燥装置及旋风气水分离器，将粉尘气体通过装水容器及封闭式循环气道使尘粒产生气水混合作用捕集颗粒进而降尘；利用机械式干燥装置及旋风式气水分离器的气流切向引入造成的旋转运动使具有较大惯性离心力的水滴甩向外壁面而进一步将气水分离，经过两级气水分离达到环保排放要求。

3 设计要点

3.1 设备选型采用电瓶车作为运输工具，其电瓶满足一次充电后持续工作一个台班要求。为使设备的通过性更好、作业时间更长，在满足各项性能前提下，应减轻设备重量、减小设备体积及功率。吸砂和上砂可共用一台三叶罗茨风机。罗茨风机属容积式风机，利用两个叶形转子在气缸内作相对运动来压缩和输送气体，适用于低压力场合气体输送和加压系统，也可用作真空泵。罗茨风机体积小、风量大、噪声低、耗能省、运转平稳、风量稳定、安装方便，对被抽气体中灰尘和水蒸气不敏感。吸砂时利用罗茨风机的负压抽气功能，上砂时利用罗茨风机的正压吹风功能。

3.2 参数计算及选择

3.2.1 吸砂与上砂能力计算 在吸砂、上砂过程中，砂气混合气流的运动状况非常复杂，吸砂、上砂量的大小受到气流的压力、管路的通径、风量的大小、管路的长短及管路局部的压力损耗等因素制约。

在工程设计中，吸砂、上砂量的大小可按下述经验公式进行计算：

式中：G为上砂量，单位为kg/h

D为输送砂管内径，单位为m；

Va为输送空气速度，单位为m/s，

当物料＞880 kg/m3＜1 360 kg/m3时，取25 m/s；

γai为标准状态下的空气比重，

取1.2 kg/m3；

π为圆周率；

M为混合比，低真空吸送装置使用的范围在1～8之间，一般取m=5.5；

根据实际应用场景，机务段上砂小车应达到每分钟不少于20 kg的吸砂能力，上砂能力不低于每分钟10 kg；理论上吸砂、上砂管道管径分别不小于50 mm和25 mm，建议吸砂、上砂管径分别选择60 mm和30 mm。

3.2.2吸砂及上砂时罗茨风机的参数计算

1）吸砂上砂起始段所需的空气流量计算

式中：Qa为空气流量，单位为m3/min

D为输砂软管内径，单位为m；

Va为输送空气速度，单位为m/s，

当物料＞880 kg/m3＜1 360 kg/m3时，取25 m/s；

2）吸砂上砂时沿程压力损失计算

空气管压损ΔPai可以按下式计算：

式中：mmaq为管压损单位，以下公式中省略；λai为管摩擦系数，λai=K（0.0125+0.0011/Dai）其中：光滑管K=1.0，焊接管K=1.3旧焊接K=1.6；

Lai为气管长，单位为m；

Dai为空气管内径，单位为m；

Γai为标准状态下的空气比重，

取1.2 kg/m3；

Va为输送空气速度。单位为m/s，当物料＞880 kg/m3＜1 360kg/m3时，取25m/s；

砂在输送时的初速度可视为0，当输送空气加速到一定速度所产生的压力损失ΔPac大致可用下式计算：

式中，C为常数，约1～10，一般取c=3；

M为混合比，低真空吸送装置使用的范围在1～8之间，一般取m=5.5；

γai为标准状态下的空气比重，取1.2kg/m3；

Va为输送空气速度，单位为m/s，当物料＞880 kg/m3＜1 360 kg/m3时，取25 m/s；

输砂管中压力损失ΔPm可按下式计算：

式中，Leq为输砂管相当长度，单位m；

Lh为输砂管水平管长度，单位为m；

Kθ为斜长管换算系数，由实验决定，一般取1.2

Lθ为输砂管斜管长度，单位m；

Kv为垂直管换算系数，由实验决定，一般取kv=1.5

Lv为输砂管垂直管长度，单位为m；

N为输砂管弯管数，由实验决定，一般取N=100；

Dai为输砂管内径。单位为m；

β为常数，一般取β=0.45；

λa为0.1555；

除尘装置的压力损失ΔPsep可以按下式计算：

式中ξ为阻力系数，干式除尘器，ξ=5.5；湿式除尘器，ξ=4.0；

Ρt为温度在t℃时含尘气体的密度（kg/m3），本文取气体密度ρt=1.39 kg/m3;

Υj为进气速度，单位为m/s，推荐取υj=25m/s。

吸砂时系统压力总损失ΔP吸可以按下式计算：

上砂时系统压力总损失ΔP上可以按下式计算：

在选择罗茨风机时，要综合考虑风机能满足吸砂和上砂的参数要求。风机负压抽气的风量应大于吸砂起始段所需的空气流量Qa，风机负压的压力应大于吸砂时系统压力总损失ΔP吸，风机正压吹风的风量应大于上砂起始段所需的空气流量Qa，风机正压的压力应大于上砂时系统压力总损失ΔP上，一般余裕风量和压力为10%～20%。

3.3 输砂管路设计输砂管路分为两路，一路是将砂抽吸到储砂罐时砂子和空气通过的管路，这里称之为吸砂管路；另一路是将储砂罐里的砂子输向机车砂箱时砂子和空气通过的管路，称之为上砂管路。由前述可知，两路管路的动力源为同一风机，但是同一风机的正压、负压、抽气和吹风的数值不同，两路管路的布局、长度和砂量也不同。因此，在设计中要充分考虑到两者的差异，分别选用不同的管径及管壁厚度。

无论是吸砂管路还是上砂管路，应尽量减少弯管连接。因弯管连接会增加系统的压力损失，增加耗能，并且弯管连接处易磨损。

4 结束语

根据负压、正压气流输送技术设计的移动上砂小车主要由吸砂系统、上砂系统、运输装置、除尘系统以及控制系统构成，采用全封闭移动式结构、自动控制、两级除尘。目前已经在南宁局集团公司柳州机务段投入试用，经过使用测试，设备每分钟吸砂量可达25 kg/m，上砂每分钟可达15 kg/m；使用两套设备同时作业正常时一台机车上砂时间可控制在7分钟以内，雨天每台机车上砂时间大约为15分钟左右；吸砂及上砂均实现了满砂自动停止，全程无扬尘现象。该移动上砂小车自动化程度较其他方式有较大提高，作业人员的劳动强度明显降低，可以满足在不同地点上砂的个性化要求，实现了既能提高机车整备效率及机车入库线路通过能力又能达到环境保护要求的设计预期目标。