集尘设备风机连接装置的设计

袁 芬 张 明 李 彪 吴宏涛

中国北方车辆研究所 北京 100072

引言

随着高速铁路的发展,铁路轨道的维修和维护也日益被重视。在钢轨的使用过程中,钢轨会出现肥边、裂纹、振动等病害,钢轨打磨车可以及时消除这些问题,保证轨道的的正常使用[1-3]。但在钢轨打磨过程中会产生大量的高温烟尘和铁屑,若不及时收集,当机车高速运行时会将铁屑卷起损坏列车上的传感器件,粉尘也会附着在铁路沿线的电器设备上,容易造成设备短路,影响行车安全,同时粉尘的扩散也会对环境带来污染[4-5]。为及时收集钢轨打磨后的灰尘并对灰尘进行过滤处理满足排放的需求,集尘设备应运而生。在轨道集尘设备中风量是决定集尘设备过滤性能的一个关键指标。风量大小主要由动力源和风机性能决定。因此动力源和风机组成的风机装置是集尘设备设计的重点之一。

轨道集尘设备不同于地面的除尘设备,其设计空间受到列车外型和安放位置的限制。在风机装置中,一般采用电机驱动,如如李海滨[6]设计的GMC96B型钢轨打磨列车专用的集尘装置等。但在大风量集尘过滤装置的设计中,动力源为液压,需要选用液压马达驱动风机,由于空间所限液压马达和风机都要纵向布置。这在国内的集尘过滤装置中还不多见,同时为了节约研制成本和维修成本、缩短研制周期和后期的维修周期,风机和液压马达需要选用国产件。由于液压马达在纵向布置时都只传递扭矩而不能承受轴向力,为此设计了一套风机纵向布置连接装置。

1 风机安装结构及要求

1.1 风机结构 风机将电机提供的动能转变为风能,它所提供的压力和风量决定整个集尘设备的工作性能。风机主要由涡壳、叶轮、导流罩等部分组成。电机带动叶轮在涡壳内高速旋转,叶轮上的叶片对风机内的流体做功,流体产生动能,并从叶轮周边被抛出,甩到四周,形成高速高压的气体,最后以较高的速度被排出风机[7]。涡壳一方面保护叶轮,另一方面汇集叶轮出口气流并引向风机出口,为提高风机效率,涡壳的外形一般采用阿基米德螺旋线或对数螺旋线；导流罩保证气流能够均匀而顺畅的充满叶轮进口,使气流在流动过程中的损失能够达到最小[8-9]。

1.2 风机在集尘设备中的安装位置 在大风量集尘设备设计中,机车上动力源是液压马达,由于空间所限,马达和风机组成的风机装置需要纵向布置,如图1所示。

图1 某集尘装置结构图

集尘过滤装置主要由进气腔、过滤腔、风机装置、反吹腔和集尘盒等组成。液压泵和风机组成的风机装置作为整个集尘过滤装置的动力源,风机装置工作时在集尘舱体内形成强大的负压,保证进气腔能够及时吸收轨道打磨后的尘屑,并有效利用过滤腔内的滤芯完成气体的过滤。在集尘过滤装置的设计过程中,风机的选型和布置是集尘装置的核心。风机装置除了要纵向布置、满足机车接口要求外,设计风量要达到7000～8400m3/h。

为了节约研制成本和维修成本、缩短研制周期和后期的维修周期,风机和液压马达选用国产件。经过性能匹配,选择国产华德A2F28W2P1型液压马达和标准的5#风机。由于液压马达在纵向布置时都只传递扭矩而不能承受轴向力,为此设计了一套风机纵向布置连接装置。

2 纵向布置连接装置的设计

2.1 纵向布置连接装置总体设计 连接装置既要把马达输出的扭矩实时传递给风机,保证风机的有效运转；同时又要把风机的重量以及叶片旋转带来轴向气动力转接出去。风机纵向连接装置由旋转系统和承载系统组成,装置结构图如图2所示。

图2 一种液压马达纵向布置的连接装置

2.2 旋转系统设计 旋转系统是整个连接装置的重要组成部分,承担着将马达输出轴的扭矩实时传递给风机的重任。该系统由键毂套2、旋转盘9、毛毡圈10、双列角接触球轴承6、旋转套8组成。马达输出轴通过平键与键毂套2连接,键毂套2通过四方凸台将马达输出扭矩传递给旋转盘9,随后通过紧固件,将扭矩传递到轴承套5,而轴承套5与叶轮通过紧固件连接,这样马达旋转时可以有效带动叶轮旋转。

2.3 承载系统设计 承载系统是连接装置的核心,它解决了如何将风机重量和涡轮旋转产生的轴向气动力转接到风机涡壳上的问题。涡壳等连接装置的重量由双列角接触球轴承6承担,圆螺母12、止动垫圈11、马达连接法兰7凸台,牢牢地将双列角接触球轴承6的内圈进行轴向固定,同时马达连接法兰通过紧固件与涡壳法兰盘4连接,保证所有重量转接到涡壳上[10]。

3 试验情况

样机生产完成后,对集尘过滤装置进行性能试验,同时增加可靠性试验,集尘过滤装置陆续运转28h,最长连续运转4h,风机运转顺畅,无机械摩擦及明显发热现象,舱体无任何振动,充分证明了该装 置的可行性和可靠性。

在试验过程中分别对系统供油压力、风机转速、风机出口速度、进行采样,经过数据汇总后,如表1 所示。由表1 可以看出,在供油压力至10 MPa,风机转速至2580r/min时,风机出口风量达到7101.86m3/h,满足设计要求。

表1 集尘过滤装置性能试验数据汇总表

4 结论

风机纵向连接装置的设计为集尘装置液压马达纵向布置找到了解决方案,并通过试验验证了结构的可靠性,保证了风机的正常运转和风量要求。为在集尘装置风机设计中使用国产液压马达和风机奠定了基础,进一步降低风机装置研制成本和时间,推动了我国轨道集尘装置的研究水平和能力的提高。