（機械電子工程專業(yè)論文）輕軌列車底部電器移動式除塵系統(tǒng)設計.pdf

重慶大學碩士學位論文 中文摘要 摘要 輕軌列車在運行過程中，由于車輪與軌道間的摩擦會產(chǎn)生許多粉塵，這些粉 塵吸附在列車底部電器設備表面上會導致一些電氣故障，所以必須定期進行清掃。 鑒于傳統(tǒng)的輕軌列車底部電器吹掃工作是由人工手持噴槍在露天完成的，這種方 式的缺點在于產(chǎn)生環(huán)境污染和效率的低下，這就需要種專用除塵設備來為其定 期除塵，以確保輕軌列車安全穩(wěn)定運行。本論文所研究和設計的移動式除塵設備 就是用于重慶輕軌3 號線車輛底部電器除塵的專用設備。 論文首先利用功能分析法，站在系統(tǒng)的高度，對移動式除塵設備的原理方案 進行了系統(tǒng)的分析，確定了設備的總體方案。除塵系統(tǒng)：設備自帶空氣壓縮機提 供吹掃氣源，吹掃產(chǎn)生的含塵氣體經(jīng)過濾器凈化處理后無污染排放；移動平臺： 采用軌道一車輪走行方式，驅(qū)動裝置采用三合一( 電機、減速器、制動器) 減速 電機，與主動輪軸采用空心軸裝式連接，驅(qū)動電機采用變頻調(diào)速；饋電系統(tǒng)：采 用地溝布置安全滑觸線供電。其次，本論文對除塵系統(tǒng)及移動平臺作了詳細的分 析與設計。 除塵系統(tǒng)是整個移動式除塵設備的核心部分。論文在分析吹掃氣流運動規(guī)律、 空氣過濾機理、吸入氣流運動規(guī)律的基礎上，重點對除塵系統(tǒng)的設計計算進行了 詳細介紹，主要包括吹掃空氣耗量計算、除塵器的分析與設計、集氣罩的設計與 計算、管網(wǎng)的設計與計算、風機的選擇與分析、電機的配置等。 論文采用類比設計方法，參照橋式起重機的原理方案及結構布置，完成了移 動平臺的設計，其主要內(nèi)容包括車輪的設計、軌道的選型安裝、運行阻力分析與 計算、驅(qū)動電機的計算選型等。 關鍵詞：輕軌，移動，除塵，設計 重慶大學碩士學位論文 英文摘要 a bs t r a c t an u m b e ro fd u s tw o u l db ep r o d u c e d 觴ar e s u l to ff r i c t i o nb e t w e e nt h ew h e e la n d t r a c kw h e nt h el i g h tr a i lt r a i ni sr u n n i n g 。t h ed u s ta b s o r b e do nt h es u r f a c eo fe l e c t r i c a l e q u i p m e n ta tt h eb o t t o mo ft h et r a i nw i l ll e a dt oe l e c t r i c a lf a i l u r e ，s oi ti sn e c e s s a r yt o c l e a n - u pr e g u l a r l y t r a d i t i o n a l l y , t h ed u s ti ss 、e p tb yt h es p r a yg u ni nt h eo p e na i r m a n u a l l y , w h i c hl e a d st o t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dl o we f f i c i e n c y , s oa s p e c i a l i z e dd u s tr e m o v i n gp l a n ti sn e e d e dt oe n s u r et h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fl i g h tr a i l t r a i n 1 f 1 1 em o b i l ed u s tr e m o v i n gp l a n ts t u d i e da n dd e s i g n e di nt h i sp a p e ri su s e df o r c h o n g q i n gl i g h tr a i ll i n e3 f i r s t l y , t h ep r i n c i p l ep l a nw a sa n a l y z e da n dt h eg e n e r a lp l a nw a sf i x e db a s e d0 1 1 f u n c t i o na n a l y s i sm e t h o d d u s tr e m o v i n gs y s t e m ：s w e e p i n gg a sw a ss u p p l i e db yt h ea i r c o m p r e s s o rd e p l o y e do nt h ed e v i c e ，a n dt h ed u s t l a d e ng a sp r o d u c e db ys w e e p i n gw a s d e c o n t a m i n a t e dt h r o u g ht h ef l t e r ；m o b i l ep l a t f o r m ：r u n n i n g 、析t ht h et r a c k - w h e e l s y s t e m ，d r i v e nb yat h r e e - i n - o n e ( m o t o r , r e d u c e ra n db r a k e ) e l e c t r i cm o t o rw h i c hj o i n e d t h ed r i v i n gs h a f tw i t hah o l l o ws h a f t ，a n dt h es p e e do fd r i v i n gm o t o rw a sr e g u l a t e db y t h ef r e q u e n c yc o n v e r t e r ；p o w e rs u p p l ys y s t e m ：p r o v i d i n gp o w e rw i t ht h es a l t ys l i d e w i r ei nt h et r e n c h s e c o n d l y , t h ed u s tr e m o v i n gs y s t e ma n dm o b i l ep l a t f o r mw a s a n a l y z e da n dd e s i g n e dm i n u t e l yi nt h i sp a p e r d u s tr e m o v i n gs y s t e mi st h ec o r eo ft h em o b i l ed u s tr e m o v i n gp l a n t b a s e do nt h e a n a l y s i so fm o v e m e n tl a wo fs w e e p i n ga i r f l o w , a i rf i l l t r a t i o nm e c h a n i s ma n dm o v e m e n t l a wo fs u c t i o na i r f l o w , d e s i g na n dc a l c u l a t i o no ft h ed u s tr e m o v i n gs y s t e mw a si n t r o d u c e d d e t a i l e d l yi nt h i sp a p e r , w h i c hc o n t a i n e dc a l c u l a t i o no ft h es w e e p i n g - g a sc o n s u m p t i o n , a n a l y s i sa n d d e s i g no ft h ed u s tc o l l e c t o r , d e s i g na n dc a l c u l a t i o no ft h eg a s - c o l l e c t i n gc h a n n e l ，d e s i g na n d c a l c u l a t i o no f t h ep i p en e t w o r k ，s e l e c t i o na n da n a l y s i so f t h eb l o w e r , c o n f i g u r a t i o no f t h em o t o r w i ma n a l o g yd e s i g nm e t h o d ，t h em o b i l ep l a t f o r mw a sd e s i g n e db a s e do nt h e p r i n c i p l ep l a na n ds t r u c t u r ec o n f i g u r a t i o no fb r i d g ec r a n e ，w h i c hc o n t a i n e dd e s i g no f t h e w h e e l ，s e l e c t i o na n di m t a l l a t i o no ft h et r a c k , a n a l y s i sa n dc a l c d a t i o no fr e s i s t a n c e ， c a l c u l a t i o na n ds e l e c t i o no ft h em o t o r k e y w o r d s ：l i g h tr a i l ，m o b i l e ，d u s tr e m o v i n g ，d e s i g n 學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的皿士學位論文褒鰳通悻庭綽越翻擎濫甜緣虹弛扣盈牛一 是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別 加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我 一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明并表示了謝 意。 學位論文作者簽名：藹淘燕簽字日期：d 1 - 6 - s 導師簽名： 辯醐枷r 學位論文使用授權書 本人完全了解重慶大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定。本人完全同意中國博 士學位論文全文數(shù)據(jù)庫、中國優(yōu)秀碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫出版章程( 以下簡稱“章 程) ，愿意將本人的及士學位論文輕劃辣犁卿卻剃系拶提交中國學術期 刊( 光盤版) 電子雜志社( c n k i ) 在中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫、中國優(yōu)秀碩 士學位論文全文數(shù)據(jù)庫以及重慶大學博碩學位論文全文數(shù)據(jù)庫中全文發(fā)表。中 國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫、中國優(yōu)秀碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫可以以電子、網(wǎng) 絡及其他數(shù)字媒體形式公開出版，并同意編入c i w k i 中國知識資源總庫，在中國博 碩士學位論文評價數(shù)據(jù)庫中使用和在互聯(lián)網(wǎng)上傳播，同意按“章程 規(guī)定享受相關 權益和承擔相應義務。本人授權重慶大學可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論 文，可以公開論文的全部或部分內(nèi)容。 作者簽名： 箍壹蒸 導師簽名： 備注：審核通過的涉密論文不得簽署_ 授權書一，須填寫以下內(nèi)容： 該論文屬于涉密論文，其密級是，涉密期限至年一月一日。 說明：本聲明及授權書2 磁裝訂在提交的學位論文最后一頁。 重慶大學碩士學位論文l 緒 論 1緒論 1 1 本課題背景及國內(nèi)外現(xiàn)狀 輕軌交通始于上世紀7 0 年代歐洲一些城市對舊式有軌電車的改造，并在隨后 的幾十年中逐步發(fā)展為一種成熟的軌道交通系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的道路交通相比，輕軌 交通具有運載量大( 單向輸送能力每小時可達4 萬人) 、速度快( 平均時速可達2 5 公里到3 5 公里，最高可達8 0 公里，為公共汽車平均時速的2 3 倍) 、污染輕( 以 電力組為動力) 、能耗低( 入均能耗為道路交通的1 5 到4 0 ) 、占地少( 不足道 路交通占地的1 3 ) 等優(yōu)點，同時，由于輕軌交通一般處于封閉或半封閉狀態(tài)，有 自己的專用車道和專用信號，不受市內(nèi)道路交通的干擾，可以準點運行。同地鐵 相比，輕軌交通具有投資少、建設周期短、運營靈活、適應性強及利于保護環(huán)境 景觀等優(yōu)點【?？梢?，輕軌交通綜合了多種交通系統(tǒng)的優(yōu)點，有效填補了軌道交通 單向小時客運能力l q 萬人的空缺，成為城市公交系統(tǒng)重要的組成部分，尤其是 進入2 0 世紀8 0 年代以后，城市輕軌交通得到了前所未有的飛速發(fā)展 2 1 。 目前，全世界大約有3 6 0 個輕軌系統(tǒng)在運營，其中大部分分布在歐洲、北美 和日本。前西德、法國、英國等國家從7 0 年代開始就通過建隧道、購買大容量車 輛等與其他運輸模式結合，使舊輕軌系統(tǒng)升級成完整的輕軌運輸系統(tǒng)，并且在法 國巴黎、南特市，英國曼徹斯特市開通了新輕軌系統(tǒng)。7 0 年代后，荷蘭政府把輕 軌運輸視為解決連接城市中心到郊區(qū)小衛(wèi)星城鎮(zhèn)運輸需要的重要措施。美國在 1 9 8 0 年到1 9 9 2 年間輕軌系統(tǒng)數(shù)量成倍增長，由7 個增加到1 4 個。日本的情況和 美國、西歐比較相似，大部分輕軌都源于改造的有軌電車線，并于1 9 9 7 年開始采 用德國生產(chǎn)的低地板輕軌車輛技術【3 j 。 當前，隨著我國工業(yè)化和城市化進程的不斷加快，交通問題成為制約我國城 市發(fā)展的嚴重問題。我國1 0 0 萬人口以上的大城市已達3 4 個，而5 0 1 0 0 萬人口 之間的城市也達到4 3 個【4 】。城市人口密度高，大量的人口和產(chǎn)業(yè)活動集中在狹小 的市中心區(qū)域，機動車、非機動車、行人形成的混合交通造成了堵塞和擁擠現(xiàn)象。 特別是城市交叉口處，機動車速度慢，通行能力低，污染大，加上交通建設滯后， 交通管理不善，嚴重地制約了我國的經(jīng)濟發(fā)展。為緩解交通擁擠狀況，許多大中 城市均在規(guī)劃、建設或已建成自己的城市輕軌交通，如武漢高架城市快速軌道線， 長春地面一高架城軌線，上海明珠線，沈陽、大連、昆明等城市輕軌運輸線等。 預計到2 0 1 0 年，我國將建成輕軌線路約4 5 0 公里；到2 0 2 0 年，我國將建成輕軌 線路約9 0 0 公里；到2 0 5 0 年前，有線路3 0 0 余條，將全部建成約4 5 0 0 公里的輕 軌線路【5 】。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國國內(nèi)潛在著巨大的輕軌車輛市場。 重慶大學碩士學位論文1 緒 論 作為中國西部最大的工農(nóng)業(yè)城市和水陸交通樞紐，重慶市有人口3 0 0 0 余萬， 是西部人口最密集區(qū)域。2 0 0 2 年，主城區(qū)居民日出行總量9 1 6 萬人次，預測2 0 2 0 年居民日出行總量將達2 0 0 3 萬人次，超過2 0 0 2 年的兩倍。城市交通形勢極其嚴 峻，建設現(xiàn)代化都市快速軌道交通迫在眉睫。為適應西部大開發(fā)和加快城市化進 程的需要，滿足社會、經(jīng)濟發(fā)展和市民出行的需求，根據(jù)重慶主城區(qū)兩江環(huán)抱、 山高坡陡、道路曲折的特殊地理環(huán)境，多中心組團式城市結構特點，重慶市已規(guī) 劃用2 0 年時間，建設3 0 0 公里軌道交通線路，形成覆蓋中心城區(qū)銜接主城區(qū)各外 圍組團的快速軌道交通網(wǎng)絡，規(guī)劃建設好6 0 個交通樞紐，帶動周邊區(qū)域開發(fā)建設， 為6 0 0 萬以上城市人口提供方便快捷舒適的服務，推動城市化進程。 目前在建的重慶輕軌交通三號線為南北方向的軌道交通干線，采用跨座式單 軌交通系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用混凝土軌道梁，線路平順；機車車輛采用分散動力型電 動車組，線路設計負荷軸重1 1 噸，相比其它軌道，軸重最輕；車輛每個轉(zhuǎn)向架裝 有走行、導向、穩(wěn)定三種4 對橡膠車輪，從三個方向“抱住”軌道梁，不會發(fā)生脫軌、 翻車等事故，抵抗大風、地震、水澇等自然災害能力強，安全程度高。項目建成 后將與已開通運營的軌道交通二號線形成“十”字型的軌道交通骨架，由南向北沿客 運交通走廊將主城區(qū)的巴南區(qū)、南岸區(qū)、渝中區(qū)、江北區(qū)、北部新城區(qū)銜接起來， 并將重慶市的行政、經(jīng)濟、文化中心與城市副中心、公共活動區(qū)和居住區(qū)緊密連 接在一起，充分發(fā)揮了軌道交通容量大、速度快的優(yōu)勢，有效地緩解城市交通困 難的矛盾。同時，三號線的建設將對提高軌道交通的運行效率、吸引客流、促進 城市經(jīng)濟發(fā)展、改善公共交通環(huán)境、提高社會效益發(fā)揮重大作用。 縱觀國外輕軌車輛的技術發(fā)展，我國輕軌車輛的研制工作尚處于起步階段， 眾多配套設備尚未形成標準化、系列化，加之輕軌交通系統(tǒng)的多樣化及運行環(huán)境 的差異性，即使是在輕軌發(fā)展較長時間的歐美日發(fā)達國家，市場上的現(xiàn)成通用設 備幾乎沒有。因此，借鑒國內(nèi)外已有的相似設備的設計制造經(jīng)驗，設計符合自身 要求和特點的輕軌配套設備是比較經(jīng)濟有效的方法。本論文所研究的移動式除塵 設備正是在重慶輕軌交通蓬勃發(fā)展的背景下提出的，用于對重慶輕軌交通三號線 運行輕軌車輛下部兩側的車底設備進行除塵，主要任務就是根據(jù)重慶輕軌交通建 設的實際情況和自身特點來完成輕軌列車移動式除塵設備的設計工作。 1 2 除塵技術簡介 粉塵是由自然力或機械力產(chǎn)生的，能夠懸浮于空氣中的固體細小微粒。國際 上將粒徑小于7 5 p 聊的固體懸浮物定義為粉塵。在除塵技術中，一般將1 - - 2 0 0 a m 乃 至更大顆粒的固體懸浮物均視為粉塵【6 。各類除塵技術的原理主要是以作用力為 理論基礎，常用除塵技術包括：機械除塵技術、過濾除塵技術、靜電除塵技術、 2 重慶大學碩士學位論文l 緒 論 濕式除塵技術。 1 2 1 機械除塵技術 機械式除塵器是利用質(zhì)量力( 如重力、慣性力、離心力等) 的作用使含塵氣 流中的塵粒與氣流分離并被捕集的除塵裝置。 重力除塵器 重力除塵器是利用粉塵與氣體的比重不同的原理，使揚塵靠本身的重力從氣 體中自然沉降下來的凈化設備，通常稱為沉降室。當含塵氣體通過管道的擴大部 分( 重力沉降室) ，流速大大降低，較大塵粒即在重力作用下沉降下來。為避免氣流 旋渦將已沉降塵粒帶起，常在沉降室加擋板。 慣性除塵器 慣性除塵器是利用粉塵與氣體在運動中慣性力的不同，將粉塵從氣體中分離 出來。一般都是在含塵氣流的前方設置某種形式的障礙物，使氣流的方向急劇改 變。此時粉塵由于慣性力比氣體大得多，塵粒便脫離氣流而被分離出來，得到凈 化的氣體在急劇改變方向后排出。 旋風除塵器 旋風除塵器是利用氣流在旋渦運動中產(chǎn)生的離心力以清除氣流中塵粒的設 備。含塵氣體從入口導入除塵器的外殼和排氣管之間，形成旋轉(zhuǎn)向下的外旋流。 懸浮于外旋流的粉塵在離心力的作用下移向器壁，并隨外旋流轉(zhuǎn)到除塵器下部， 由排塵孔排出。凈化后的氣體形成上升的內(nèi)旋流并經(jīng)過排氣管排出。 1 2 2 過濾除塵技術 過濾式除塵器，又稱過濾器，是使含塵氣體通過過濾材料將粉塵分離捕集的 裝置【8 】o 有內(nèi)部過濾和表面過濾兩種方式。所謂內(nèi)部過濾是把松散多孔的濾料如玻 璃纖維、金屬絨、硅砂和煤粒等以一定體積填充在框架或容器內(nèi)作為過濾層，對 含塵氣體進行凈化，塵粒是在過濾材料內(nèi)部進行捕集的。而表面過濾是采用織物 如纖維布料、非紡織毛氈或濾紙等較薄的濾料，將最初黏附在表面的粉塵層作為 過濾層，將含塵氣體中的粉塵粒子濾去，這些粉塵粒子是被阻擋在濾料的表面上 的。 粉塵經(jīng)濾料被過濾分離所受到的力在各種除塵技術中是最復雜的，盡管有許 多過濾分離的表達方程式，但不足以定量表示符合實際結果的除塵效率、過濾阻 力等各種因果關系。因此過濾除塵技術是一種科學和實踐經(jīng)驗完美結合的產(chǎn)物。 過濾除塵機理將在后文詳細介紹。 1 2 3 靜電除塵技術 靜電除塵器的工作原理：利用強電場使含塵氣體發(fā)生電離，由于氣體中的粉 塵也帶有電荷，可以通過除塵器中設置的正負電極板的吸附作用，達到將空氣和 3 重慶大學碩士學位論文1 緒 論 塵粒分離的目的。除塵器的電極形式有平板式和管式兩種，通常負極稱放電極， 正極稱集塵極( 或沉降極) 。如管式靜電除塵器把2 2 0 伏( 或3 8 0 伏) 的交流電經(jīng)過升 壓整流裝置，變?yōu)? 6 萬伏左右的高壓直流電，絕緣進入電暈線，圓筒壁為集塵 極，由導線接地，電暈線和圓筒壁之間形成靜電場，電暈線周圍空氣產(chǎn)生電離， 形成大量負離子和電子，向集塵極運動。含塵氣體從除塵器進口處進入除塵器， 不帶電的塵粒和負離子結合，帶上負電，運動到集塵極后失去電荷成中性，通過 振動等沿集塵極落入灰斗。凈化后的氣體，從除塵器出口處排出。靜電除塵的作 用機理可分為電暈放電、粒子荷電、塵粒收集和清灰四個環(huán)節(jié)【朗。 電暈放電 將充分高的直流電壓施加到一對電極上，其中一個極是細導線或具有曲率半 徑很小的任意形狀，另一極是管狀或板狀的，則電場強度在導線表面附近特別強， 并隨離開導線的距離增大而迅速減弱。在導線表面附近這種具有強電場的空間內(nèi)， 原有的微量自由電子將被加速到某一很高的速度，并足以通過碰撞使中性氣體分 子釋放出外層電子，而電離成為新的自由電子和正離子。這些被激發(fā)出來的自由 電子接著又被加速到某一很高的速度，又進一步引起氣體分子的碰撞電離。這種 過程在極短的瞬間又重復了無數(shù)次，于是在放電極表面附近產(chǎn)生了大量的自由電 子和正離子。這就是氣體的電離過程。 由于在氣體的電離過程中，在放電極周圍往往顯露出明亮的光暈，同時發(fā)出 輕微的絲絲氣體爆裂聲，所以稱為電暈放電。 粒子荷電 根據(jù)電荷“異性相吸，同性相斥”的原理，在氣體電離后，大量的自由電子和正 負離子會向異極運動。在運動過程中，它們與含塵氣流中的塵粒相碰撞而吸附其 上，使得塵粒帶電。 塵粒收集 塵粒收集的過程就是帶點粒子在電場中加速運動的過程，帶負電荷粒子向陽 極板運動，帶正電荷粒子向陰極線運動。 清灰 在電場力的作用下陰極線和陽極板上都會有粉塵沉積，如果不及時清灰，粉 塵層厚度可達幾毫米，甚至幾厘米。粉塵沉積在陰極線上，會影響電暈放電；陽 極板上集塵過多，會影響荷電粒子的驅(qū)動速度，對于高比電阻粉塵還會引起反電 暈。因此，及時清灰是維持靜電除塵器高效運行的重要條件。通常采用重錘沖擊 振打或電磁裝置抖動的方式，使極板上的灰塵振落或抖落掉入灰斗中。 1 2 4 濕式除塵技術 濕式除塵器是利用水或其它液體與含塵氣體的作用去除粉塵的設備，塵粒與 4 重慶大學碩士學位論文1 緒論 噴灑的水滴、水膜或濕潤的器壁、器件相遇時，發(fā)生潤濕、凝聚、擴散沉降等過 程，因而從氣體中分離出來，達到凈化氣體的目的。在濕式除塵器中，氣體與液 體的接觸有兩種方法，一種是氣體與水膜或已被霧化了的水滴接觸，如文氏管除 塵器、水膜除塵器、噴淋式除塵器等；另一種是氣體沖擊水層時鼓泡，以形成細 小的水滴或水膜，如沖擊式除塵器、自激式除塵器等。用濕式除塵工作時大致有 以下幾種機理【9 j 。 慣性碰撞 氣流在運動過程中如果遇到水滴會改變方向，繞過水滴進行流動，運動軌跡 由直線變?yōu)榍€，其中細小的塵粒隨氣流一起繞流，粒徑較大和重度較大的塵粒 具有較大的慣性，便脫離氣流的流線保持直線運動，從而與水滴相撞。 擴散效應 對粒徑在o 3j l l 加以下的塵粒，在氣體分子的撞擊下，微粒像氣體分子一樣， 做復雜的布朗運動，在運動過程中，塵粒和水滴接觸而被捕集。 粘附效應 當粉塵粒徑的半徑大于粉塵中心到水滴邊緣的距離時，則粉塵被水滴粘附而 被捕集。 凝集效應 凝集有兩種情況，一種是以微小塵粒為凝結核，由于水蒸氣的凝結使微小塵 粒凝集增大；另一種是由于擴散漂移的綜合作用，使塵粒向液滴移動凝結增大， 增大后的塵粒通過慣性的作用加以捕集。 1 3 課題研究的目的和意義 輕軌的建成為城市環(huán)境面貌改善和交通的發(fā)展起到了巨大作用，它作為一種 環(huán)保、客運量大的新型軌道交通工具，首先要保證安全高速地運行。然而輕軌列 車在高速運行過程中，由于摩擦等原因會產(chǎn)生許多粉塵，而這些粉塵的比電阻都 不高，又由于粉塵的塵粒荷電性，吸水性，很容易使粉塵在輕軌列車底部的牽引 電機、配電箱等電器設備的周圍凝集沉降，從而減少了電氣距離，破壞了電器設 備的絕緣強度、在線路過電壓或電氣操作過程中極易造成電氣擊穿短路事故。同 時，粉塵堆集存于電氣開關的觸頭之間、電磁鐵芯之間會造成電氣開關接觸不良 故障，粉塵還會造成電器設備散熱性能降低，具有較大的危害性，因此需要一種 移動式除塵設備來為其定期除塵，以確保輕軌列車安全穩(wěn)定地運行。 該設備的研制，不但能夠解決重慶輕軌建設的實際問題，而且對于實現(xiàn)裝備 國產(chǎn)化，節(jié)約外匯都具有重要意義。我國輕軌交通建設正迅速發(fā)展，本課題研制 的移動式除塵設備對今后輕軌除塵裝置的設計研究有一定的借鑒和指導作用。 5 重慶大學碩士學位論文l 緒論 1 4 本論文主要研究內(nèi)容 移動式除塵系統(tǒng)原理方案設計 論文在采用黑箱法抽象出移動式除塵設備的總功能后，通過功能樹對總功能 進行分解，并分別對各功能元求解，得到移動式除塵設備的原理方案解( 用形態(tài) 矩陣表示) ，通過對各原理方案解的分析和比較，確定出系統(tǒng)的最佳原理方案。 除塵系統(tǒng)設計 論文在分析吹掃氣流運動規(guī)律，空氣過濾機理、吸入氣流運動規(guī)律的基礎上， 對除塵系統(tǒng)的設計計算進行了詳細介紹。 移動平臺設計 論文采用類比設計方法，參照橋式起重機的原理方案及結構布置，完成了移 動平臺的設計。 供電系統(tǒng)設計 論文分析了安全滑觸線供電原理，完成了安全滑觸線計算選型以及地溝安裝 布置設計。 6 重慶大學碩士學位論文 2 原理方案設計 2 原理方案設計 2 1 移動式除塵設備設計基礎 2 1 1 設置地點及工藝布置 移動式除塵設備設置于車輛段月檢庫車輛吹掃線，一套兩臺相同的除塵設備， 對置于軌道梁的兩側。其工藝布置如圖2 1 所示。 1 輕軌列車2 列車側腹板3 移動式除塵設備4 鋼軌5 p c 軌道梁 圖2 1 工藝布置立面圖 f i g 2 1e l e v a t i o nd r a w i n go f t e c h n o l o g ya r r a n g e m e n t 除塵時，列車下部腹板向上翻起，兩臺除塵設備行至其下工作。其面對車體 的一側有壓縮空氣噴射裝置及吸塵窗口。使用中，吹掃產(chǎn)生的粉塵即被吸入本臺 除塵設備的吸塵窗口。吸入的含塵空氣經(jīng)吸塵器集塵處理后，清潔空氣由排風機 經(jīng)除塵設備另一側的排氣窗口排出機箱外。設備沿軌道運行，以實現(xiàn)對列車全長 除塵。 2 1 2 主要功能 設備應具備以下功能： 壓縮空氣吹掃； 集塵與除塵； 自行走，有導向功能。 7 重慶大學碩士學位論文 2 原理方案設計 2 1 3 工作條件 室內(nèi)使用； 海拔高度： 1 0 0 0 m ； 環(huán)境溫度：0 , 4 3 c ； 環(huán)境最大相對濕度： 0 5 時，可按點匯規(guī)律計算吸氣區(qū)內(nèi)流速分布；當x d o o 5 時，流速分布可按下列經(jīng)驗公式計算。 圓形罩口軸線上的流速分布為： 矩形罩口軸線上的流速分布為： 式中 1 l d 一吸氣口平均流速，毗； ( 3 4 ) 商 重慶大學碩士學位論文 3 除塵系統(tǒng)設計 1 ，距吸氣口距離為x 處的流速，m s ： x 一吸氣區(qū)某點到吸氣口的距離，m ； 4 一吸氣口的橫截面積，彤2 ； 口0 矩形吸氣口的長邊，m ； 玩一矩形吸氣口的短邊，m 。 3 3 2 集氣罩設計 由于受工藝條件限制，無法對污染源進行密閉，因此采用側吸罩的集塵方案， 如圖3 6 所示，罩口為矩形吸氣口，長度為1 2 m ，寬度為0 4 m 。為確保集塵效果， 在集氣罩的設計和布置方面采取了如下措施： 為了有效地控制和捕集粉塵，盡可能使集氣罩的罩口靠近揚塵點，以使所 有的揚塵點都處于必要的風速控制范圍之內(nèi)，同時考慮到不妨礙人員對設備的正 常操作，設置罩口離塵源的距離為0 5 m ； 為減少吸氣范圍，在集氣罩左右兩側設置擋板，與上部的側翻板及下部設 備的操作平臺盡量形成一個密閉區(qū)域，減小風量的損失。 考慮到兩擋板之間的吸塵區(qū)域較大，為獲得均勻的罩口氣流，布置3 個集 氣窗口。 ； ，墨 、1 l量l t 。 蘆 ， 一，j 一弋 1 重慶大學碩士學位論文3 除塵系統(tǒng)設計 污染物從污染源散發(fā)出來以后都具有一定的擴散速度，該速度隨污染物擴散 而逐漸減小，當擴散速度減小到零的位置稱為控制點?？刂泣c處的污染物較容易 被吸走，集氣罩能吸走控制點處污染物的最小吸氣速度稱為控制速度，控制點距 離罩口的距離稱為控制距離，如圖3 7 所示。 圖3 7 控制點與控制風速【6 】 f i g3 7c o n t r o l l e dp o i n ta n dc o n t r o l l e dw i n ds p e e d 在工程設計中，應首先根據(jù)工藝設備及操作要求，確定吸氣罩形狀及尺寸， 由此確定罩口面積4 ；其次根據(jù)控制要求安排罩口與污染源的相對位置，確定罩 口幾何中心與控制點的距離x 。當確定了控制速度也后，即可根據(jù)各種外部罩風量 計算公式計算排風量或者根據(jù)不同形式集氣罩口的氣流衰減規(guī)律，求得罩口上的 氣流速度v 0 ，用以乘以v 0 即可求得集氣罩的排風量。 流量比法 其基本思路是，把集氣罩的排風量q 看作是污染氣流量q 和從罩口周圍吸入 罩內(nèi)空氣量q 之和，即： q = 9 + q 2 2 q ( 1 + k ) ( 3 5 ) 式中k - _ q q i ，稱為流量比。顯然，k 值越大，污染物越不容易溢出罩外， 但集氣罩的排風量q 也隨之增大?？紤]到設計的經(jīng)濟合理性，把能保證污染物不 溢出罩外的最小k 值稱為臨界流量比，用鼠表示。 k = ( 駭q ) 。佃 ( 3 6 ) 鼠與污染源和集氣罩的相對尺寸有關，其計算公式需要經(jīng)過實驗研究求出。 這樣，確定了污染氣流量及臨界流量比之后，便可計算出集氣罩所需排風量。 本設計中，由于噴槍吹起的粉塵量無法確定，因此采用控制速度法來計算排 風量。 控制風速是指正好克服該塵源散發(fā)粉塵的擴散力再加上適當?shù)陌踩禂?shù)的風 速。只有當吸塵罩在該塵源點造成的風速大于吸捕速度時，才能使粉塵吸入到罩 內(nèi)?？刂扑俣炔粌H同工藝設備類別及污染物散發(fā)條件有關，也同污染物的危害程 重慶大學碩士學位論文 3 除塵系統(tǒng)設計 度，以及周圍干擾氣流的情況有關，考慮到移動式除塵設備為室內(nèi)使用，周圍干 擾氣流小，對粉塵控制較為有利，且粉塵無毒性，因此在選取集氣罩控制風速時 著重考慮考慮粉塵的散發(fā)條件，參考表3 1 選取。 表3 1 最小控制風速【6 】 t a b l e3 1m i n i m u mc o n t r o l l e dw i n ds p e e d 由于壓縮空氣的吹掃，粉塵脫離電器表面時，具有較高的運動速度，但除塵 區(qū)域具有較好的密閉性能，因此綜合考慮，選取控制風速為0 8 m s 。 則單個集氣罩所需排風量為： 幺= 3 6 0 0 x 0 7 5 x ( 5 x 2 + 4 ) 屹 ( 3 7 ) = 3 6 0 0 x 0 7 5x ( 5 x 0 5 2 + 1 2 x 0 4 ) x 0 8 = 3 7 3 6 8m 3 h 式中x 控制距離，m ； 以單個集氣罩面積，m 2 ； 1 ，控制風速，m s 。 則除塵系統(tǒng)總的排風量為：q - - 3q o = 1 1 2 1 0 所3 h 3 4 除塵管網(wǎng)系統(tǒng)設計 除塵系統(tǒng)各組成部分離不開管道的連接。管道設計計算的目的是：使系統(tǒng)的 初始投資和運行費用最省【鍆。除塵系統(tǒng)的管道設計的主要內(nèi)容管道材料的選取、管 道斷面形狀的選擇、管壁厚度確定、管道的布置、管道內(nèi)流速的選取、管道直徑 計算、管內(nèi)氣體流動的壓力損失計算、風壓平衡計算等。 3 4 1 管道材料的選擇 當含塵氣體在管道中流動時，尤其是當粉塵直徑較大、濃度較大、流速較高 2 7 重慶大學碩士學位論文 3 除塵系統(tǒng)設計 時，易對管道內(nèi)壁產(chǎn)生磨損，除塵管道磨損會造成系統(tǒng)漏風，影響塵源控制效果， 破壞除塵系統(tǒng)功能，甚至造成系統(tǒng)癱瘓。因此除塵管道尤其是彎頭、三通、變徑 管外彎側等最易磨損部件，常采用耐磨材料，如淬火耐磨鋼材、耐熱耐磨合金鋼、 碳化硅耐磨材料、c t 陶瓷復合鋼耐磨材料等。 由于本除塵系統(tǒng)中，除塵器布置在集氣罩口，管道中的氣體已經(jīng)過過濾除塵 處理，對管道磨損較小，因此除塵管道采用q 2 3 5 鋼板制作。 3 4 2 管道斷面形狀的選擇 常用的除塵管道斷面形狀有圓形和矩形兩種，兩者相比，在斷面面積相同時 圓形管道壓損較小，材料較省。圓形管道直徑較小時比較容易制作，便于保溫。 但圓形管道系統(tǒng)管件的放樣、加工較矩形管道困難。矩形管道不僅有效截面積小， 而且其四角的渦流是造成壓力損失、噪聲、振動的原因。因此，當管徑較小，管 內(nèi)流速較高時，大多采用圓形管道；當輸送高溫煙氣時，矩形管道的強度要比圓 形管道高，而且當管道斷面尺寸大時，為了充分利用建筑空間，通常采用矩形管 道。綜合比較，本除塵系統(tǒng)管道采用圓形斷面形狀。 3 4 3 管壁厚度的確定 對于不同的系統(tǒng)，由于其輸送的氣體性質(zhì)不同，并考慮到適用強度的要求， 必須選用不同厚度的鋼板制作。除塵管道常用的壁厚參考表3 2 選取。 表3 2 除塵管道壁厚吲 t a b l e3 2w a l lt h i c k n e s so f d u s tr e m o v i n gp l p e l i n e 本除塵系統(tǒng)管道直徑在3 0 0 , 一8 0 0 m m 之間( 詳見后文) ，且管道磨損較小，為 便于加工，所有管道均采用同一厚度，選取管壁厚度為4 m m 。 3 4 4 管內(nèi)流速的確定 管內(nèi)氣體流速的大小，對除塵系統(tǒng)的技術效果和經(jīng)濟效果影響很大，氣體流 速高，管道截面小，耗用材料少，制造費用少，但系統(tǒng)的壓損大( 成平方增長) ， 運轉(zhuǎn)費用高，對管道磨損大；氣體流速低，風道斷面大，耗用材料多，制造費用 大，且粉塵容易沉積滯留造成管道堵塞，但系統(tǒng)的壓損小，運轉(zhuǎn)費用低1 3 5 j 。因此 在除塵系統(tǒng)中，設計管道內(nèi)風速時，應充分考慮各種技術、經(jīng)濟因素，通常垂直 管道內(nèi)的氣體流速應小于水平和傾斜管道的氣速，水平和傾斜管道內(nèi)的氣速應大 于最大塵粒的懸浮速度。除塵管道內(nèi)的氣體流速可參考表3 3 選取。 重慶大學碩士學位論文3 除塵系統(tǒng)設計 由于管道內(nèi)氣體已經(jīng)過過濾，粉塵含量較低，因此可不必考慮粉塵沉積滯留 問題，從減少系統(tǒng)壓力損失的角度考慮，速度應按下限值選取，同時考慮到管道 在設備中的總體布置及管道制作的方便性，初選水平和垂直管道內(nèi)流速均為： 1 4 r n s 。 表3 3 除塵管道內(nèi)最低氣流速度【8 l t a b l e3 3m i n i m u ms t r e a mv e l o c i t yi nt h ed u s tr e m o v i n gp i p e l i n e 3 4 5 管道直徑計算方法 在管道計算中，實際風量應按工藝求得后再加上漏風量，由實際風量計算出管 道直徑。 翻= 繞( 1 + 廠) ( 3 8 ) 式中 琺一實際風量，朋3 h ； 蜴一計算風量，聊3 h ； f 漏風附加系數(shù)，一般選取1 0 一1 5 ，本系統(tǒng)按1 5 選取。 因此，在計算管道直徑時，三個集氣罩的排風量為 3 7 3 6 8 x ( 1 + 1 5 ) = 4 2 9 7 m 3 h 在已知流量和確定流速以后，管道直徑可按下式計算： 見= 式中 或一管道直徑，m ； q 一通過除塵管道的氣體量，m = k 一除塵管道風速，m s 為防止粉塵堵塞管道，除塵系統(tǒng)最小管徑如表3 4 所示。 ( 3 9 ) 重慶大學碩士學位論文3 除塵系統(tǒng)設計 表3 4 除塵系統(tǒng)最小管徑【6 l t a b l e3 4m i n i m u mp i p ed i a m e t e ro fd u s tr e m o v i n gs y s t e m 3 4 6 管道阻力計算方法 含塵氣體在管道中流動時，會產(chǎn)生含塵氣體和管壁摩擦而引起的摩擦阻力， 以及含塵氣體在經(jīng)過各種管道附件或設備而引起的局部阻力【3 6 1 。 管道摩擦阻力 在圓形管道中流動的氣體，其摩擦阻力損失為： 辨a 擊萼p 式中 a p ，氣體的管道摩擦阻力損失，p a ； a 摩擦阻力系數(shù)，按表3 5 選取， 卜管道長度，m ； p 氣體的密度，1 2 3 k g m 3 ( 3 1 0 ) 本設計中按o 1 選取； 表3 5 管壁摩擦系數(shù)【6 】 t a b l e3 5f r i c t i o nc o e f f i c i e n to f p i p ew a l l 局部阻力 當氣流流過斷面變化的管件( 如各種變徑管、風管進出口、閥門) 、流向變仇 的管件( 彎頭) 和流量變化的管件( 如三通、四通、風管的側面送、排風口) 匍 會產(chǎn)生局部阻力，局部阻力損失在管件形狀和流動狀態(tài)不變時正比于動壓，可描 下式計算： 瓴；考譬 局部阻力系數(shù)考是一個無量綱數(shù)，一般用實驗的方法確定。其數(shù)值的大小與男 重慶大學碩士學位論文3 除塵系統(tǒng)設計 形管件的結構、形狀及流體的流動狀態(tài)等因素有關。 3 4 7 除塵管網(wǎng)設計與壓力損失計算 除塵系統(tǒng)管網(wǎng)布置如圖3 8 所示，選取風壓平衡率最差的并聯(lián)環(huán)路1 2 3 4 5 為主環(huán)路。根據(jù)前文計算與分析，已確定三個集氣罩的排風量為4 2 9 7 朋3 h ，管內(nèi) 流速初選為1 4 m s 。通過公式3 7 ，可計算出管道直徑，然后參考全國通用通風 管道計算表，選取定型化、統(tǒng)一規(guī)格的基本管徑，以便于加工和配備閥門、法蘭， 并由實際管徑和風量反求出管道內(nèi)風速，將計算風速代入公式3 8 、3 9 計算出管 道的摩擦阻力和局部阻力，保證系統(tǒng)內(nèi)達到要求的風量分配，并為風機選擇提供 依據(jù)。除塵管網(wǎng)設計計算結果如表3 6 所示。 圖3 8 除塵管網(wǎng)示意圖 f i g3 8p i c t o r i a ld r a w i n go f d u s tr e m o v i n gp i p en e t w o r k 表3 6 除塵管網(wǎng)設計計算表 t a b l e3 6d e s i g n i n ga n dc a l c u l a t i n gt a b l eo f d u s tr e m o v i n gp i p en e t w o r k 3 4 8 管道阻力平衡校核 對于并聯(lián)管道，兩支管的風量是按工藝要求確定的，若兩支管的運行阻力不 3 l 重慶大學碩士學位論文3 + 除塵系統(tǒng)設計 等，當風機運行時，勢必導致風量重新分配，使工作時的風量與設計風量發(fā)生偏 差。在滿足設計風量的前提下，應盡可能使并聯(lián)支管的運行阻力相接近( 小于 1 0 ) ，若不滿足平衡要求，則需要對并聯(lián)管道進行阻力平衡調(diào)節(jié)。 對于并聯(lián)管道1 2 與6 2 ，阻力平衡率為： 2 4 8 - 2 3 5 6 ：5 1 0 3 5 5 6 顯然，阻力不平衡，需進行阻力平衡調(diào)節(jié)。工程上常用的除塵系統(tǒng)阻力平衡 方法有以下三種 s l ： 調(diào)整支管管徑 這種方法是通 , z - t 改變支管管徑來改變支管阻力， 徑按下式計算： 0 。2 2 5 達到平衡目的。調(diào)整后的管 ( 3 1 2 ) 式中 口一調(diào)整前的管徑，l l l r l l ； 及一調(diào)整后的管徑，r a i n ； 衄一原設計的壓力損失，只； 卸：一為了平衡阻力，要求所達到的壓力損失，只。 增大風量 當兩支管壓力相差不大時，可以不改變管徑，將阻力小的那段支管的流量適 當增大，以達到阻力平衡。增大后的風量按下式計算： 、o 5 q 2 = g 【璽】 ( 3 1 3 ) 式中 q 2 一調(diào)整后的排風量， g 一原設計的排風量， 采用這種方法會引起后面干管內(nèi)的流量相應增大，阻力也隨之增大；同時風 機的風量和風壓也會相應增大。 增加支管局部阻力 閥門調(diào)節(jié)是最常用的一種增加局部阻力的方法，它是通過改變閥門的開度， 來調(diào)節(jié)管道阻力的，這種方法簡單易行，不需要嚴格的計算，但需經(jīng)過反復的調(diào) 3 2 重慶大學碩士學位論文3 除塵系統(tǒng)設計 整、測試才能使各支管風量分配達到設計要求。 本論文采用增加支管局部阻力的方法來調(diào)節(jié)管道2 3 與7 3 的阻力平衡，在支 管7 3 上布置一蝶閥。 3 5 風機選擇與分析 風機選型是除塵設計的重要環(huán)節(jié)，不僅關系到除塵系統(tǒng)能否正常運行，而且 關系到運行管理和費用等一系列問題。通風除塵管網(wǎng)設計計算的目的就是根據(jù)生 產(chǎn)工藝的特點及管道配置，確定系統(tǒng)的總抽風量、管道尺寸及系統(tǒng)的總阻力，然 后選擇相匹配的風機。 3 5 1 風量計算 在確定管網(wǎng)抽風量的基礎上，考慮到風管、設備的漏風，選用風機的風量應 大于管網(wǎng)計算確定的風量。風機風量按下式計算： ( 3 1 4 ) 式中 q ，選擇風機時的計算風量，m 3 h ； q 一管網(wǎng)計算確定的總風量，m 3 h ； 屹一風量附加安全系數(shù)，一般管道系統(tǒng)取= 1 - 1 1 ，除塵系統(tǒng) = 1 1 一1 1 5 ，且除塵器漏風另加5 - - , 1 0 ，計算時，按 1 1 5 選取。 3 5 2 風壓計算 考慮到風機性能波動、管網(wǎng)阻力計算的不精確，選用風機的風壓應大于管網(wǎng) 計算確定的風壓( 管網(wǎng)運行阻力) ，按下式計算： 卸，= k p a p ( 3 1 5 ) 式中 印，一選擇風機時的計算風壓，只； p 一管網(wǎng)計算確定的風壓，； k 。風壓附加安全系數(shù)，一般管道系統(tǒng)取k ，= 1 1 1 1 5 ，除塵系統(tǒng) 。1 1 5 1 2 。 計算時，管網(wǎng)的計算風壓應等于除塵系統(tǒng)的主環(huán)路( 阻力最大環(huán)路) 的運行 總阻力，參考表3 6 ，a p = 4 3 8 9 o ；取足口- 1 2 ，代入上式，求得風壓為： 印，= 1 2 x 4 3 8 9 = 5 2 6 6 8 3 3 廳掰598，厶 = v2 q 瓢屹 = = g 重慶大學碩士學位論文3 除塵系統(tǒng)設計 3 5 3 風機選型 風機選型時，首先應根據(jù)輸送氣體的性質(zhì)，確定風機的類型。例如，輸送清 潔空氣，可選擇一般通風換氣用的風機：輸送腐蝕性氣體，要選用防腐風機；輸 送易燃氣體或含塵氣體，要選用防爆風機或排塵風機等。其次，應根據(jù)所需風量、 風壓和選定的風機類型，確定風機的機號，為便于接管和安裝，還要考慮合適的 風機出口方式和傳動方式。同時，在滿足風量和風壓的前提下，應盡可能選用噪 聲低、工作效率高的風機【y 7 1 。除塵系統(tǒng)常用風機性能見表3 7 。 表3 7 除塵常用風機性能表【6 】 t a b l e3 7p e r f o r m a