（机械电子工程专业论文）轻轨列车底部电器移动式除尘系统设计.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 轻轨列车在运行过程中，由于车轮与轨道间的摩擦会产生许多粉尘，这些粉 尘吸附在列车底部电器设备表面上会导致一些电气故障，所以必须定期进行清扫。 鉴于传统的轻轨列车底部电器吹扫工作是由人工手持喷枪在露天完成的，这种方 式的缺点在于产生环境污染和效率的低下，这就需要种专用除尘设备来为其定 期除尘，以确保轻轨列车安全稳定运行。本论文所研究和设计的移动式除尘设备 就是用于重庆轻轨3 号线车辆底部电器除尘的专用设备。 论文首先利用功能分析法，站在系统的高度，对移动式除尘设备的原理方案 进行了系统的分析，确定了设备的总体方案。除尘系统：设备自带空气压缩机提 供吹扫气源，吹扫产生的含尘气体经过滤器净化处理后无污染排放；移动平台： 采用轨道一车轮走行方式，驱动装置采用三合一( 电机、减速器、制动器) 减速 电机，与主动轮轴采用空心轴装式连接，驱动电机采用变频调速；馈电系统：采 用地沟布置安全滑触线供电。其次，本论文对除尘系统及移动平台作了详细的分 析与设计。 除尘系统是整个移动式除尘设备的核心部分。论文在分析吹扫气流运动规律、 空气过滤机理、吸入气流运动规律的基础上，重点对除尘系统的设计计算进行了 详细介绍，主要包括吹扫空气耗量计算、除尘器的分析与设计、集气罩的设计与 计算、管网的设计与计算、风机的选择与分析、电机的配置等。 论文采用类比设计方法，参照桥式起重机的原理方案及结构布置，完成了移 动平台的设计，其主要内容包括车轮的设计、轨道的选型安装、运行阻力分析与 计算、驱动电机的计算选型等。 关键词：轻轨，移动，除尘，设计 重庆大学硕士学位论文 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 觞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 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的皿士学位论文褒鳓通悻庭绰越翻擎滥甜缘虹弛扣盈牛一 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名：蔼淘燕签字日期：d 1 - 6 - s 导师签名： 辩醐枷r 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以下简称“章 程) ，愿意将本人的及士学位论文轻划辣犁卿却剃系拶提交中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c i w k i 中国知识资源总库，在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名： 箍壹蒸 导师签名： 备注：审核通过的涉密论文不得签署_ 授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书2 磁装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕士学位论文l 绪 论 1绪论 1 1 本课题背景及国内外现状 轻轨交通始于上世纪7 0 年代欧洲一些城市对旧式有轨电车的改造，并在随后 的几十年中逐步发展为一种成熟的轨道交通系统。与传统的道路交通相比，轻轨 交通具有运载量大( 单向输送能力每小时可达4 万人) 、速度快( 平均时速可达2 5 公里到3 5 公里，最高可达8 0 公里，为公共汽车平均时速的2 3 倍) 、污染轻( 以 电力组为动力) 、能耗低( 入均能耗为道路交通的1 5 到4 0 ) 、占地少( 不足道 路交通占地的1 3 ) 等优点，同时，由于轻轨交通一般处于封闭或半封闭状态，有 自己的专用车道和专用信号，不受市内道路交通的干扰，可以准点运行。同地铁 相比，轻轨交通具有投资少、建设周期短、运营灵活、适应性强及利于保护环境 景观等优点【。可见，轻轨交通综合了多种交通系统的优点，有效填补了轨道交通 单向小时客运能力l q 万人的空缺，成为城市公交系统重要的组成部分，尤其是 进入2 0 世纪8 0 年代以后，城市轻轨交通得到了前所未有的飞速发展 2 1 。 目前，全世界大约有3 6 0 个轻轨系统在运营，其中大部分分布在欧洲、北美 和日本。前西德、法国、英国等国家从7 0 年代开始就通过建隧道、购买大容量车 辆等与其他运输模式结合，使旧轻轨系统升级成完整的轻轨运输系统，并且在法 国巴黎、南特市，英国曼彻斯特市开通了新轻轨系统。7 0 年代后，荷兰政府把轻 轨运输视为解决连接城市中心到郊区小卫星城镇运输需要的重要措施。美国在 1 9 8 0 年到1 9 9 2 年间轻轨系统数量成倍增长，由7 个增加到1 4 个。日本的情况和 美国、西欧比较相似，大部分轻轨都源于改造的有轨电车线，并于1 9 9 7 年开始采 用德国生产的低地板轻轨车辆技术【3 j 。 当前，随着我国工业化和城市化进程的不断加快，交通问题成为制约我国城 市发展的严重问题。我国1 0 0 万人口以上的大城市已达3 4 个，而5 0 1 0 0 万人口 之间的城市也达到4 3 个【4 】。城市人口密度高，大量的人口和产业活动集中在狭小 的市中心区域，机动车、非机动车、行人形成的混合交通造成了堵塞和拥挤现象。 特别是城市交叉口处，机动车速度慢，通行能力低，污染大，加上交通建设滞后， 交通管理不善，严重地制约了我国的经济发展。为缓解交通拥挤状况，许多大中 城市均在规划、建设或已建成自己的城市轻轨交通，如武汉高架城市快速轨道线， 长春地面一高架城轨线，上海明珠线，沈阳、大连、昆明等城市轻轨运输线等。 预计到2 0 1 0 年，我国将建成轻轨线路约4 5 0 公里；到2 0 2 0 年，我国将建成轻轨 线路约9 0 0 公里；到2 0 5 0 年前，有线路3 0 0 余条，将全部建成约4 5 0 0 公里的轻 轨线路【5 】。统计数据表明，我国国内潜在着巨大的轻轨车辆市场。 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 作为中国西部最大的工农业城市和水陆交通枢纽，重庆市有人口3 0 0 0 余万， 是西部人口最密集区域。2 0 0 2 年，主城区居民日出行总量9 1 6 万人次，预测2 0 2 0 年居民日出行总量将达2 0 0 3 万人次，超过2 0 0 2 年的两倍。城市交通形势极其严 峻，建设现代化都市快速轨道交通迫在眉睫。为适应西部大开发和加快城市化进 程的需要，满足社会、经济发展和市民出行的需求，根据重庆主城区两江环抱、 山高坡陡、道路曲折的特殊地理环境，多中心组团式城市结构特点，重庆市已规 划用2 0 年时间，建设3 0 0 公里轨道交通线路，形成覆盖中心城区衔接主城区各外 围组团的快速轨道交通网络，规划建设好6 0 个交通枢纽，带动周边区域开发建设， 为6 0 0 万以上城市人口提供方便快捷舒适的服务，推动城市化进程。 目前在建的重庆轻轨交通三号线为南北方向的轨道交通干线，采用跨座式单 轨交通系统。该系统采用混凝土轨道梁，线路平顺；机车车辆采用分散动力型电 动车组，线路设计负荷轴重1 1 吨，相比其它轨道，轴重最轻；车辆每个转向架装 有走行、导向、稳定三种4 对橡胶车轮，从三个方向“抱住”轨道梁，不会发生脱轨、 翻车等事故，抵抗大风、地震、水涝等自然灾害能力强，安全程度高。项目建成 后将与已开通运营的轨道交通二号线形成“十”字型的轨道交通骨架，由南向北沿客 运交通走廊将主城区的巴南区、南岸区、渝中区、江北区、北部新城区衔接起来， 并将重庆市的行政、经济、文化中心与城市副中心、公共活动区和居住区紧密连 接在一起，充分发挥了轨道交通容量大、速度快的优势，有效地缓解城市交通困 难的矛盾。同时，三号线的建设将对提高轨道交通的运行效率、吸引客流、促进 城市经济发展、改善公共交通环境、提高社会效益发挥重大作用。 纵观国外轻轨车辆的技术发展，我国轻轨车辆的研制工作尚处于起步阶段， 众多配套设备尚未形成标准化、系列化，加之轻轨交通系统的多样化及运行环境 的差异性，即使是在轻轨发展较长时间的欧美日发达国家，市场上的现成通用设 备几乎没有。因此，借鉴国内外已有的相似设备的设计制造经验，设计符合自身 要求和特点的轻轨配套设备是比较经济有效的方法。本论文所研究的移动式除尘 设备正是在重庆轻轨交通蓬勃发展的背景下提出的，用于对重庆轻轨交通三号线 运行轻轨车辆下部两侧的车底设备进行除尘，主要任务就是根据重庆轻轨交通建 设的实际情况和自身特点来完成轻轨列车移动式除尘设备的设计工作。 1 2 除尘技术简介 粉尘是由自然力或机械力产生的，能够悬浮于空气中的固体细小微粒。国际 上将粒径小于7 5 p 聊的固体悬浮物定义为粉尘。在除尘技术中，一般将1 - - 2 0 0 a m 乃 至更大颗粒的固体悬浮物均视为粉尘【6 。各类除尘技术的原理主要是以作用力为 理论基础，常用除尘技术包括：机械除尘技术、过滤除尘技术、静电除尘技术、 2 重庆大学硕士学位论文l 绪 论 湿式除尘技术。 1 2 1 机械除尘技术 机械式除尘器是利用质量力( 如重力、惯性力、离心力等) 的作用使含尘气 流中的尘粒与气流分离并被捕集的除尘装置。 重力除尘器 重力除尘器是利用粉尘与气体的比重不同的原理，使扬尘靠本身的重力从气 体中自然沉降下来的净化设备，通常称为沉降室。当含尘气体通过管道的扩大部 分( 重力沉降室) ，流速大大降低，较大尘粒即在重力作用下沉降下来。为避免气流 旋涡将已沉降尘粒带起，常在沉降室加挡板。 惯性除尘器 惯性除尘器是利用粉尘与气体在运动中惯性力的不同，将粉尘从气体中分离 出来。一般都是在含尘气流的前方设置某种形式的障碍物，使气流的方向急剧改 变。此时粉尘由于惯性力比气体大得多，尘粒便脱离气流而被分离出来，得到净 化的气体在急剧改变方向后排出。 旋风除尘器 旋风除尘器是利用气流在旋涡运动中产生的离心力以清除气流中尘粒的设 备。含尘气体从入口导入除尘器的外壳和排气管之间，形成旋转向下的外旋流。 悬浮于外旋流的粉尘在离心力的作用下移向器壁，并随外旋流转到除尘器下部， 由排尘孔排出。净化后的气体形成上升的内旋流并经过排气管排出。 1 2 2 过滤除尘技术 过滤式除尘器，又称过滤器，是使含尘气体通过过滤材料将粉尘分离捕集的 装置【8 】o 有内部过滤和表面过滤两种方式。所谓内部过滤是把松散多孔的滤料如玻 璃纤维、金属绒、硅砂和煤粒等以一定体积填充在框架或容器内作为过滤层，对 含尘气体进行净化，尘粒是在过滤材料内部进行捕集的。而表面过滤是采用织物 如纤维布料、非纺织毛毡或滤纸等较薄的滤料，将最初黏附在表面的粉尘层作为 过滤层，将含尘气体中的粉尘粒子滤去，这些粉尘粒子是被阻挡在滤料的表面上 的。 粉尘经滤料被过滤分离所受到的力在各种除尘技术中是最复杂的，尽管有许 多过滤分离的表达方程式，但不足以定量表示符合实际结果的除尘效率、过滤阻 力等各种因果关系。因此过滤除尘技术是一种科学和实践经验完美结合的产物。 过滤除尘机理将在后文详细介绍。 1 2 3 静电除尘技术 静电除尘器的工作原理：利用强电场使含尘气体发生电离，由于气体中的粉 尘也带有电荷，可以通过除尘器中设置的正负电极板的吸附作用，达到将空气和 3 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 尘粒分离的目的。除尘器的电极形式有平板式和管式两种，通常负极称放电极， 正极称集尘极( 或沉降极) 。如管式静电除尘器把2 2 0 伏( 或3 8 0 伏) 的交流电经过升 压整流装置，变为3 6 万伏左右的高压直流电，绝缘进入电晕线，圆筒壁为集尘 极，由导线接地，电晕线和圆筒壁之间形成静电场，电晕线周围空气产生电离， 形成大量负离子和电子，向集尘极运动。含尘气体从除尘器进口处进入除尘器， 不带电的尘粒和负离子结合，带上负电，运动到集尘极后失去电荷成中性，通过 振动等沿集尘极落入灰斗。净化后的气体，从除尘器出口处排出。静电除尘的作 用机理可分为电晕放电、粒子荷电、尘粒收集和清灰四个环节【朗。 电晕放电 将充分高的直流电压施加到一对电极上，其中一个极是细导线或具有曲率半 径很小的任意形状，另一极是管状或板状的，则电场强度在导线表面附近特别强， 并随离开导线的距离增大而迅速减弱。在导线表面附近这种具有强电场的空间内， 原有的微量自由电子将被加速到某一很高的速度，并足以通过碰撞使中性气体分 子释放出外层电子，而电离成为新的自由电子和正离子。这些被激发出来的自由 电子接着又被加速到某一很高的速度，又进一步引起气体分子的碰撞电离。这种 过程在极短的瞬间又重复了无数次，于是在放电极表面附近产生了大量的自由电 子和正离子。这就是气体的电离过程。 由于在气体的电离过程中，在放电极周围往往显露出明亮的光晕，同时发出 轻微的丝丝气体爆裂声，所以称为电晕放电。 粒子荷电 根据电荷“异性相吸，同性相斥”的原理，在气体电离后，大量的自由电子和正 负离子会向异极运动。在运动过程中，它们与含尘气流中的尘粒相碰撞而吸附其 上，使得尘粒带电。 尘粒收集 尘粒收集的过程就是带点粒子在电场中加速运动的过程，带负电荷粒子向阳 极板运动，带正电荷粒子向阴极线运动。 清灰 在电场力的作用下阴极线和阳极板上都会有粉尘沉积，如果不及时清灰，粉 尘层厚度可达几毫米，甚至几厘米。粉尘沉积在阴极线上，会影响电晕放电；阳 极板上集尘过多，会影响荷电粒子的驱动速度，对于高比电阻粉尘还会引起反电 晕。因此，及时清灰是维持静电除尘器高效运行的重要条件。通常采用重锤冲击 振打或电磁装置抖动的方式，使极板上的灰尘振落或抖落掉入灰斗中。 1 2 4 湿式除尘技术 湿式除尘器是利用水或其它液体与含尘气体的作用去除粉尘的设备，尘粒与 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 喷洒的水滴、水膜或湿润的器壁、器件相遇时，发生润湿、凝聚、扩散沉降等过 程，因而从气体中分离出来，达到净化气体的目的。在湿式除尘器中，气体与液 体的接触有两种方法，一种是气体与水膜或已被雾化了的水滴接触，如文氏管除 尘器、水膜除尘器、喷淋式除尘器等；另一种是气体冲击水层时鼓泡，以形成细 小的水滴或水膜，如冲击式除尘器、自激式除尘器等。用湿式除尘工作时大致有 以下几种机理【9 j 。 惯性碰撞 气流在运动过程中如果遇到水滴会改变方向，绕过水滴进行流动，运动轨迹 由直线变为曲线，其中细小的尘粒随气流一起绕流，粒径较大和重度较大的尘粒 具有较大的惯性，便脱离气流的流线保持直线运动，从而与水滴相撞。 扩散效应 对粒径在o 3j l l 加以下的尘粒，在气体分子的撞击下，微粒像气体分子一样， 做复杂的布朗运动，在运动过程中，尘粒和水滴接触而被捕集。 粘附效应 当粉尘粒径的半径大于粉尘中心到水滴边缘的距离时，则粉尘被水滴粘附而 被捕集。 凝集效应 凝集有两种情况，一种是以微小尘粒为凝结核，由于水蒸气的凝结使微小尘 粒凝集增大；另一种是由于扩散漂移的综合作用，使尘粒向液滴移动凝结增大， 增大后的尘粒通过惯性的作用加以捕集。 1 3 课题研究的目的和意义 轻轨的建成为城市环境面貌改善和交通的发展起到了巨大作用，它作为一种 环保、客运量大的新型轨道交通工具，首先要保证安全高速地运行。然而轻轨列 车在高速运行过程中，由于摩擦等原因会产生许多粉尘，而这些粉尘的比电阻都 不高，又由于粉尘的尘粒荷电性，吸水性，很容易使粉尘在轻轨列车底部的牵引 电机、配电箱等电器设备的周围凝集沉降，从而减少了电气距离，破坏了电器设 备的绝缘强度、在线路过电压或电气操作过程中极易造成电气击穿短路事故。同 时，粉尘堆集存于电气开关的触头之间、电磁铁芯之间会造成电气开关接触不良 故障，粉尘还会造成电器设备散热性能降低，具有较大的危害性，因此需要一种 移动式除尘设备来为其定期除尘，以确保轻轨列车安全稳定地运行。 该设备的研制，不但能够解决重庆轻轨建设的实际问题，而且对于实现装备 国产化，节约外汇都具有重要意义。我国轻轨交通建设正迅速发展，本课题研制 的移动式除尘设备对今后轻轨除尘装置的设计研究有一定的借鉴和指导作用。 5 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 4 本论文主要研究内容 移动式除尘系统原理方案设计 论文在采用黑箱法抽象出移动式除尘设备的总功能后，通过功能树对总功能 进行分解，并分别对各功能元求解，得到移动式除尘设备的原理方案解( 用形态 矩阵表示) ，通过对各原理方案解的分析和比较，确定出系统的最佳原理方案。 除尘系统设计 论文在分析吹扫气流运动规律，空气过滤机理、吸入气流运动规律的基础上， 对除尘系统的设计计算进行了详细介绍。 移动平台设计 论文采用类比设计方法，参照桥式起重机的原理方案及结构布置，完成了移 动平台的设计。 供电系统设计 论文分析了安全滑触线供电原理，完成了安全滑触线计算选型以及地沟安装 布置设计。 6 重庆大学硕士学位论文 2 原理方案设计 2 原理方案设计 2 1 移动式除尘设备设计基础 2 1 1 设置地点及工艺布置 移动式除尘设备设置于车辆段月检库车辆吹扫线，一套两台相同的除尘设备， 对置于轨道梁的两侧。其工艺布置如图2 1 所示。 1 轻轨列车2 列车侧腹板3 移动式除尘设备4 钢轨5 p c 轨道梁 图2 1 工艺布置立面图 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 除尘时，列车下部腹板向上翻起，两台除尘设备行至其下工作。其面对车体 的一侧有压缩空气喷射装置及吸尘窗口。使用中，吹扫产生的粉尘即被吸入本台 除尘设备的吸尘窗口。吸入的含尘空气经吸尘器集尘处理后，清洁空气由排风机 经除尘设备另一侧的排气窗口排出机箱外。设备沿轨道运行，以实现对列车全长 除尘。 2 1 2 主要功能 设备应具备以下功能： 压缩空气吹扫； 集尘与除尘； 自行走，有导向功能。 7 重庆大学硕士学位论文 2 原理方案设计 2 1 3 工作条件 室内使用； 海拔高度： 1 0 0 0 m ； 环境温度：0 , 4 3 c ； 环境最大相对湿度： 0 5 时，可按点汇规律计算吸气区内流速分布；当x d o o 5 时，流速分布可按下列经验公式计算。 圆形罩口轴线上的流速分布为： 矩形罩口轴线上的流速分布为： 式中 1 l d 一吸气口平均流速，毗； ( 3 4 ) 商 重庆大学硕士学位论文 3 除尘系统设计 1 ，距吸气口距离为x 处的流速，m s ： x 一吸气区某点到吸气口的距离，m ； 4 一吸气口的横截面积，彤2 ； 口0 矩形吸气口的长边，m ； 玩一矩形吸气口的短边，m 。 3 3 2 集气罩设计 由于受工艺条件限制，无法对污染源进行密闭，因此采用侧吸罩的集尘方案， 如图3 6 所示，罩口为矩形吸气口，长度为1 2 m ，宽度为0 4 m 。为确保集尘效果， 在集气罩的设计和布置方面采取了如下措施： 为了有效地控制和捕集粉尘，尽可能使集气罩的罩口靠近扬尘点，以使所 有的扬尘点都处于必要的风速控制范围之内，同时考虑到不妨碍人员对设备的正 常操作，设置罩口离尘源的距离为0 5 m ； 为减少吸气范围，在集气罩左右两侧设置挡板，与上部的侧翻板及下部设 备的操作平台尽量形成一个密闭区域，减小风量的损失。 考虑到两挡板之间的吸尘区域较大，为获得均匀的罩口气流，布置3 个集 气窗口。 ； ，墨 、1 l量l t 。 芦 ， 一，j 一弋 1 重庆大学硕士学位论文3 除尘系统设计 污染物从污染源散发出来以后都具有一定的扩散速度，该速度随污染物扩散 而逐渐减小，当扩散速度减小到零的位置称为控制点。控制点处的污染物较容易 被吸走，集气罩能吸走控制点处污染物的最小吸气速度称为控制速度，控制点距 离罩口的距离称为控制距离，如图3 7 所示。 图3 7 控制点与控制风速【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 在工程设计中，应首先根据工艺设备及操作要求，确定吸气罩形状及尺寸， 由此确定罩口面积4 ；其次根据控制要求安排罩口与污染源的相对位置，确定罩 口几何中心与控制点的距离x 。当确定了控制速度也后，即可根据各种外部罩风量 计算公式计算排风量或者根据不同形式集气罩口的气流衰减规律，求得罩口上的 气流速度v 0 ，用以乘以v 0 即可求得集气罩的排风量。 流量比法 其基本思路是，把集气罩的排风量q 看作是污染气流量q 和从罩口周围吸入 罩内空气量q 之和，即： q = 9 + q 2 2 q ( 1 + k ) ( 3 5 ) 式中k - _ q q i ，称为流量比。显然，k 值越大，污染物越不容易溢出罩外， 但集气罩的排风量q 也随之增大。考虑到设计的经济合理性，把能保证污染物不 溢出罩外的最小k 值称为临界流量比，用鼠表示。 k = ( 骇q ) 。佃 ( 3 6 ) 鼠与污染源和集气罩的相对尺寸有关，其计算公式需要经过实验研究求出。 这样，确定了污染气流量及临界流量比之后，便可计算出集气罩所需排风量。 本设计中，由于喷枪吹起的粉尘量无法确定，因此采用控制速度法来计算排 风量。 控制风速是指正好克服该尘源散发粉尘的扩散力再加上适当的安全系数的风 速。只有当吸尘罩在该尘源点造成的风速大于吸捕速度时，才能使粉尘吸入到罩 内。控制速度不仅同工艺设备类别及污染物散发条件有关，也同污染物的危害程 重庆大学硕士学位论文 3 除尘系统设计 度，以及周围干扰气流的情况有关，考虑到移动式除尘设备为室内使用，周围干 扰气流小，对粉尘控制较为有利，且粉尘无毒性，因此在选取集气罩控制风速时 着重考虑考虑粉尘的散发条件，参考表3 1 选取。 表3 1 最小控制风速【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 由于压缩空气的吹扫，粉尘脱离电器表面时，具有较高的运动速度，但除尘 区域具有较好的密闭性能，因此综合考虑，选取控制风速为0 8 m s 。 则单个集气罩所需排风量为： 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 控制距离，m ； 以单个集气罩面积，m 2 ； 1 ，控制风速，m s 。 则除尘系统总的排风量为：q - - 3q o = 1 1 2 1 0 所3 h 3 4 除尘管网系统设计 除尘系统各组成部分离不开管道的连接。管道设计计算的目的是：使系统的 初始投资和运行费用最省【钔。除尘系统的管道设计的主要内容管道材料的选取、管 道断面形状的选择、管壁厚度确定、管道的布置、管道内流速的选取、管道直径 计算、管内气体流动的压力损失计算、风压平衡计算等。 3 4 1 管道材料的选择 当含尘气体在管道中流动时，尤其是当粉尘直径较大、浓度较大、流速较高 2 7 重庆大学硕士学位论文 3 除尘系统设计 时，易对管道内壁产生磨损，除尘管道磨损会造成系统漏风，影响尘源控制效果， 破坏除尘系统功能，甚至造成系统瘫痪。因此除尘管道尤其是弯头、三通、变径 管外弯侧等最易磨损部件，常采用耐磨材料，如淬火耐磨钢材、耐热耐磨合金钢、 碳化硅耐磨材料、c t 陶瓷复合钢耐磨材料等。 由于本除尘系统中，除尘器布置在集气罩口，管道中的气体已经过过滤除尘 处理，对管道磨损较小，因此除尘管道采用q 2 3 5 钢板制作。 3 4 2 管道断面形状的选择 常用的除尘管道断面形状有圆形和矩形两种，两者相比，在断面面积相同时 圆形管道压损较小，材料较省。圆形管道直径较小时比较容易制作，便于保温。 但圆形管道系统管件的放样、加工较矩形管道困难。矩形管道不仅有效截面积小， 而且其四角的涡流是造成压力损失、噪声、振动的原因。因此，当管径较小，管 内流速较高时，大多采用圆形管道；当输送高温烟气时，矩形管道的强度要比圆 形管道高，而且当管道断面尺寸大时，为了充分利用建筑空间，通常采用矩形管 道。综合比较，本除尘系统管道采用圆形断面形状。 3 4 3 管壁厚度的确定 对于不同的系统，由于其输送的气体性质不同，并考虑到适用强度的要求， 必须选用不同厚度的钢板制作。除尘管道常用的壁厚参考表3 2 选取。 表3 2 除尘管道壁厚吲 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 本除尘系统管道直径在3 0 0 , 一8 0 0 m m 之间( 详见后文) ，且管道磨损较小，为 便于加工，所有管道均采用同一厚度，选取管壁厚度为4 m m 。 3 4 4 管内流速的确定 管内气体流速的大小，对除尘系统的技术效果和经济效果影响很大，气体流 速高，管道截面小，耗用材料少，制造费用少，但系统的压损大( 成平方增长) ， 运转费用高，对管道磨损大；气体流速低，风道断面大，耗用材料多，制造费用 大，且粉尘容易沉积滞留造成管道堵塞，但系统的压损小，运转费用低1 3 5 j 。因此 在除尘系统中，设计管道内风速时，应充分考虑各种技术、经济因素，通常垂直 管道内的气体流速应小于水平和倾斜管道的气速，水平和倾斜管道内的气速应大 于最大尘粒的悬浮速度。除尘管道内的气体流速可参考表3 3 选取。 重庆大学硕士学位论文3 除尘系统设计 由于管道内气体已经过过滤，粉尘含量较低，因此可不必考虑粉尘沉积滞留 问题，从减少系统压力损失的角度考虑，速度应按下限值选取，同时考虑到管道 在设备中的总体布置及管道制作的方便性，初选水平和垂直管道内流速均为： 1 4 r n s 。 表3 3 除尘管道内最低气流速度【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 管道直径计算方法 在管道计算中，实际风量应按工艺求得后再加上漏风量，由实际风量计算出管 道直径。 翻= 绕( 1 + 厂) ( 3 8 ) 式中 珐一实际风量，朋3 h ； 蜴一计算风量，聊3 h ； f 漏风附加系数，一般选取1 0 一1 5 ，本系统按1 5 选取。 因此，在计算管道直径时，三个集气罩的排风量为 3 7 3 6 8 x ( 1 + 1 5 ) = 4 2 9 7 m 3 h 在已知流量和确定流速以后，管道直径可按下式计算： 见= 式中 或一管道直径，m ； q 一通过除尘管道的气体量，m = k 一除尘管道风速，m s 为防止粉尘堵塞管道，除尘系统最小管径如表3 4 所示。 ( 3 9 ) 重庆大学硕士学位论文3 除尘系统设计 表3 4 除尘系统最小管径【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 管道阻力计算方法 含尘气体在管道中流动时，会产生含尘气体和管壁摩擦而引起的摩擦阻力， 以及含尘气体在经过各种管道附件或设备而引起的局部阻力【3 6 1 。 管道摩擦阻力 在圆形管道中流动的气体，其摩擦阻力损失为： 辨a 击萼p 式中 a p ，气体的管道摩擦阻力损失，p a ； a 摩擦阻力系数，按表3 5 选取， 卜管道长度，m ； p 气体的密度，1 2 3 k g m 3 ( 3 1 0 ) 本设计中按o 1 选取； 表3 5 管壁摩擦系数【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 当气流流过断面变化的管件( 如各种变径管、风管进出口、阀门) 、流向变仇 的管件( 弯头) 和流量变化的管件( 如三通、四通、风管的侧面送、排风口) 匍 会产生局部阻力，局部阻力损失在管件形状和流动状态不变时正比于动压，可描 下式计算： 瓴；考譬 局部阻力系数考是一个无量纲数，一般用实验的方法确定。其数值的大小与男 重庆大学硕士学位论文3 除尘系统设计 形管件的结构、形状及流体的流动状态等因素有关。 3 4 7 除尘管网设计与压力损失计算 除尘系统管网布置如图3 8 所示，选取风压平衡率最差的并联环路1 2 3 4 5 为主环路。根据前文计算与分析，已确定三个集气罩的排风量为4 2 9 7 朋3 h ，管内 流速初选为1 4 m s 。通过公式3 7 ，可计算出管道直径，然后参考全国通用通风 管道计算表，选取定型化、统一规格的基本管径，以便于加工和配备阀门、法兰， 并由实际管径和风量反求出管道内风速，将计算风速代入公式3 8 、3 9 计算出管 道的摩擦阻力和局部阻力，保证系统内达到要求的风量分配，并为风机选择提供 依据。除尘管网设计计算结果如表3 6 所示。 图3 8 除尘管网示意图 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 除尘管网设计计算表 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 对于并联管道，两支管的风量是按工艺要求确定的，若两支管的运行阻力不 3 l 重庆大学硕士学位论文3 + 除尘系统设计 等，当风机运行时，势必导致风量重新分配，使工作时的风量与设计风量发生偏 差。在满足设计风量的前提下，应尽可能使并联支管的运行阻力相接近( 小于 1 0 ) ，若不满足平衡要求，则需要对并联管道进行阻力平衡调节。 对于并联管道1 2 与6 2 ，阻力平衡率为： 2 4 8 - 2 3 5 6 ：5 1 0 3 5 5 6 显然，阻力不平衡，需进行阻力平衡调节。工程上常用的除尘系统阻力平衡 方法有以下三种 s l ： 调整支管管径 这种方法是通 , z - t 改变支管管径来改变支管阻力， 径按下式计算： 0 。2 2 5 达到平衡目的。调整后的管 ( 3 1 2 ) 式中 口一调整前的管径，l l l r l l ； 及一调整后的管径，r a i n ； 衄一原设计的压力损失，只； 卸：一为了平衡阻力，要求所达到的压力损失，只。 增大风量 当两支管压力相差不大时，可以不改变管径，将阻力小的那段支管的流量适 当增大，以达到阻力平衡。增大后的风量按下式计算： 、o 5 q 2 = g 【玺】 ( 3 1 3 ) 式中 q 2 一调整后的排风量， g 一原设计的排风量， 采用这种方法会引起后面干管内的流量相应增大，阻力也随之增大；同时风 机的风量和风压也会相应增大。 增加支管局部阻力 阀门调节是最常用的一种增加局部阻力的方法，它是通过改变阀门的开度， 来调节管道阻力的，这种方法简单易行，不需要严格的计算，但需经过反复的调 3 2 重庆大学硕士学位论文3 除尘系统设计 整、测试才能使各支管风量分配达到设计要求。 本论文采用增加支管局部阻力的方法来调节管道2 3 与7 3 的阻力平衡，在支 管7 3 上布置一蝶阀。 3 5 风机选择与分析 风机选型是除尘设计的重要环节，不仅关系到除尘系统能否正常运行，而且 关系到运行管理和费用等一系列问题。通风除尘管网设计计算的目的就是根据生 产工艺的特点及管道配置，确定系统的总抽风量、管道尺寸及系统的总阻力，然 后选择相匹配的风机。 3 5 1 风量计算 在确定管网抽风量的基础上，考虑到风管、设备的漏风，选用风机的风量应 大于管网计算确定的风量。风机风量按下式计算： ( 3 1 4 ) 式中 q ，选择风机时的计算风量，m 3 h ； q 一管网计算确定的总风量，m 3 h ； 屹一风量附加安全系数，一般管道系统取= 1 - 1 1 ，除尘系统 = 1 1 一1 1 5 ，且除尘器漏风另加5 - - , 1 0 ，计算时，按 1 1 5 选取。 3 5 2 风压计算 考虑到风机性能波动、管网阻力计算的不精确，选用风机的风压应大于管网 计算确定的风压( 管网运行阻力) ，按下式计算： 卸，= k p a p ( 3 1 5 ) 式中 印，一选择风机时的计算风压，只； p 一管网计算确定的风压，； k 。风压附加安全系数，一般管道系统取k ，= 1 1 1 1 5 ，除尘系统 。1 1 5 1 2 。 计算时，管网的计算风压应等于除尘系统的主环路( 阻力最大环路) 的运行 总阻力，参考表3 6 ，a p = 4 3 8 9 o ；取足口- 1 2 ，代入上式，求得风压为： 印，= 1 2 x 4 3 8 9 = 5 2 6 6 8 3 3 厅掰598，厶 = v2 q 瓢屹 = = g 重庆大学硕士学位论文3 除尘系统设计 3 5 3 风机选型 风机选型时，首先应根据输送气体的性质，确定风机的类型。例如，输送清 洁空气，可选择一般通风换气用的风机：输送腐蚀性气体，要选用防腐风机；输 送易燃气体或含尘气体，要选用防爆风机或排尘风机等。其次，应根据所需风量、 风压和选定的风机类型，确定风机的机号，为便于接管和安装，还要考虑合适的 风机出口方式和传动方式。同时，在满足风量和风压的前提下，应尽可能选用噪 声低、工作效率高的风机【y 7 1 。除尘系统常用风机性能见表3 7 。 表3 7 除尘常用风机性能表【6 】 t a b l e3 7p e r f o r m a