研制机车车辆通风用新型空气过滤器

随着新一代干线机车技术含量和技术要求的逐步提高，尤其是大功率电力机车和高速动车组的引进，机车车辆对通风系统的要求越来越高。传统的空气过滤器过滤效率低、通风阻力大、容尘能力小、无自净能力，且需要频繁清洗或更换，给维护保养造成很多困难，特别是西北风沙较大地区，这一现象尤为突出。针对这些问题，经过多次试验研究，我公司研制出一种用于车体通风的新型机械离心沉淀式过滤器(以下简称FSAM过滤器)。

    1 目前铁路机车车体通风存在的问题

    我国机车车体通风用过滤器主要有以下几种形式:毛棕网+无纺布、防静电多层不锈钢丝网、瓦棱窗百叶窗(也称VV格百叶窗)，其中主型内燃机车多用第2种，主型电力机车多采用第3种过滤器。在实际运用过程中存在以下问题:

    1)多层不锈钢丝网和毛棕网的过滤原理非常类似，属于碰撞式过滤器，它由3层或4层经过防静电处理的不锈钢丝网纵横编织而成，虽然在丝网和丝网之间留有一定的间隙作为集尘区来收集粉尘，但实际集尘效果并不好。这种过滤器初期阻力比较小，但由于缺乏较强的粉尘自净能力，因此，随着储灰量的增加，纤维间隙越来越小，阻力也越来越大，如不及时清洗就会完全堵死。

    2)瓦楞窗百叶窗是国内电力机车车体通风常用的一种简易挡板式空气过滤器，如图1所示。这种过滤器是由2排相同形状、相同间距的V型型材交错互扣组成，风从百叶窗进人，通过通道内气流方向的改变，在离心作用下，造成粉尘、雨水与气流分离，起到过滤作用。但由于通道内气流突然变向，也会造成过滤器阻力值增高;再者，内部的空气通道很短，使得粉尘、雨水不能和气流充分分离，致使过滤效率比较低;而且由于V型档板为半敞开式，过滤器内的粉尘和雨水在沉降过程中，很容易被过滤后的气流重新带走，造成二次污染，使得过滤器过滤效率更低。

    2.FSAM空气滤清器

    研制和生产新型过滤器，要从两个方面进行考虑，一是过滤器的材料，二是结构形式，使过滤器具有重量轻、过滤效果好、通风阻力小、噪声低、自净、免维护等优点。传统的毛毡类、板网类、滤纸类过滤器，其滤清机理都是通过密集的纤维间隙或油的粘附作用进行过滤，随着容尘量的增加其阻力逐渐增大，当阻力达到一定数值时，就需进行清洗或更换了。要想使过滤器具有自净、免维护的
特点，只有离心式沉淀过滤器(FSAM过滤器)才能够很好地满足此要求，它通过一定的离心作用使粉尘、雨水和气流分离，并且能够迅速被沉降收集后通过排尘口排出。

.1 FsAM过滤器结构和原理

    2.1.1 结构

    FSAM过滤器材料采用铝合金结构，芯子的分离器材料为防锈铝5052，表面阳极氧化或进行喷漆、喷塑处理后，具有很高的耐腐蚀性，可以保证一个大修期内不会腐蚀。如图2所示，过滤器由芯子、框架和集尘槽等组成。芯子固定在由铝型材制成的边框中，边框的下端设计有集尘槽，用于收集格栅沉降下来的粉尘、雨水等，集尘槽前面设有排尘口，集下的粉尘、雨水可通过下部的排尘口直接排出车外。过滤器可用螺栓连接在车体侧墙上，也可以设计成可于机车侧面或上、下部旋转开启的合页形式，便于过滤器后面的滤料清洗和更换。

    2.1.2 芯子结构和原理

    过滤器芯子由前部导流体、中部分离器2和后部分离器1等3个部件组成，如图3所示。前部导流体横截面为水滴形，头部横截面为半圆形，并面向进风口，尾部设有向后伸延的导流部。中部分离器2横截面为一圆缺形，前部为圆缺端，周壁在圆缺处向内弯折，其后部横截面为半圆形并设有向后伸延的导流部;后部分离器1横截面为一圆缺形，其后部横截面为半圆形，干净空气从此流出。

    2.1.3 过滤器原理

    该过滤器从结构分析来看属于一种典型离心沉淀式空气过滤器。前部导流体对气流起导向和加速作用，加速后的空气被中部分离器2和后部分离器1收集并转向，由于惯性的影响，颗粒到达中空区。在中空区域由于气流速度降低，形成聚集区，在这里颗粒被分离出来并靠重力向下缓慢运动，在中空区下面装有积尘器，收集、排出灰尘和雨水，圆缺处向内的弯折可有效防止灰尘被净化后的空气吸入，造成二次污染。因此，该过滤器具有较高的过滤效率和自净功能。

2.2 FSAM过滤器的特点

    FsA M 过 滤器除具有传统过滤器共有的一些特点，如过滤效率随粉尘粒径的增大而增加，通风阻力随进风速度的增大而增加，过滤效率随进口风速的增加而降低外，还具有以下特点。

    2.2.1风阻低，能量损失小

    过滤器内部的流线型空气通道可以使空气流畅的通过，使气流流过过滤器的能量损失小，风阻低。风洞试验表明，FSAM过滤器的全压降系数ξ=22一20 (格栅高度h=300～1000mm)，而vv格百叶窗过滤器全压降系数ξ=45，也就是说，同样条件下，VV格百叶窗的全压降是FSAM的2倍多。

    2.2.2 过滤效率高，阻水性能优良

    FSAM 过滤器和其他初效过滤器相比，空气通道比较长，通道面积呈逐渐放大趋势，这种通道对粉尘的沉降很有利。中部分离器2和后部分离器1重叠交错排列的形式，使流经过滤器的空气进行了2次过滤，空气中的粉尘和雨水可以被充分分离;同时分离器向内的弯折可有效防止灰尘被净化后的空气吸人，造成二次污染。因此，FSAM过滤器具有高而稳定的过滤效率。试验表明，雾状水汽(水滴平均大于20μm)且风速低于4.5m/s的情况下，过滤器的水滴过滤效率不小于90%;粉尘粒径大于60μm，风速低于4m/s的情况下，过滤器的灰尘过滤效率不低于80%。

    2.2.3 粉尘自净功能，基本免维护

    由于与气流分离后的粉尘能很快沉淀到集尘槽，并经排尘口排出。因此，过滤器可以基本实现免维护，风阻不会随时间而增加，无需定期清理过滤器通道，大大减少了铁路机务部门的维护工作量。

    2.2.4 独特的消除冰、雪功能

    这是FsAM过滤器和其他过滤器的最大区别，也是其独一无二的特点。由于导流体前部为圆弧形，可以方便地在导流体中加装电热丝，通过简单的电路控制，使最前部的水滴形导流体保持一定的温度，防止因大雪和结冰堵塞过滤器进风口而造成过滤器失效。

    2.2.5.轻量化，成型易，可实现多种安装方式

    由于过滤器所有部件均采用铝型材拉制而成，可以充分利用铝型材截面成型容易和密度小的特点，使之强度大，刚性好，重量轻;过滤器既可以做成平面的，也可以按照机车、动车组车体局部轮廓做成圆弧式等多样形状，使之满足要求;既可以安装在机车侧墙外部作为侧墙进风系统，也可以安装在车底下部裙板上和车顶作为底部侧面进风和顶进风的过滤系统。FSAM过滤器几种典型的安装方式如图4所示。

    2.2.6 过滤参数方便可调

    通过调整分离器的前后和左右问距，可以方便地改变过滤器的特性;调小间距，将提高过滤效率，但通风阻力将增大;调大间距，将降低通风阻力，但过滤效率也会降低。2.3 FSAM过滤器的试验

    下列试验以CY08型FSAM过滤器为例，该过滤器已经批量装载在大连机车机车车辆股份有限公司生产的Hxo3型大功率交流传动电力机车上。

    2.3.1 空气流速和阻力特性试验

    测定不同风速下过滤器进出口处的压差即为空气流速和阻力特性试验。表1是实验室风洞试验台所做的试验数据。

    2.3.2 空气流速和过滤效率试验

    空气过滤器的“过滤效率”是被捕集粉尘量与原空气含尘量的比值。过滤效率采用初效过滤器常用的粉尘采样计重法，按照TB/T2723一1996中的试验方法进行粉尘采样时，风速为2m/s，加人试验粉尘的浓度为1g/m3，对大于60μm的颗粒过滤效率高达80%以上。

    2.3.3 过滤器的挡水性能

    为了测试过滤器的挡水性能，进行了空气过滤器抗雨雾试验，试验中的雾状水汽按中雨量(8mm/h)来计算，穿过空气过滤器的雨量用安放在过滤器后面的吸湿材料增湿量来计算。测试结果见表2。

    通过试验结果和目试可以看出，在2m/s以下风速时，过滤器具有优良的阻水性能，阻水率几乎高达10%;在2.5一3m/s风速时，也仅有极其微量的雨水进人。

    3 结论       FSAM过滤器性能优良，远远高于目前我国机车车辆上车体通风用滤网型过滤器或瓦楞窗百叶窗，是传统初效过滤器的更新换代产品。它具有通风阻力低，过滤效率高，阻水性能优良，以及通过加装电加热丝可以有效解决因大雪或结冰而堵塞过滤器的独特特点，而且具有极强的气候适应性，既适合我国北方多风沙、多冰雪的严寒地区，又适用于南方多雨地区。通过调整分离器间距，易于实现不同过滤参数的匹配。过滤器利用离心作用形成粉尘沉淀以及排尘结构，基本实现粉尘的自净功能，实现免维护，大大降低维护工作量。过滤器部件由铝型材拉制而成，重量轻，可以实现多种结构形式，满足多种机车和动车组车体通风的需要。       基于上述优点，第六次大提速的高速电动车组以及和谐型大功率电力机车的车体通风系统大多数都采用了这种新型的机械离心沉淀式空气过滤器，在铁路运输领域发挥了作用。       参考文献       [1] 孙一坚.工业通风〔M].北京:中国建筑出版社，1994.       [2] 林范坤.Hxo3电力机车用空气过滤器使用说明书团.无锡:无锡金鑫集团有限公司.2006.