超音速空气帚的制作方法

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种利用压缩空气喷扫轨面来恢复轮轨黏着力的系统中所用到的专用喷射组件——超音速空气帚，所述的超音速空气帚能够将静态的压缩空气按照设计要求转化为超音速空气射流，并以一定的入射角对轨面实施喷扫，通过在轨面上产生的动量（牛顿力）形成清扫力，对落叶和浮水做机械功将其清除，同时，超音速空气射流以热传导的形式对轨面上的残余水分作热功，使其进一步蒸发而使轨面干燥，最终达到恢复轮轨黏着力之目的。

背景技术：

轨道车辆是借助车轮与轨道之间的滚动摩擦力（黏着力）产生牵引和制动力的，实验数据表明：在轮轨间无杂物且干燥的条件下，轮轨黏着是较理想的状态，黏着系数在0.3～0.5之间，当轮轨间黏附碾碎的树叶或存在油水的状态下（如阴雨天气），黏着系数可下降到0.1～0.05左右，黏着系数降低后极易发生车轮空转现象，空转会严重的损害车轮和轨道，甚至使车辆不能正常走行，目前的解决办法是，通过车上的专用撒砂装置向轨道上喷撒砂子来恢复轮轨黏着力,撒砂后黏着系数回升幅度可达60％左右，撒砂虽能提高轮轨黏着力，但却存在着诸多无法避免的弊端，这里不再赘述，随着轨道交通技术的发展，客观上需要出现一种更为完善的新技术来淘汰老旧的撒砂技术。

技术实现要素：

上述数据已表明，要保障轮轨黏着力处于理想状态，除了撒砂以外还可以通过清除轮轨间的落叶杂物，并使轮轨接触点恢复到干燥状态的途径来实现，向轮轨接触点及近前方区域喷射高温干燥的压力空气来扫除落叶、清除积水、干燥轮轨接触点是一个比较切合实际的技术方案，但是，经反复试验表明，在车辆行驶条件下，简单的将高温、常压、低速的干燥空气吹向轨面，对碎叶的清除和对轨道的干燥效果十分有限，要想取得理想的效果，有效途径之一是通过提高气体的流速来提升气体的对外做功能力，为实现这一目的，本项发明设计了一个专用的喷射部件即所述的超音速空气帚。

为了说明本项发明的意义所在，首先对简单喷射难以满足要求的原因作如下分析：

若单纯依靠蒸发手段干燥轨面，气流与轨面之间的热交换功率必需满足p＝kv的要求，式中k为干燥一米钢轨所需的热功（j/m），v为列车运行速度（m/s），在自然状态下，轨表黏附的水分质量约为2克/米，当列车以50公里/小时车速行驶时，蒸发轨上水分所需要的加热功率约在100个千瓦量级，若再考虑流失的热量，在车上既有的供电能力下是难以满足要求的。

轨上水分蒸发所需的热量，是经热气流与钢轨接触面之间的热传递获得的。传热功率的大小决定于表面传热系数hm，影响传热系数的关键因素之一是喷射速度uc，在简单喷射方式下，较低的喷射速度使表面传热系数亦较低，气流携带的热量只有一部分能够传向轨面，造成传热效率低下，轨表得不到充足的热量来蒸发水分。

本项发明优选方案：一种专用喷射组件，包括加速器（1）、配气座（2）、绝热罩（4）、电磁阀（5）、比例阀（8）及过渡管（3）组成所述的超音速空气帚，所述的超音速空气帚将滞止状态的压缩空气（压力p0为温度为t0）转化为具有一定内能的超音速射流并喷扫到轨面上，这一过程是将压缩空气的压力势能和内能转化为高速动能的过程,作用机理叙述如下：首先，超音速空气射流在轨面上产生的动量（牛顿力）形成了清扫力，将轨面上的落叶和浮水驱离到钢轨下方，使轨面上没有显性水的存在而呈现出近似干燥的状态，这样就大幅度地减少了后续干燥轨面的任务量，进一步地，喷射速度uc的提高同步地提高了表面传热系数hm，使气流中携带的热量以较高的效率传向轨面，使得轨面上残余水分得以充分蒸发，从而达到快速恢复轮轨黏着力之目的。

超音速空气帚的核心是加速器（1），加速器是由多个相同的拉瓦尔加速喷管（9）构成的，拉瓦尔加速喷管（9）在电磁阀（5）的控制下工作。

下面进一步阐明拉瓦尔加速喷管（9）的工作原理：拉瓦尔加速喷管（9）由渐缩管段（12）、柱状喉管段（11）和渐扩管段（10）三部分组成。高温压缩空气首先流入渐缩管段（12），经过柱状喉管段（11）再流入渐扩管段（10），整个过程中如忽略其它影响，只考虑截面a变化对气体流动的影响时，由空气动力学可以导出截面微变量da对流速、压力、密度、温度的影响分别是：

式中m、v、p、ρ、t分别为气体的马赫数、流速、压力、和绝对温度；k为常量，是空气的绝热指数。上式表明，在渐缩管段中的亚声速（m＜1）流和渐扩段中的超声速（m＞1）流是膨胀加速的，而压力、密度、绝对温度随流速的增加是不断减小的。

在本项发明中，恰当选取风源压力p0(大于临界值)，这样，在渐缩管段（12）中随着截面积的不断减小（da＜0），气体会由静止态不断的膨胀加速形成亚声速流，马赫数m＜1；在到达柱状喉管段（11）时气体的流速达到临界声速，即马赫数m＝1，此时无论风源压力如何提高，流速将维持临界声速不变，即进入雍塞状态；气体流出柱状喉管段（11）进入渐扩管段（10）后，随着管道截面的逐渐扩张（da＞0）而进一步膨胀加速，在到达出口处时，气体流速达到设计马赫值且＞1，气体压力刚好等于大气压力而停止膨胀。

这样，压缩空气从流入渐缩段（12）开始得以不断膨胀加速，最后在渐扩段（10）尾部出口处得到一柱状射流对外做功，流速ve由下式确定：

te为出口气流温度，本项发明出口马赫数m的选取与机车类型有关，在2～2.5之间。当风源温度t0及出口马赫数一经确定，出口气流温度te已经确定。

下面进一步阐明所述超音速空气帚的作用机理：

所述超音速空气帚对轨上落叶的清扫和对浮水的驱离能力决定于空气射流作用到轨面上的动量fm，单位为牛顿（n）,计算式为：

式中的qm为出口的质量流量（kg/s）,ve为出口流速（m/s）,ae为出口截面积，ρe为出口密度。上式表明，质量流量一经确定，出口流速越高，输出动量越大，所述超音速空气帚的清扫做功能力越强，所以对于本项发明来说，在权衡各方利弊的前提下，应尽可能的通过提高出口流速来提高超音速空气帚对外做功能力。

另一方面，在落叶和浮水被驱离后，轨上残余水分的蒸发所需热能来源于空气射流传导给轨面的热量，传热功率p的表达式为：

式中s为气流与轨面的作用面积，δt为作用前后气流温差，如前所述，表面传热系数hm是影响气流向轨面传热的关键因素，hm与空气射流喷射速度uc呈近似线性递增关系（见图4）。当空气射流达到2马赫时（流速720～780m/s），传热系数可达到1600w/m²k，相对于简单喷射的情况传热能力提高了近3～4倍。

附图说明

图1超音速空气帚实施例一

图2超音速空气帚实施例二

图3加速器与配气座装配结构图

图4表面传热系数与气流喷射速度的关系

附图中，各标号所代表的部件如下：

1、加速器，2、配气座，3、过渡管，4、绝热罩，5、电磁阀，6、风源管，7、安装座，8、比例阀，9、拉瓦尔加速喷管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1～图4所示，在利用压缩空气喷扫轨面来恢复轮轨黏着力的系统中，本项发明为该系统提供了一种专用喷射组件，即所述的超音速空气帚，通过它能将压缩空气源提供的压力空气转化为超音速空气射流喷向轨面，通过射流作用到轨面上的动量fm（牛顿力）来清扫轨面上的落叶、驱离轨面上的浮水，同时，喷射速度的提高同步提高了传热系数hm，气流携带的热量能够以较高的效率传向轨面，有利于残余水分的蒸发，从而达到高效快速干燥轨面、恢复轮轨黏着力之目的。

所述的超音速空气帚的核心部分是加速器（1），加速器由多个完全相同的拉瓦尔加速喷管（9）组合而成，通过数控加工或有色金属精铸成为一个整体。通过配气座（2）将压缩空气分配给拉瓦尔加速喷管（9），配气座（2）还起到固定加速器（1）以及和过渡管（3）之间的连接作用。

如图1—图2所示，在电力机车、动车组的每个转向架外端车轮前方（原安装砂管的位置）各设置一个所述超音速空气帚，通过安装座（7）固定在转向架上，并与铁轨之间成一定的入射角，原砂管拆除不用。

实施例1：

如图1所示，将所述加速器（1）中的拉瓦尔加速喷管（9）（本例为6个）按间隔规律分为两组，即组1和组2，由两个电磁阀（5）各控制其中的一组，这样做的目的是：当车辆以较高的速度行驶时，两组拉瓦尔加速喷管（9）同时工作，车辆行驶速度较低时，在电磁阀（5）控制下两组交替工作，每一时刻只有一组在工作，这样就实现了喷射功率的两级调整，当不需要恢复轮轨黏着力时电磁阀（5）处于关闭状态。

实施例2：

如图2所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：将加速器（1）、配气座（2）与一个比例阀（8）通过过渡管（3）连接，比例阀（8）用以在一定的范围内调整加速器（1）入口压力，以改变全部拉瓦尔加速喷管（9）出口流速，达到调整喷射功率之目的，同时兼有开闭功能。采用这种方法时，拉瓦尔加速喷管（9）大部分时间在偏离设计工况下工作，气体将出现过膨胀状态，故效率和效能将有所降低。

由于本发明所涉及的气体流动属于可压缩气体流动，气体流动过程中速度、密度、温度等变化较大，所以在喷嘴和管路外部设置了绝热罩（4），以阻止系统与外部大气交换热量，绝热罩（4）的内部由聚氨酯隔热材料发泡填充。