TKH-ZKWC保持式真空集便器系统研制及关键技术

邱慧，闫凯，曾凤柳，马麒，张玉宽

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京100081)

TKH-ZKWC保持式真空集便器系统研制及关键技术

邱慧，闫凯，曾凤柳，马麒，张玉宽

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京100081)

根据真空集便系统的使用与安装技术条件，研制TKH-ZKWC型保持式真空集便系统，介绍系统组成与工作原理，阐述真空发生、水增压、便器冲洗、污物箱设计及系统电控等关键技术，通过整体性能和主要部件试验检测，满足25型等旅客列车安装、使用要求。

真空集便器;真空发生器;便器冲洗;污物箱

真空集便系统采用真空抽吸方式排空便盆，利用压差将污物直接从便盆输送至污物箱收集并暂存，集成水增压装置，提高冲洗水压，降低冲洗耗水量，提高冲洗效果，同时具有污物箱安装位置设计灵活等特点。作为密闭式集便系统，具有较好的优势和适用性，是目前我国铁路旅客列车采用的主流技术产品。

真空集便系统主要由便器组件、真空发生装置、水增压装置、污物箱、电控模块及连接附件等组成。根据真空发生机理和真空存储位置不同，有保持式、紧凑式、间歇式和在线式四种基本型式［1－7］。

在线式和紧凑式由于价格较高，座便器集成性、紧凑性优势更为明显，而蹲便器安装占用车上空间比较大，目前国内仅在动车组和高速列车上应用。保持式和间歇式集便系统，结构比较简单，易于维护，真空度足、不易堵塞，能适应安装空间小、使用频次大、使用环境较差等不利条件，适合于除动车外的普通旅客列车应用。相比而言，保持式无等待时间，操作使用更加人性化。

本TKH-ZKWC型保持式真空集便系统，即是针对普通旅客列车真空集便器系统的使用与安装技术条件研制开发。

1 使用与安装技术条件分析

旅客列车集便器，接收和存储卫生间内的粪便污水，实现客车运行期间卫生污水的密闭收集。加装密闭式厕所的技术型式，应根据我国铁路分布地域广，乘车人员多、车型多、改装车辆数量大等特点，按照设备技术成熟，使用可靠、适用性强、经济合理原则实施。

集便器安装和加装主要涉及卫生间内地板便器安装、侧板组件盘或电控装置安装，以及车底污物箱安装，应保证足够的安装空间和维护检修空间，根据各型车辆，与车辆厂进行技术对接，确定具体安装尺寸。

集便装置应能符合车辆运行气候环境条件，一般情况下，设计运行海拔高度不大于2 500 m;对于高原条件，即海拔高度大于2 500 m，影响到真空便器的性能，需特殊设计。使用环境温度:车上安装部件为+3℃～+50℃;车下安装部件在普通地域使用时为－25℃～+50℃，在寒冷地区使用为－40℃～+50℃。

真空集便器安装在旅客列车上，所需动力、冲洗水均利用旅客列车电源、气源和水源条件。系统应满足健康和安全要求:不对公共健康产生危害;不对使用者产生危险;不对铁道客车运行或客车设施、设备产生危险;在任何条件下不应影响到客车的电源、水源以及压缩空气源的安全;集便器运行噪声应严格控制，提高乘车舒适性;应防止污物箱内的臭味上返至车内，尽可能降低对车厢内、甚至卫生间内空气质量的影响;冲洗干净、排空效果好，尽量减少污物残留。

2 系统组成与原理

系统组成见图1。

图1 TKH-ZKWC型保持式真空集便器系统组成(蹲式)

TKH-ZKWC型保持式真空集便器系统分为车上部分和车下部分。车上部分包括蹲(坐)便器，气水组件盘，电气控制系统;车下部分包括污物箱和管路。根据客车卫生间的配置，可以采用一套污物箱连接一套便器(蹲或坐)的配置;或一套污物箱连接两套便器(蹲或坐)的配置。

系统气、水原理如图2所示。列车气源接入，经过滤减压后分两路，一路进入真空发生装置，真空发生器利用文丘里管原理，为污物箱及系统管路提供真空;另一路进入水增压装置，直接通过压力空气在水增压罐内为冲洗水加压。

待机时，气水组件盘上的真空发生器将污物箱抽至一定真空度，并保持在一定范围内。便器冲洗时，按下冲洗按钮，系统进入便器冲洗循环过程。首先水增压器内的水被压缩空气加压，冲洗阀打开，对便盆进行冲洗，在冲洗动作将要结束时，便器排泄阀打开，便盆内粪便污水在真空抽吸作用下，被抽至污物箱内。排污结束后，排泄阀关闭，水增压器开始补水，真空发生器开始补真空，直至水增压器内液位和系统真空度达到设定值，系统进入待机状态。

3 系统关键技术

3.1 真空发生技术

真空发生器为系统提供真空，是核心部件之一，其选型及性能参数直接影响真空集便系统的使用性及可靠性。

本系统采用二级喷射管真空发生器，降低压缩空气消耗量，同时增加对压缩空气压力波动适应性。真空发生器集成塑料材质止回阀，减少止回阀故障的可能性;真空压力开关采用不锈钢材质，降低结垢的可能性，同时减少杂质进入的可能性。在污物箱上加装气水分离器，从根本上降低真空发生装置故障的可能性，提高其可靠性。

图2 TKH-ZKWC型保持式真空集便器系统气、水原理图

根据真空发生器抽真空压力、耗气量、供气压力、抽真空时间之间的关系，试验验证设定工作真空度(－25～－30 kPa)，满足降低耗气量、缩短抽真空时间、保证抽吸排污效果的实际使用要求。

3.2 水增压技术

为保证冲洗水具有一定压力和一定流量，保证冲洗效果，需要设置水增压装置。目前采用较多的水增压装置主要有隔膜式和水罐式两种。

隔膜式水增压器，压缩空气与水不直接接触，排气阀无水雾喷出，冲洗水不会出现大量气体，但由于其橡胶隔膜疲劳及老化，寿命有限，水增压器容易泄漏。

本系统采用水罐式水增压装置，改进水增压罐内部结构，以提高其适用性。快速排气阀安装孔处设置挡水板，避免水雾喷出。适当增加水罐容积，保证每次冲洗后，水增压罐内均有一定水剩余，避免水气喷射冲洗。

3.3 便盆冲洗技术

便器最佳冲洗效果应该尽可能达到便盆表面冲洗全覆盖、污物冲洗无残留、污物排放无回流，同时还应该满足冲洗水无外溅、污物无飞出等人性化使用要求。冲洗效果既包括污物冲洗干净，又包括污物排空干净。冲洗干净主要取决于冲洗流型、冲洗水压、冲洗耗水量、便盆盆形、便盆表面污物粘附性等因素。污物排空干净主要取决于抽吸真空度、抽吸时间、排污口设计等因素。

座便器便盆曲面对称、盆形简单、弧度较大，冲洗排空更容易。而蹲便盆盆形复杂、内表面积较大，采用0.5 L冲洗水很难覆盖全部内表面，将便盆冲洗完全干净有一定难度。为达到较好的冲洗效果，首先进行便盆曲面设计，采用不锈钢整体冲压，便斗深度比既有产品更深，曲面过渡更加圆滑，内表面抛光处理。

根据便盆曲面分析结果和冲洗水流型全覆盖要求，进行蹲便器和坐便器冲洗流型设计。冲洗流型分旋流冲洗和直喷(扇面)冲洗两种。通过对比分析与试验研究，旋流流型喷嘴位置合理、数量较少，可保证每个喷嘴具有一定的出水压力和出水流量(见图3)。其喷嘴型式为斜孔喷射型，喷嘴内部结构特殊设计。

为保持流型可控，喷嘴布置于曲面曲率过渡处附近、便盆边缘直立曲面上。另在需要大水流处增加出水口，水流配合作用达到预期冲洗效果。

蹲便盆和坐便盆各设置3个喷嘴，喷嘴采用座体和盖组合形式，便于维护。选用内径不小于6 mm的快插接头和PU管将喷嘴座体与管道干路进行链接，组成冲洗环。

通过试验，气源压力设定约0.45 MPa，冲洗时间设定1.5～2.0 s，冲洗效果满足便器使用，耗水量≤0.5 L，达到冲洗干净要求。

3.4 污物箱设计

图3 便盆冲洗流型设计(旋流流型)

污物箱主要作用是在列车运行期间，收集和暂存粪便污水。其安装数量、安装位置和安装方式根据车辆车型有所不同，但总的原则是安装于卫生间就近位置，通过吊梁或吊耳等形式，悬挂于车底。除部分车型车底设计有污物箱防护罩外，大多数污物箱直接裸露在车底。列车高速运行时，污物箱随车体产生剧烈振动，必须确保污物箱可靠，避免影响列车安全运行。因此对污物箱的设计与试验检验十分重要，包括容积计算、结构设计、加热保温设计、强度校核、模态分析等各个环节。

正常情况下，仅在列车停靠指定卸污地点时，污物箱才进行卸污排空。因此，必须满足列车在运行期间的使用，其容积需考虑运行期间使用人数、使用次数、单次使用产生污水量和列车运行时间等因素。

污物箱结构设计包括箱体内胆结构、支撑钢结构、安装吊梁或吊耳、外包结构以及检查口、冲洗管、排污口等附属装置的设计。

污物箱基本全部裸露在大气环境下，对于在寒冷地区或寒冷季节中运行的车辆，必须对污物箱采取加热、保温措施，避免箱内及其它裸露处结冰，保证集便器系统正常使用及正常排空。选用电加热管等加热装置对污物箱进行加热，同时对污物箱进行保温隔热，提高加热效率，减少热量损失。电加热装置的选用、设计与安装，均符合车辆供电条件，同时不影响其它电气设备或装置的正常使用。

由于污物箱特殊的安装位置和安装方式，尤其是在列车高速运行时车体晃动与振动，对污物箱的强度和振型模态有极高要求，强度应满足UIC 566的要求，并能承受工作压力、各种载荷。污物箱强度校核计算和模态分析，包括列车运行冲击载荷、箱体及污物自重、箱内负压载荷等一种或几种载荷共同作用，以及箱内液体晃动造成的结构流体耦合作用、电加热造成的结构热耦合作用下的校核计算。

3.5 系统电控

基于单片机技术开发的电控装置控制系统各电、气元件动作，完成正常冲洗排空循环过程，操作使用人性化设计及各种保护功能设计，监测系统运行状态和故障情况。

对一般冲洗排空动作过程进行优化设计，调整排泄阀打开时间及抽吸排空时间，增加二次冲水和先行补压功能，各电气元件动作顺序更加合理，冲洗排空效率更高。

考虑气源、水源、电源变化，以及使用过程中各种可能导致系统故障的内部、外部因素，除提高系统对气源、水源、电源波动适应性，设计增加多种自诊断功能和自保护功能，系统操作使用更加人性化和智能化。

为方便集便器调试及检修，尤其是在后期装车运行过程中进行现场调试和检修，配套研制开发了便携式调试器(PDA)，通过与集便器电控装置通信，查询工作状态、设定工作参数、查询故障信息、模拟故障状态、手动干预电气元件动作等。

集便器电控装置集成集便器信息模块，实现集便器系统的故障报警、故障代码显示、故障记录，同时预留相关信息的有线和无线远程传输接口。为提高集便器系统设备智能化和信息化，并适应旅客列车运行状态和车辆设备信息集中管理发展要求，同时，为满足企业自身对集便器设备的运行状态、故障记录等的实时远程管理需要，预留集便器远程监控功能。

4 试验与检测

配套研制真空集便器综合试验台、可靠性试验台等专用试验检测装置，利用振动试验台、高低温试验箱、电磁干扰试验室，对研制产品进行型式试验及可靠性试验，主要包括:

系统整体:外观质量检查，系统密闭性能检验，冲洗动作过程检验，系统疲劳试验及电气装置电磁干扰试验。

技术参数:冲洗循环周期，冲洗最大或平均耗气量，每次冲洗耗水量，最大输送距离，冲洗水压及冲洗噪声。

保护功能:气压波动适应性，电源波动适应性，污物箱满保护功能，真空超时保护功能及防冻排空动作等试验检验。

零部件检验:水增压器承压检验，污物箱真空密封检验，液位开关检验，排泄阀检验，电加热装置耐压与绝缘试验，污物箱冲击、振动试验及污物箱加热保温性能试验。

试验表明，该真空集便系统满足25型等旅客列车安装、使用要求，符合车辆设备、车辆电工电子产品等通用标准或技术条件。

5 结论

根据真空集便器系统的使用与安装技术条件，研制TKH-ZKWC型真空集便器系统，对动作时序和电控程序进行了优化，改善了冲洗排空效果，压力空气消耗量进一步降低，提高了该系统运行的可靠性及人性化和智能化水平，整体性能满足25型等旅客列车安装、使用要求。

［1］钱文伟．列车集便装置发展现状及对我国开发集便装置的建议［J］．河南机电高等专科学校学报，2000(4):41－45．

［2］周敬宣，胡洪平，李艳萍，等．客车气动推拉式集便装置的研制［J］．铁道车辆，2003，41(5):20－22．

［3］任大庆．铁路客车真空式集便系统浅析［J］．铁道车辆，2001(2):23－25，39．

［4］梁君海，张明．集便装置在我国铁路客车的开发运用［J］．铁道车辆，2002(8):33－35．

［5］于志光，孙维余．铁路客车真空集便器［M］．北京:中国铁道出版社，2008．

［6］刘志明．动车组设备［M］．北京:中国铁道出版社，2010．

［7］娄玉飞．铁路客车厕所技术发展浅谈［J］．铁道车辆，2005(8):33－35．

TKH-ZKWC Type Retentive Vacuum Waste-Collection System Development and It’s Key Technologies

QIU Hui，YAN Kai，ZENG Feng-liu，MA Qi，ZHANG Yu-kuan
(Energy Saving＆Environmental Protection＆Occupational Safety and Health Research Institute，China Academy of Railway Science，Beijing100081，China)

According to its usage and application conditions，researched and developed TKH-ZKWC Type Retentive Vacuum Waste－Collection System．Introduce the components and working principles，present its key technologies such as vacuum generation，water pressurizing，toilet flushing，collection tank design and system control etc．Passing the experiments and tests including the system performances and main parts functions，results show the system suitable for application and usage in 25 passenger trains．

Vacuum Waste-Collection System;vacuum ejector;toilet flushing;collection tank nature reserves inevitably．Combined the new railway in South and central Shanxi，the influences to natural protection area of this railway and scientific prevention measures and countermeasures are briefly discussed．

X703

A

2095－1671(2012)03－0112－05

2012-04-09;

2012-05-24

邱慧(1964—)，女，湖南长沙人，高级工程师。专业方向:环境工程

Keywords:railway;nature reserves;measures and countermeasures