旅客列车真空集便器系统污物箱设计与试验技术研究

2013-11-27闫凯邱慧曾凤柳

铁路节能环保与安全卫生 2013年1期

闫凯，邱慧，曾凤柳

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

真空集便器根据真空发生机理和形式，分为保持式、紧凑式、间歇式和在线式四种类型［1～4］。各种类型集便器均由便器组件(含冲洗组件和排泄阀组件等)真空发生装置、水增压装置、污物箱及连接安装附件等组成。其中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，因此，必须确保污物箱可靠，避免影响列车安全运行［5］。

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、强度校核、模态分析、加热保温设计等各个环节。

1 容积计算

污物箱作用是列车在运行期间卫生间便器内污物的收集和储存，正常情况下，仅在列车停靠指定卸污地点时卸污排空。因此，污物箱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次数、单次使用产生污水量和列车运行时间等因素。

污物箱容积估算有两种方法:第一是按照车厢定员(污物箱所连接集便器服务乘客数量)估算，以车厢乘客每人使用1次厕所的频率和考虑超员系数的车厢定员为基数进行估算;第二是按照污物箱所连接集便器最大使用量估算。以每个污物箱上连接有n个便器，每个便器每小时内最大使用频次为基数进行估算。

污物箱容积还应考虑车辆安装条件，车端下部牵引梁、脚蹬围板与转向架占用的空间直接影响到污物箱的加装，应保证转向架与污物箱间有合理的空间，不会发生碰撞。

综合考虑多种因素，污物箱容积可按照系列值:130、200、400、550、600、800、1000 L，根据车型和运行距离等从中选取，之后进行污物箱结构设计。

2 结构设计

污物箱外观一般为长方形箱体，结构示意图如图1所示。其主要组成部分为:箱体内胆1、保温层2、外层包板3、清洗阀组件4、通气阀5、卸污阀组件6、接线箱7、液位开关8、污物箱检查口9、电加热检查口10、温控器11、电加热管12。

内箱体为不锈钢板焊接的长方体。设置与车辆车体相配的吊耳或吊梁等悬挂安装装置，用于污物箱的固定。为提高箱体强度，内箱体外设置多根加强筋或加强角钢。

外箱体用不锈钢板包裹，对保温材料进行封装，同时起到保护和装饰作用。

污物箱附件包括排污管、冲洗管、排气管、清淤管、检查口等连接管件，以及浮球液位开关、电加热装置等。

图1 污物箱示意图

3 强度、模态设计与校核

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较高要求。污物箱的强度应满足UIC 566的要求和承受的工作压力要求。对每种类型污物箱，容积、结构、材料发生改变，必须进行强度计算和模态分析。

3.1 设计计算说明

整个污物箱的制作材料均采用不锈钢。就工作载荷来说，最大应力应小于许用应力，而对于极端载荷来说，最大应力则应小于屈服点应力。

焊接污物箱内胆用不锈钢板制作，由纵向和横向L形及U形腹板予以加强。各连接处均采用焊接方式，焊接工艺根据焊接母材特性、尺寸特性、连接位置等进行特殊工艺设计，保证污物箱结构加工质量。对主要结构件和承载件均计算校核，而对污物箱安装附件可以采用局部集中载荷加以模拟。

3.2 计算模型

建立污物箱有限元模型时，对污物箱整体刚度及局部强度有影响的结构都予以考虑。模型构成以任意四节点薄壳单元为主，与梁单元、板单元相比，壳单元由于结合考虑了结构单元中间面上的平面刚度、弯曲刚度及曲率效应，因此，其具有更高的计算精度。箱体外部的排空装置和球阀装置对箱体的影响采用集中载荷予以模拟。污物箱强度校核与模态分析模型如图2所示。

图2 污物箱强度校核与模态分析模型

3.3 载荷分析

污物箱所承受的载荷主要有:

Z1:钢结构自重和集中载荷，难以忽略附属件按集中载荷加载在对应位置。

Z2:静水压力，不同液位情况下按静水压力加载于钢结构内胆。

Z3/Z4:纵向冲击压力1，纵向水平方向符合5 g作用荷载，正反两个方向。

Z5/Z6:横向冲击压力1，横向水平方向符合3 g作用荷载，正反两个方向。

Z7:垂向冲击压力，垂直向下方向符合3 g作用荷载。

对于保持式真空集便器，系统工作时，箱体内始终保持一定真空度，因此需考虑箱体内部真空压力。

Z8:箱体内部真空压力。

在实际工况下，污物箱又是在多种载荷共同作用，校核分析时应尽量模拟实际工况，把上述的工作载荷组合，示例如下:

K1=Z1+Z2+Z3+Z8——满载时纵向5 g冲击载荷(+Y方向)，考虑钢结构自重;

K2=Z1+Z2+Z4——满载时纵向5 g冲击载荷(－Y方向)，考虑钢结构自重。

3.4 计算结果与分析

通过静结构强度分析，可以得出各种载荷单独作用或复合作用下，污物箱结构的应力集中点、最大等效应力、最大变形处等重要参数信息，对安装吊梁或吊耳、支撑结构焊接处、盖板连接处等重要部位和主要承载部位应进行重点分析，依此确定结构设计是否满足要求，母材及焊接部位是否在许用应力范围内，安装吊梁或吊耳结构强度是否满足设计要求。图3、图4为K1载荷作用下箱体应力云图和箱体变形图示例。

图3 K1载荷作用箱体应力云图

图4 K1载荷作用箱体变形图

污物箱进行模态分析，得出其各阶振型和模态、固有频率等振动特性，对装有不同容量(空箱、半箱、满箱)液体的污物箱进行耦合模态分析，得出箱内液体液面晃动情况、对污物箱固有频率的影响等信息，依此判断污物箱的自振频率是否与车辆运行过程中的振动激振频率相近。

3.5 污物箱振动与冲击试验研究

按照GB/T 21563—2008《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验》中第8、9和10项试验要求对污物箱进行功能性随机振动试验、提高随机振动量级的模拟长寿命试验和冲击试验。在试验过程中及试验结束后检查污物箱外观结构及必要的性能参数，均应符合要求。

振动及冲击方向如图5所示:纵向为主视图方向;垂向为俯视图方向;横向为左右视图方向。

图5 振动及冲击方向示意图

4 污物箱加热保温性能研究

4.1 使用工况分析与加热保温功能设计

污物箱通过吊梁或吊钩悬挂于车辆车底，部分车型安装防护罩对污物箱进行防护，但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以及正常排空。

因此，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，均应符合车辆供电条件，同时不影响其它电气设备或装置的正常使用。

车辆在室外整备、存放一定时间后，污物箱内外温度基本等同大气环境温度，再次上线运行前，必须在规定的时间内满足使用要求。因此，污物箱电加热装置应在较短的时间内将污物箱加热到可工作状态。由于卫生间便器污物进入污物箱后温度不低于0℃，因此，按照寒冷地区环境温度－40℃恶劣工况考虑，空箱状态下污物箱初始加热需满足在短时间内(30 min)由环境温度加热至0℃。

在列车运行过程中，为了维持污物箱不冻，污物箱内液体温度高于0℃即可，考虑到箱体内液体温度与温度探头测得温度之间差异，故设置为3℃。电加热装置产生的热量应能弥补污物箱内不断增加的污物所吸收的热量和污物箱热量损失。因此，还需要校核维持污物箱内液体温度所需电加热功率。