螺旋槽原理在轨道车辆门系统水密性试验标准NF NF F F31-054中的应用

董乃伟

（南京康尼机电股份有限公司，江苏南京 210038）

螺旋槽原理在轨道车辆门系统水密性试验标准NF NF F F31-054中的应用

董乃伟

（南京康尼机电股份有限公司，江苏南京 210038）

本文通过对法国铁路标准NF F31-054的解读，利用液压控制理论知识及螺旋槽结构原理，设计出了螺旋槽式淋雨喷嘴。并以作者主导研制出来的淋雨试验装置通过国际知名客户验收认可为实例验证。

法国铁路标准NF F31-054；水密性（淋雨）试验；液压控制原理，螺旋槽原理

法国人引以为豪的巴黎地铁也被称为全世界最密集、最方便的城市轨道交通系统之一。于1900年起运行至今已有100多年的历史。据统计，巴黎地铁的总长度200多公里，14条主线、2条支线，总计有380个车站，87个交会站。每天的客流量超过600万人次。在这个发展过程中，逐渐形成了法国铁路标准（NF railway standards）。如今这些标准被全世界轨道交通行业借鉴、引用及执行。

我国现代城市轨道交通是以1965年7月1日开工建设的北京地铁为开端，发展至今已有50年的历史。随着我国经济的发展和城市化进程的加快，大城市及特大城市都在走一条以轨道交通系统为骨干，以公共交通为主体，多种交通方式相互协调的综合智能化交通系统。随着城市轨道交通建设的发展，以车辆为代表的技术体系也实现了现代化。通过国际技术交流合作，引进先进技术，实现设计制造技术的现代化。在与国际接轨的过程中形成了具有中国特色的城市轨道交通政策、法规和标准体系。

1994年11月20 日由法国标准化协会会长批准执行的NF F31-054，专门用于城市及郊区铁路网运输的客车车门特性-启闭-检测和实验，其中，客车车门水密性试验（我们习惯称之为淋雨试验）是该标准中一项重要的操作实验［1］。

市场上淋雨试验装置种类繁多，没有统一的规定。但是，所有淋雨试验装置中都必不可少的是淋雨喷嘴装置。整个淋雨试验的成功关键也在于淋雨喷嘴的设计制作。各种淋雨喷嘴的结构形式也有很多，本文主要研究其中一种结构：螺旋槽式的淋雨喷嘴结构。

1 NFF31-05标准关于淋雨试验要求解读

1994年11月20 日执行的NF F31-05标准关于客车车门淋雨试验要求如下：

该试验在正常大气条件下进行，接受试验的车门安装在接触面与车厢接触面相同的结构上。车门关闭上闩。

门的外表面接受喷头喷水，同时加以保护以免水喷到内表面上。

10个喷嘴规则地安装在垂直栏杆上，第1个位于门槛上，最后一个在门体顶部密封层的上方，垂直于车门，距车门（300±10）mm。

每个喷嘴在垂直面上的喷射角度为（50±2）°。

在两喷嘴喷水覆盖区域的重叠区域的喷水图案的水为卵球形，长轴为垂直方向，喷射宽度为（45±5）mm。

栏杆与车门的相对位移速度为（3±0.15）cm/s。

水压值为（300±10）KPa，即水压值为3bar.

每个喷嘴的最小流量（包括两端喷嘴）为7L/min。

与1994年执行的NF F31-054标准相对应的是2005年德国标准化研究所编制并由拜尔特出版社有限责任公司出版的欧洲标准EN 14752:2005，该标准由欧洲标准化委员会（CEN）成员国比利时、丹麦、德国、爱沙尼亚、芬兰、法国、希腊、冰岛、爱尔兰、意大利、拉脱维亚、立陶宛、卢森堡、马耳他、荷兰、挪威、奥地利、波兰、葡萄牙、瑞士、瑞典、斯洛伐克、斯洛文尼亚、西班牙、捷克共和国、匈牙利、英国和塞浦路斯国家标准局一致通过并实施至今，为世界上很多铁路同行所采用。EN 14752：2005标准是在NF F31-054的基础上形成的，其中关于淋雨试验要求项目，EN 14752：2005标准与NF F31-05标准相比，喷嘴流量由7L/min变更为14L/min，流量成倍增加，其余的要求基本无变化［2］。

2 淋雨喷嘴设计：

2.1 淋雨喷嘴设计必须同时满足标准中的以下几个条件：

①水压值为（300±10）KPa，即水压值为3bar.

②每个喷嘴在垂直面上的喷射角度为（50±2）°

③每个喷嘴的最小流量（包括两端喷嘴）为7L/min。

2.2 喷嘴总体结构

喷嘴总体结构由喷嘴体、喷嘴芯、喷嘴盖三部分组成。喷嘴体起连接作用，喷嘴体一端连接给水装置，另一端连接喷嘴盖。喷嘴芯装在喷嘴体内，喷嘴芯上带螺旋槽。

2.3 确定喷嘴盖上小孔直径

由于喷嘴盖厚度较薄，孔径相对于喷嘴长度尺寸的比例符合液压原理上的薄壁小孔流量规律，因此此处喷嘴盖的小孔直径确定套用液压原理上的小孔薄壁流量公式［3］。

10个喷嘴每分钟最小流量是70L，根据这个要求，利用压力、流量、薄壁小孔流量函数关系先确定出每个喷嘴盖上的小孔直径：

式中，d为喷嘴小孔直径，单位：mm；p为喷射压力，单位：bar；q为喷射流量，单位：L/min；n为喷嘴个数。此处取1；

可以得出喷嘴小孔直径：d=3.2mm。

2.4 确定喷芯螺旋槽相关尺寸

在喷嘴流量及喷射角度确定的情况下，反推确定喷芯螺旋槽结构的相关参数。此处螺旋升角理论数据应为25°，由于制造误差及摩擦阻力因数的影响，此处螺旋升角选择为30°。为了保持喷芯在喷嘴体内平稳，螺旋槽头数设计为3。螺旋槽深度及宽度尺寸根据单位流量即可确定。

由于理论计算与实际工作环境有一定的误差，因此喷嘴设计并制作出来后，还要经过试喷及修正参数的过程，最终才能实现喷射压力、喷射流量、喷射角度的完美统一（见图1）。

图1

2.5 两淋雨喷嘴喷水重叠区域图案为卵球形的验证

如图2所示，由于两喷嘴喷出水的形状均为圆锥体，两个圆锥体相交的相贯线即为卵球形。

图2

设两淋雨喷嘴碰水重叠区域交叉点距离喷嘴出水口的距离为L，单位为mm，

喷水轮廓线与中心线的角设为α，单位为度。

由几何关系可得：

L=250/tgα，

代入相关数据即可得出：

L=536.48mm

图3

即从理论上讲，两喷嘴喷出的圆锥体水柱在距离喷嘴536.48mm处开始相交，形成卵球形图案。当然由于外界因素，如喷嘴制造误差、风向等的影响，两水柱的交汇距离L可能不是536.48mm，是一个变化值。但这不影响整个淋雨试验的结论（见图3）。

3 结语

本文通过对法国NF F31-054中关于客车车门水密性试验要求的解读，参照液压控制系统理论技术及螺旋槽理论原理，设计并制作出了螺旋槽式淋雨喷嘴，为NF F31-054水密性试验装置喷嘴设计起到了抛砖引玉的作用。作者主导研制出来的淋雨试验装置完全符合相关标准要求，得到了法国阿尔斯通等国际知名车辆制造公司的验收认可。

［1］NF F 31-054 Railway applications-Rolling stock Testing of rolling stock on completion of construction and before entry into service，1994.

［2］EN 14752-2005 Rail⁃way applications-Bodyside en⁃trance systems，2005.

［3］常同立.液压控制系统.清华大学出版社，2014.

Application of Helical Groove Principle inWatertightness Test Standard NF F31-054 of Door System for Railway Vehicle

Dong Naiwei
(Nanjing KangniMechanical&ElectricalCo.，Ltd.Nanjing Jiangsu 210013)

Through a interpretation of France railway standard NF F31-054，this article designed helical groove type water test nozzle with know ledge of hydraulic control theory and structure principle of helical groove.This water test device，mainly developed by the author，has acquired the acceptance of internationally-renowned customer，therefore is validated by actual test.

France railway standard NF F31-054，water test，hydraulic control theory，princip le of helical groove

U270

：A

：1003-5168（2015）03-0058-3

2015-2-24

董乃伟（1975-），男，大专，工艺师，研究方向：轨道车辆门系统制作工艺及检测装备。