动车组集便器检修线设计

王孝君， 秦传鑫

(1 北京铁路局 车辆处， 北京 100860；2 北京铁路局 北京动车段， 北京 102600)

近年来，随着高铁、客专等线路的大规模开通，速度快、舒适度好的高速动车组列车越来越成为人们出行的首选交通工具。动车组列车运行速度及运行线路条件均远高于普速列车，为了解决以往直排式污物处理方式对铁路沿线环境造成严重影响，杜绝运行列车抛洒异物对列车及沿线产生的安全隐患，采用真空集便器方式处理污物，使列车运行途中做到零排放，不仅打造绿色生态铁路线，而且还能带给旅客舒适安全的出行环境。

1 高速动车组集便器检修问题与检修设计方案

虽然集便器的功能比较单一，但真空集便器实现了收集污物而不影响车体环境的重要功能。为保障列车运行过程中这整套集便器系统能够正常运行，需要对其进行定时检修。我国动车组检修规程中规定，动车组在运行状态下，仅能对集便器进行在线故障处理，只有在检修状态下才能进行系统的车下检修。以往针对不同类型的集便器需要不同的检修设备，工序繁杂。为集中统一检修不同动车组的集便器，设计了动车组集便器统一检修方案和检修工艺，能够完成5种动车组集便器的座便器、小便器、污物箱检修，能够实现无线远程控制，统一了检修方法等功能，满足了不同类型集便器集中统一检修。

图1是设计的检修工艺方案示意图，检修方案包括了待修待检区、污物箱分解检修组装区、污物箱便器试验区、便器配件检修区、清洗消毒区、配件储存区，涵盖了所有动车组集便器关键部件。

2 动车组集便器原理及检修工艺需求

检修工艺需根据集便器的功能原理和实际情况(场地、工具、人员)设计，集便器的功能原理是设计检修工艺的决定因素。真空集便器根据真空产生的位置不同，可分为在线式、压力冲水式、保持式和中转式4种类型[1]。高速动车组主要有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH380A/AL、CRH380B/BL、CRH380CL等系列，其中CRH1型动车组主要采用在线式真空集便器，CRH2型动车组主要采用压力冲洗式真空集便器，CRH380B系列动车组主要采用真空保持式真空集便器，CRH380A系列、CRH3C、CRH5A型动车组主要采用中转式真空集便器。

图1 集便器检修工艺布局图

2.1 在线式集便器原理

在线式真空集便器一般由便池、喷射器、污物箱3部分组成。在线式真空集便器的优点在于吸污效果好、冲刷等待时间和单次冲刷循环时间较短，不受污物箱容量的限制，维修简单，但其能耗较大[2]。

污物箱需处于常压状态，启动喷射器，在便池和污物箱之间的管道内产生约-35 kPa的间隙式真空，同时压缩空气作用于水增压器，产生一定压力的水流冲洗便池，再排放阀打开，在压力水流和间隙式负压力作用下，污物被吸入污物箱，随之排放阀关闭。

2.2 压力冲洗式集便器原理

压力冲洗式真空集便器一般由便池、水增压装置和污物箱组成。压力冲洗式真空集便器优点在于能耗小、维修简单，但其污物清理效果不够理想。

其冲洗水出口安装在便池组成单元内部，通过电磁阀控制压缩空气作为动力，操作水增压装置和排污阀工作。冲洗用水由压缩空气增压，产生大于0.3 MPa的压力水对便池进行冲洗，污物在压力水冲洗及重力的双重作用下被排放到污物箱内后瓣阀关闭，水增压器恢复水位。为防止异味，便池在排污过程中启动废排风扇将异味排到废排风道中。

2.3 真空保持式集便器原理

真空保持式集便器的优点在于清理效果好、排污率高、管路污垢较少，但其耗能较大。

真空保持式集便器通过真空发生器上的喷射器将整个污物箱抽成负压，在污物箱和排污管内建立并保持一定的真空度(一般真空度需达到-18 kPa以上)。冲洗时，压缩空气作用于水增压器，产生一定压力的水流冲洗便池，随之排泄阀打开，在压力水流以及污物箱和管路负压力的双重作用下，将污物吸入污物箱后，排泄阀关闭，水增压器恢复水位，为下次冲洗做好准备。

2.4 中转式真空集便器原理

中转式真空集便器最大的优点就是空气消耗量小，各部件安装紧凑，节省空间；而存在的最大缺点就是增加了容量较小的中转箱和相应的进、出口阀门，使得中间环节增加，导致容易堵塞，同时由于部件紧凑导致维修难度加大[3]。

中转式真空集便器在便池与污物箱之间增加了一个中转箱，喷射器只在中转箱中产生真空。冲洗时，中转箱首先产生约-40 kPa的负压力，污物在水增压器产生的冲洗水压力和中转箱负压力的作用下被输送到中转箱内，污物进入中转箱后，气源处理装置在中转箱内冲入压缩空气，使中转箱内形成正压(一般达到约60 kPa)，中转箱内的污物在正压力的作用下通过管路被输送到非密闭式污物箱中。

2.5 集便器检修需求

集便器检修线包括集便器污物箱功能试验台、便器试验台、污物箱翻转台、便器检修台、测试平台、检修管理信息系统等模块。根据上述集便器的功能原理，集便器检修线各模块需求如下：

(1) 集便器污物箱功能试验台需满足①检测伴热线、电加热管功率及加热指示是否功能正常；②检测污物箱上配线各项与地之间的绝缘耐压性能；③真空密封性检测功能；④液位动作检测功能。

(2) 集便器试验台需满足①冲洗动作检测功能：②冲洗流型检测功能；③冲洗管路泄漏检测功能；④冲洗循环时间检测功能；⑤真空度检测功能；⑥压力开关动作点检测功能。

(3) 污物箱翻转台需满足①污物箱分解、组装作业时的翻转；②转速需达到3 r/min；③紧急停止运行功能；④电机过热保护功能；⑤安装座位位置可调，满足不同外形尺寸部件要求。

(4) 集便器检修台需满足：满足各集便器的分解、组装及集便器性能的测试工作。针对集便器零件进行检修，滤掉不合格配件，并确保维修过的配件都能达到装车要求。

(5) 集便器测试平台满足：检测集便器是否正常完成整个冲洗动作循环功能。包括检测冲洗流型是否正确、冲洗管路及接头有无泄漏、检测完成一次冲洗循环的时间、检测抽真空的真空度值、检测加压压力值、检测压力开关动作点等功能。

(6) 检修管理信息系统需满足①考勤及查询记录相关操作者信息；②记录并查阅各设备信息；③记录相关检测情况；④具备打印功能。

3 检修方案及检修工艺设计

测试平台是集便器检修工艺流程中非常重要的一道检修工序，其测试方法及结果的准确性直接影响到整个集便器检修的工作量。

设计的检修工艺流程如图2。

图2 检修工艺流程图

检修方案工艺设计主要包括集便器污物箱试验台、污物箱翻转台、集便器检修台、集便器测试平台、检修管理信息系统及其他辅助设备等。

3.1 集便器污物箱试验台设计

集便器污物箱由操作台、水箱系统、试验托架等部分组成。操作台采用琴式结构，操作面板上设有用于试验操作的开关及按钮、能显示所有试验项目及参数并且观察其检测状态的液晶显示器，操作台柜体中装有工控机及空气调压阀、水压调节系统等。水箱系统由水箱系统、水泵、压力传感器及溢流阀等组成。集便器整体试验时都固定在试验托架上，排水口直接插入水箱中，实现水循环。检修时，操作台主要由研华工控机操作，将试验过程用程序通过DI/DO板输出至继电器板，驱动相应的电磁阀，进而控制有关气路的通断，以实现试验所规定的动作。2只压力传感器分别将被测件气压和被测件水压转换为标准电流信号，通过AD4117采集模块变换为数字量进入微机处理后即可得到相应的试验结果。试验结果可以在计算机系统中输入并存储，并且可以实现打印功能。

图3 污物箱试验台设计原理图

3.2 污物箱翻转试验台设计

污物箱翻转台是将污物箱固定在翻转台上，通过翻转对污物箱四周进行检测，查看是否破损等。污物箱翻转试验台由架体、翻转体、减速电机、减速机等主要部件构成。翻转台整体为碳钢管和板焊接而成，配备了控制开关柜、内置正反转开关、急停按钮、电机过热保护设施。在使用时，可根据自己的需要进行正转或反转直至污物箱达到需要的位置。满足遇到紧急情况时及时能够切断控制回路，使正转、反转按钮失效，保证设备紧急停止运行。满足当电机出现过压、过流、短路等故障时，电机过热保护器自动断开主控电路和控制回路，对电机及机械部件起到保护作用的要求。

3.3 集便器检修台

集便器检修台主要由拆解区、零件暂存区、零件检修区、组装区、信息存储区组成。配有水源、气源、电源、零件检修需要的仪器仪表以及零件检修需要的工装等，针对便器零件进行检修，滤掉不合格配件，并确保维修过的配件都能达到装车要求。该检修台检修功能设计，涵盖所有类型集便器检修需求，检修内容有：(1)压力开关检修；(2)液位开关检修；(3)压力表检修；(4)水增压器检修；(5)真空发生器检修；(6)中间箱检修；(7)电控模块检修；(8)排泄阀检修；(9)电磁阀检修；(10)安全阀检修；(11)减压阀检修；(12)感应器检修；(13)温控器检修；(14)电加热管检修。

3.4 集便器测试平台设计

试验台装置模拟旅客列车集便器系统，构建模拟气路、真空管路、冲洗水及排污管路，用PLC数据采集技术对真空集便器系统各零部件的各项试验数据进行采集，采集的测试数据经过A/D转换，通过开关量I/O板，控制和读取被试动作，与程序设定的出厂标定数据库进行综合比对，判断所测参数是否合格。

由于各车型集便器的组成不同，所有的测试连接部件均采用模块化，同时均使用快速接头进行连接，图4中所示的原理图是以较复杂的中转式真空集便器为检测对象的集成测试平台原理图。

图4 集便器的集成测试平台组成示意图

集便器功能检测主要检测集便器是否正常完成整个冲洗动作循环。针对真空保持式集便器功能检测主要包括：集便器进行正常冲洗时，冲洗流型是否正确、检查集便器正常冲洗循环中，冲洗管路及接头有无泄漏等。针对推拉式集便器功能检测主要包括：检测集便器进行正常冲洗时，冲洗流型是否正确、检查集便器正常冲洗循环中，冲洗管路及接头有无泄漏、检测完成一次冲洗循环的时间、检测抽真空的真空度值、检测加压压力值、检测压力开关动作点等。

3.5 检修管理信息系统

检修管理系统主要由工控机、触摸屏显示器、键盘、指纹考勤机、条形码生成器、条形码读卡器、终端机配套外壳组成。该系统主要功能是记录并查询工作人员信息；记录相关待修缓存区内，待检设备的名称、来源、数量、现状、进厂日期等信息；查阅相关检测操作手册等资料；记录相关检测情况；具备打印功能。

图5 检修管理信息系统

3.6 其他辅助设备

(1) 高压清洗设备：高压循环清洗设备用于污物管路及污物箱的清洗工作。此设备把清水通过高压泵打入管路和箱体，同时污物箱内清洗完的液体通过转子泵抽回到清洗设备中，实现集中排放。

(2) 电动升降转运叉车：采用进口电控及液压单元，环保节能。其结构坚固稳定。低噪声、无污染、故障率低、易于维修。适用于仓库、货场及狭窄的通道中存取货物。

(3) 存放托盘：主要材料为钢材、镀锌钢板。经专用设备成型，各种型材互相支撑，铆钉连接加强，再经

CO2气体保护焊焊接而成。配合叉车作业，方便存取货物。规格：1 000×1 200×130。

(4) 污物箱水压密闭性试验工装：通过水加压泵对污物箱内胆打100 kPa水压，检测污物箱泄漏点。

4 结 论

拼装式测试平台适用于各型号真空集便器系统的功能检测，该测试平台具有很高的可靠性及实时性。可对系统中所有测试参数进行修改、重新设定，以满足不同工况的测试需要。能够有效地检测各类型集便器是否能正常完成整个冲洗动作循环包括集便器正常冲洗循环中冲洗流型是否正确，冲洗管路及接头有无泄漏等。并且该测试平台具有自动记录和打印功能，把测试数据自动保存在相应设定的目录文件夹中，可选择有用数据进行打印以备查询。测试平台操作流程简便，全部试验主要通过计算机自动控制与检测，极大地降低了测试工作量，一定程度上节省了人力、物力，提高了工作效率，是一种经济有效的测试检修方式。通过该测试平台，在检修各类集便器过程中，有效检测集便器系统故障，并对其故障进行维修，为旅客及铁路沿线营造一个安全、舒适的良好旅途环境。

[1] 中国铁路总公司.高速动车组技术(上)[M].北京:中国铁道出版社,2016.

[2] 范青杨.高速动车组集便器应用对比分析[J].城市轨道交通研究，2013(7)：123-126.

[3] 司全龙，施婷.CRH5A型动车组真空集便系统常见故障处理及分析[J].工业技术，2016(25)：151.