机车淋雨架系统设计及改造

谢庆想 王新权

中车株洲电力机车有限公司 湖南 株洲 412001

正文：

1 设计背景

机车事业部原有的淋雨架顶部喷头水压、喷头布局方式以及喷淋到机车表面的雨量都无法达到新铁标要求。原淋雨架设计为均分两段控制，无法根据不同长度的机车车型进行调节，造成水资源的大量浪费。水阀的打开全部是通过人工操作，顶部压力控制困难，须多次调整，浪费时间及调整期间的水资源。

2 设计方案总体说明

本设计施工方案根据淋雨架系统设计任务书、《TB/T2054—2017机车淋雨试验方法》和《电力机车出厂试验规则》的相关内容，参考原机车淋雨架图纸，并结合现场情况全面考虑而提出。本设计施工方案内容包括喷头布局及选型、管道的布局设计、淋雨架支架改造及管道、电气安装和土建等部分。

3 具体方案设计及改造实施

3.1 淋雨支架部分

淋雨架结构外形尺寸保持不变，长49200mm，宽5350mm。原淋雨架顶部检修通道拆除，纵向新装Φ20圆钢，以便于检修时悬挂安全装置。两侧检修走道下移至距地面2.5m高，宽度由原来的400mm加宽至500mm。两侧检修走道支架由原来的L50角钢更换为[80槽钢制作，制作完成后采用螺栓固定在支架立柱上。

3.2 淋雨架喷头选型及布局设计

（以35.2米长车型为例，出水口压力达到0.2MPa，为确保各面淋雨量需达到6mm/min，X表示单个喷头在0.2MPa压力下的额定流量）：顶部横向设置6个喷头，其中4个垂直向下，2个与水平面成45度角，横向喷头间距800mm，纵向喷头间距为600mm：（4+2/5*2）*35.2/0.6*X=35.2*3.1*6 X=2.325L/min

单侧面竖直方向设置4个喷头，与水平面成45度角，喷头间距600mm（竖直方向间距及纵向间距相同）：（3/5+2+1/3）*35.2/0.6*X=35.2*1.5*6 X=1.84L/min

两端面分别设置两排45度角的喷头，每排3个喷头，并与顶部竖直方向喷头同时进行喷淋：（3*2+4*2+2/5*2）*X=3.1*2*6 X=2.51L/min

根据标准要求各面淋雨量不小于6mm/min，参考设计手册选取喷头流量大小为3.1L/min，喷口额定直径为2.0mm，接头大小为1/8，喷头总数量为1170个。

3.3 淋雨架管网系统水力计算

管网系统水力计算的目的是计算出管网总流量，确定管网各管段的管径，计算能满足最不利点处配水点所需水压要求，选定变频水泵型号。淋雨架管网总流量的确定，根据TB/T2054—2017《机车淋雨试验方法》要求：淋向机车各面的雨量不应低于6mm/min,持续时间不少于15min。按两台电力机车的尺寸S=[22.7×（3.29+3+3）+3.29×3×2]×2=460m2计算，管网总流量：Q=6mm/min×60min×460m2÷1000×1.15 =190m3/h(其中1.15为设计流量系数)

3.4 淋雨架管网管道管径计算及管道布置

（1）总进水管管径计算：D=(4Q/Vπ)1/2

式中D---计算管段的管径（m）；Q---计算管段的设计秒流量（m3/s）；V---管段中的流速（m/s）（查设计手册取经济流速1.8m/s）。算出管径D=0.193m，选取Φ219×10的不锈钢管。

（2）淋雨架管网水平管管径计算：

单排水平管的设计秒流量Q=85个×3.1L/min÷60÷1000=0.00439 m3/s，查设计手册取经济流速V=1.2m/s，根据上式算得管径D=0.0683m，选取Φ89×5的不锈钢管。

（3）各区域上水支管数量计算：

23米区域设计流量为1170÷49.2×23×3.1×60÷1000=101.7m3/h，查设计手册，DN80管道在流速V=1.2m/s时的流量为21.7m3/h，算得管道数量为4.7根，23米区域支架为6跨，设6根Φ89×5的不锈钢上水支管。13米区域设计流量为1170÷49.2×13×3.1×60÷1000=57.5m3/h，查设计手册，DN80管道在流速V=1.2m/s时的流量为21.7m3/h，算得管道数量为2.65根，设3根Φ89×5的不锈钢上水支管。10米区域设计流量为1170÷49.2×10×3.1×60÷1000=44.2m3/h，查设计手册，DN80管道在流速V=1.2m/s时的流量为21.7m3/h，算得管道数量为2.1根，设3根Φ89×5的不锈钢上水支管。3米区域设计流量为1170÷49.2×3×3.1×60÷1000=13.3m3/h，查设计手册，DN80管道在流速V=1.2m/s时的流量为21.7m3/h，算得管道数量为0.62根，设1根Φ89×5的不锈钢上水支管。

（4）喷嘴支管管径选取Φ20×2的不锈钢管。

根据并联管路流动规律,单位质量流体经各支管能量损失相等、各支管流量之和等于主管流量。通过调节上水支管蝶阀角度，使各支管流量相等，保证主分水管内水的压力及分布均衡。

3.5 淋雨架管网压力的确定

（1）管道沿程水头损失计算：参见淋雨架管网系统图,以最不利点喷嘴支管的水力计算式为：h=9.8iK1l

式中h---管道沿程水头损失，i---水力坡降，K1---修正系数，L---管段长度

管网系统图及最不利点管线图

最不利点喷嘴支管水力计算表

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（2）局部水头损失计算：局部水头损失含有过滤器ξ=2.2,水泵进口ξ=1.0,蝶阀ξ=0.3,弯头ξ=0.26,三通ξ=0.3,四通ξ=0.37,异径管ξ=1.5 等,局部水头损失按照沿程水头损失的30%计算，即1.898×30%=0.57米。合计水头损失∑h=2.468米≈2.5米。

（3）管网压力计算：根据管网压力H=H1+H2+∑h+HK计算

式中H1--最远最高点喷嘴所需压力，H2--最远最高点喷嘴与主供水管的高差，∑h--管道水头损失，HK--安全水头1.5米，确定管网所需压力：H=20+5.8+2.5+1.5=29.8米。

3.6 水泵的选型

目前公司自来水正常压力为4kgf/cm2，根据上述管网压力计算结果，基本上能满足淋雨架管网压力。另外按照机车事业部提出的淋雨架技术要求，淋雨架末端水压范围：0.1-0.3MPa之间可调。按照上述需求选用KQL150/315-30/4型变频泵（H=32m；N=30KW；Q=200m3/h）。水泵安装见说明书，采用自吸式低声水泵，基座下安装橡胶隔振垫。管道穿墙洞应设防振措施，其孔口径与管道间宜填玻璃纤维。

4 改造效果

根据新铁标的要求重新进行设计并对设备技术改造，确保水压及流量，使出水口压力达到0.2MPa（并可根据工艺需求在0.1MPa-0.3MPa之间可调），各面淋雨量达到6mm/min。采用中水（废水处理站回收利用的水）优先，其次自来水，再自来水增压模式淋雨，同时分四段可单独控制淋雨方式来达到节约水资源：1）若采用中水淋雨，每天节约用水约100吨；2）若全部使用自来水，在正常淋雨情况下，以HXD1型机车为例，每台车现一次淋雨量约为81吨，若以原控制方式淋雨量约为105吨；以HXD1C/D为例，每台车现一次淋雨量约为40.5吨，若以原控制方式淋雨量约为87.5吨。按2018年年度569台/节机车（其中HXD1型、神华、C6修等256台，HXD1C10台，I型动车组30台，工程车17台）进行计算，可节约用水约8823吨；3）若补漏后再进行淋雨检查，可根据漏点的位置采用分段淋雨，较原两段控制方式能节约更多的水。

5 结束语

采用电动控制水阀，实现自动化控制，压力在量程范围内自动调节，时刻保持设定压力的准确性，同时减少员工劳动量。

作者简介：谢庆想（1988-），男，广西北海人，本科，工程师，中车株洲电力机车有限公司从事设备技术管理工作。王新权（1972-），男，河南郑州人，本科，工程师，中车株洲电力机车有限公司从事动能技术管理工作。