高速动车组给水系统研究

贾树峰，魏 凌，李晋辉，杨旭升

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术中心，山东 青岛 266111)

随着高速铁路通车里程的不断增加，高速动车组成了人们出行的重要选择[1]。在高速动车组的各项设施中，给水系统是极为重要的一部分，其主要职能是为旅客、乘务人员等提供洗漱用水、电热水器用水、厨房用水和集便器冲洗用水等各项服务。高速动车组给水系统设计过程中，不但需要实现基本服务功能，而且需要更加的人性化、标准化，更好地满足人员需求，提供优质服务[2-3]。

技术体系的区别使得高速动车组的设计也不尽相同，但是基本特点在于降低车辆重心且使各个部件轻量化[4-5]。国内外对高速动车组给水系统的研究主要集中在供水方式[2]、水管路防冻优化设计[6]等方面，少有对整车给水系统施工设计方案的完整介绍。本文以CR400AF型动车组为研究对象，通过对净水箱进行容量计算和强度仿真分析，以及对供水管路防冻加热功率进行计算，详细介绍了高速动车组给水系统的设计原则，为后续高速动车组给水系统的设计提供了理论依据。

1 系统组成

CR400AF型动车组给水系统主要由车下净水箱、车下水泵装置、电气箱、注水管路、溢水管路、供水管路、排水管路、防冻装置、液位开关、车下液位显示器等部件组成，其主要配置方式和原理如图1所示。

图1 CR400AF型动车组给水系统原理图

2 方案设计

2.1 净水箱结构及参数设计

CR400AF型动车组设有车下净水箱，供水方式为压力供水，其主要功能为接收来自线路供水系统的净水，在动车组运营过程中储水，为车上用水部件供水，为旅客提供饮用水和卫生系统冲洗用水。净水箱采用模块化设计[3]，集成注水口及其防护装置，注水口符合TB/T 1720—2017《铁道客车及动车组给水装置》的相关要求，与线路供水系统相适应。CR400AF型动车组净水箱技术参数如表1所示。

表1 CR400AF型动车组净水箱技术参数

净水箱内箱及其内部骨架采用不锈钢板，泵房区域采用铝板，在箱体完全密闭时，箱体内注入25 kPa压缩空气，保压1 h后，箱体结构无变形。净水箱自带泵水系统，为车上用水部件供水。车下水泵装置采用集成化设计，位于净水箱端部泵房内，主要由水泵(包含压力缓冲罐、流量开关、扬程压力开关)、吸气检测开关、泄漏检测开关、进水电磁阀、排水电磁阀、电气箱等组成。动车组供水系统通过检测管路压力控制水泵启停，实现自动供水；系统具有集控排空[7]、0%和25%低液位报警、5档液位检测及显示、防冻加热、加热状态显示、泄漏保护等功能。为保证系统在低温环境下的正常使用，净水箱、水泵均设有防寒及电加热装置。净水箱设置在车下设备舱内，可避免石击风险。车下净水箱外形结构如图2所示。

图2 车下净水箱外形结构图

2.2 管路布置原则

(1) 净水箱注水管上需设置过滤器，以减少杂质进入净水箱。注水管向注水口部位可自然回流，如果存在水平布置管路，需有安装斜度(不低于5/1 000)，任何部位不得存水。

(2) 净水箱溢流管路自净水箱溢水高度向溢水口处可自然溢流，如果存在水平布置管路，需有安装斜度(不低于5/1 000)，任何部位不得存水。

(3) 管路布置需根据管路材质、接头的连接工艺综合考虑。铜及铜合金需考虑管接头的钎焊操作空间；不锈钢管路需考虑管接头的螺纹紧固操作空间。

(4) 供水管路主管路、支路上需设置截止球阀，以便在用水设备故障时，单独关闭该支路而不影响其他设备使用。截止球阀附近应开检查门，以便于截止球阀的开关操作。

(5) 管路布置需考虑日后检修的需要，预留足够的检修空间，特别是过滤器等需要定时更换的部件，需方便操作。

(6) 低温环境下管路需考虑防冻保温措施：当使用环境温度在0 ℃左右时，管路表面可通过安装防寒保温材以保证使用，材料一般采用玻璃丝棉或PE保温材等其他符合设计要求的材料，保温材的安装方式可参照Q/SF 65-132—2016《动车组给水管路组装及试验作业规范》执行；当环境温度低至通过安装防寒保温材后仍能发生冻结的可能时，需设置电加热带。电加热带的缠绕方式参照Q/SF 65-132—2016执行。

(7) 在供水管路的最低位置设置常开式排水电磁阀，动车组断电后，供水管路中存水可自动排空。

(8) 管路布置需向管路排水结构处倾斜，车下管路安装需保证向车下水箱处倾斜，车上管路安装斜度不低于5/1 000。

3 数值计算

3.1 水箱容量计算

水箱容量一般情况下需满足动车组至少运行一天的用水需要，如果用户有特殊的需求，可根据要求确定水箱容量。水箱容量的计算需要考虑动车组的定员情况、用水设备的使用频次、每人次耗水量、动车组的运行时间等因素，国内动车组用水箱的容量计算可根据以下经验公式计算：

Q=K·P·T·(C1+C2+C3)

(1)

式中：Q——水箱容量，L；

K——修正系数(根据单程运行时间确定，具体见表2)；

表2 修正系数数值

P——定员，人；

T——运行时间(根据单程时间、往返次数确定)，h；

C1——每名乘客每小时饮用水量，L/(h·人)；

C2——每名乘客每小时冲洗耗水量(便器每次冲洗耗水量×卫生间使用频次)，L/(h·人)；

C3——每名乘客每小时盥洗耗水量(盥洗每次冲洗耗水量×盥洗室(或卫生间)使用频次)，L/(h·人)。

根据CR400AF型动车组采购技术条件要求，列车最高运行速度为350 km/h，整列车定员为556人，单车最大定员为85人，供水设施间隔距离为1 320 km，往返时间为9 h(以300 km/h运行速度计算)，K取1.1；据医学统计，1名乘客1天饮水量约为2～2.5 L，取2.5 L作为设计参数，1天饮水时间16 h，故C1=0.156 L/(h·人)；根据长期积累的调研数据，卫生间使用频次为0.185次/(h·人)，普通便器冲洗耗水量为0.5 L/次，故C2=0.092 5 L/(h·人)；根据长期调研数据，盥洗室使用频次为0.245次/(h·人)，卫生间内水阀耗水量为0.15 L/次，盥洗室水阀耗水量为0.25 L/次，此处按每次洗手需按压2次水阀进行计算，故C3=0.25×2×0.245+0.15×2×0.185=0.178 (L·(h·人)-1)。从而可计算出车辆往返行程净水箱所需容量Q= 1.1×85×9×(0.156+0.092 5+0.178)=359(L)，据此确定每车净水箱设计容量为400 L时，可满足车辆往返行程用水需求。

3.2 仿真计算

净水箱内箱总重230 kg，容积400 L，箱体体板厚度均为2.5 mm，材质均为304不锈钢；安装座材质为304不锈钢，底部承载部分骨架厚度3 mm，侧边吊座下方槽钢承载部分骨架厚度3 mm，其余侧边槽钢承载部分骨架厚度2 mm，中间横向支撑部分骨架厚度3 mm，顶部横向支撑部分骨架厚度1.5 mm。

首先根据净水箱的实际结构和尺寸建立箱体的几何模型，对净水箱的几何模型进行离散。使用HyperMesh软件进行几何处理和单元网格划分[8-10]，因为净水箱结构属于弹性薄壳结构，所以分析中采用壳单元SHELL，单元大小为12 mm，共划分74 909个单元，75 846个节点。之后，利用ABAQUS软件进行求解计算及后处理，对净水箱(400 L)进行25 kPa保压仿真计算分析。净水箱有限元模型如图3所示。

图3 净水箱有限元模型

在保压载荷工况中，在箱体内面上加载25 kPa压力(垂直于内面方向向外)，保压载荷工况下净水箱的变形图和等效应力云图分别见图4、图5。

图4 保压载荷工况下净水箱变形图

图5 保压载荷工况下净水箱等效应力云图

由图4、图5可见，在保压载荷作用下，净水箱的最大变形为4.8 mm，净水箱的最大应力为182.7 MPa。304不锈钢的屈服强度为205 MPa，安全系数为1.12，满足强度要求[8-10]。

3.3 防冻加热功率计算

供水管路的防冻措施主要为：在管路外表面螺旋缠绕恒功率电伴热线(25 W/m、2 m/根)，然后包裹保温材(富乐斯保温材)，用尼龙扎带捆扎固定，由温控器控制电伴热线对管路进行加热[11-13]。温控器工作原理为：温控探头感受温度达到(35±3) ℃时，温控器断开触点，电伴热线停止对管路进行加热；温控探头感受温度降至(27±3) ℃时，温控器恢复接通触点，电伴热线开始对管路进行加热，维持管路温度不低于5 ℃，供水管路保温示意图如图6所示。

图6 供水管路保温示意图

车下供水管路材质为铜，所需加热功率主要受外界环境温度、管路外径、保温材厚度等因素影响。动车组供水管路所需加热功率(加30%安全系数)可根据经验公式(2)进行计算：

Qt={[2π(TV-TA)]/[(lnDo/Di)/λ

+2/(Do×α)]}×1.3

(2)

式中：Qt——单位长度管道的热损失，W/m；

TV——系统要求的维持温度，℃；

TA——当地的最低环境温度，℃；

λ——保温材料的导热系数，此处取λ=0.035 W/(m·℃)；

Di——保温材内径(管道外径)，mm；

Do——保温材外径(Do=Di+2δ)，mm；

δ——保温材厚度，mm；

α——保温材外表面向大气的散热系数(与风速有关，考虑到高速动车组供水管路位于设备舱内部，此计算忽略风速的影响)。

本文设定动车组运行外界最低环境温度为-40 ℃，供水管路规格为铜管φ22.2 mm×1.14 mm，保温材厚度为9 mm，可计算出维持供水管路温度不低于5 ℃时所需加热功率为22 W/m，从而可确定，每1 m供水管路需缠绕1根恒功率电伴热线。

4 结论

本文通过进行净水箱容量计算和净水箱强度仿真分析、供水管路防冻加热功率计算，详细介绍了CR400AF型高速动车组给水系统的配置原则，可得出以下结论：

(1) CR400AF型动车组给水系统主要由车下净水箱、车下水泵装置、电气箱、注水管路、溢水管路、供水管路、排水管路、防冻装置、液位开关、车下液位显示器等部件组成。

(2) 车下净水箱供水方式为压力供水，采用模块化设计，自带泵水系统，集成注水口及其防护装置，系统具有集控排空、0%和25%低液位报警、5档液位检测及显示、防冻加热、加热状态显示、泄漏保护等功能。

(3) 供水管路布置需充分考虑管接头的施工和日后检修空间，任何部位不得存水，低温环境下管路需考虑防冻保温措施。

(4) 通过净水箱容量计算，为满足动车组单车最大定员85人、供水设施距离1 320 km的往返需求，净水箱设计容量为400 L。

(5) 通过净水箱结构强度有限元仿真分析，在25 kPa保压载荷作用下，净水箱的最大变形为4.8 mm，最大应力为182.7 MPa，安全系数为1.12，满足强度要求。

(6) 通过供水管路防冻加热功率计算，当外界环境温度为-40 ℃时，维持供水管路温度不低于5 ℃，每1 m供水管路需缠绕1根恒功率电伴热线。