邱慧，閆凱，曾鳳柳，馬麒，張玉寬

(中國鐵道科學研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京100081)

TKH-ZKWC保持式真空集便器系統(tǒng)研制及關鍵技術

邱慧，閆凱，曾鳳柳，馬麒，張玉寬

(中國鐵道科學研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京100081)

根據真空集便系統(tǒng)的使用與安裝技術條件，研制TKH-ZKWC型保持式真空集便系統(tǒng)，介紹系統(tǒng)組成與工作原理，闡述真空發(fā)生、水增壓、便器沖洗、污物箱設計及系統(tǒng)電控等關鍵技術，通過整體性能和主要部件試驗檢測，滿足25型等旅客列車安裝、使用要求。

真空集便器;真空發(fā)生器;便器沖洗;污物箱

真空集便系統(tǒng)采用真空抽吸方式排空便盆，利用壓差將污物直接從便盆輸送至污物箱收集并暫存，集成水增壓裝置，提高沖洗水壓，降低沖洗耗水量，提高沖洗效果，同時具有污物箱安裝位置設計靈活等特點。作為密閉式集便系統(tǒng)，具有較好的優(yōu)勢和適用性，是目前我國鐵路旅客列車采用的主流技術產品。

真空集便系統(tǒng)主要由便器組件、真空發(fā)生裝置、水增壓裝置、污物箱、電控模塊及連接附件等組成。根據真空發(fā)生機理和真空存儲位置不同，有保持式、緊湊式、間歇式和在線式四種基本型式［1－7］。

在線式和緊湊式由于價格較高，座便器集成性、緊湊性優(yōu)勢更為明顯，而蹲便器安裝占用車上空間比較大，目前國內僅在動車組和高速列車上應用。保持式和間歇式集便系統(tǒng)，結構比較簡單，易于維護，真空度足、不易堵塞，能適應安裝空間小、使用頻次大、使用環(huán)境較差等不利條件，適合于除動車外的普通旅客列車應用。相比而言，保持式無等待時間，操作使用更加人性化。

本TKH-ZKWC型保持式真空集便系統(tǒng)，即是針對普通旅客列車真空集便器系統(tǒng)的使用與安裝技術條件研制開發(fā)。

1 使用與安裝技術條件分析

旅客列車集便器，接收和存儲衛(wèi)生間內的糞便污水，實現客車運行期間衛(wèi)生污水的密閉收集。加裝密閉式廁所的技術型式，應根據我國鐵路分布地域廣，乘車人員多、車型多、改裝車輛數量大等特點，按照設備技術成熟，使用可靠、適用性強、經濟合理原則實施。

集便器安裝和加裝主要涉及衛(wèi)生間內地板便器安裝、側板組件盤或電控裝置安裝，以及車底污物箱安裝，應保證足夠的安裝空間和維護檢修空間，根據各型車輛，與車輛廠進行技術對接，確定具體安裝尺寸。

集便裝置應能符合車輛運行氣候環(huán)境條件，一般情況下，設計運行海拔高度不大于2 500 m;對于高原條件，即海拔高度大于2 500 m，影響到真空便器的性能，需特殊設計。使用環(huán)境溫度:車上安裝部件為+3℃～+50℃;車下安裝部件在普通地域使用時為－25℃～+50℃，在寒冷地區(qū)使用為－40℃～+50℃。

真空集便器安裝在旅客列車上，所需動力、沖洗水均利用旅客列車電源、氣源和水源條件。系統(tǒng)應滿足健康和安全要求:不對公共健康產生危害;不對使用者產生危險;不對鐵道客車運行或客車設施、設備產生危險;在任何條件下不應影響到客車的電源、水源以及壓縮空氣源的安全;集便器運行噪聲應嚴格控制，提高乘車舒適性;應防止污物箱內的臭味上返至車內，盡可能降低對車廂內、甚至衛(wèi)生間內空氣質量的影響;沖洗干凈、排空效果好，盡量減少污物殘留。

2 系統(tǒng)組成與原理

系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 TKH-ZKWC型保持式真空集便器系統(tǒng)組成(蹲式)

TKH-ZKWC型保持式真空集便器系統(tǒng)分為車上部分和車下部分。車上部分包括蹲(坐)便器，氣水組件盤，電氣控制系統(tǒng);車下部分包括污物箱和管路。根據客車衛(wèi)生間的配置，可以采用一套污物箱連接一套便器(蹲或坐)的配置;或一套污物箱連接兩套便器(蹲或坐)的配置。

系統(tǒng)氣、水原理如圖2所示。列車氣源接入，經過濾減壓后分兩路，一路進入真空發(fā)生裝置，真空發(fā)生器利用文丘里管原理，為污物箱及系統(tǒng)管路提供真空;另一路進入水增壓裝置，直接通過壓力空氣在水增壓罐內為沖洗水加壓。

待機時，氣水組件盤上的真空發(fā)生器將污物箱抽至一定真空度，并保持在一定范圍內。便器沖洗時，按下沖洗按鈕，系統(tǒng)進入便器沖洗循環(huán)過程。首先水增壓器內的水被壓縮空氣加壓，沖洗閥打開，對便盆進行沖洗，在沖洗動作將要結束時，便器排泄閥打開，便盆內糞便污水在真空抽吸作用下，被抽至污物箱內。排污結束后，排泄閥關閉，水增壓器開始補水，真空發(fā)生器開始補真空，直至水增壓器內液位和系統(tǒng)真空度達到設定值，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。

3 系統(tǒng)關鍵技術

3.1 真空發(fā)生技術

真空發(fā)生器為系統(tǒng)提供真空，是核心部件之一，其選型及性能參數直接影響真空集便系統(tǒng)的使用性及可靠性。

本系統(tǒng)采用二級噴射管真空發(fā)生器，降低壓縮空氣消耗量，同時增加對壓縮空氣壓力波動適應性。真空發(fā)生器集成塑料材質止回閥，減少止回閥故障的可能性;真空壓力開關采用不銹鋼材質，降低結垢的可能性，同時減少雜質進入的可能性。在污物箱上加裝氣水分離器，從根本上降低真空發(fā)生裝置故障的可能性，提高其可靠性。

圖2 TKH-ZKWC型保持式真空集便器系統(tǒng)氣、水原理圖

根據真空發(fā)生器抽真空壓力、耗氣量、供氣壓力、抽真空時間之間的關系，試驗驗證設定工作真空度(－25～－30 kPa)，滿足降低耗氣量、縮短抽真空時間、保證抽吸排污效果的實際使用要求。

3.2 水增壓技術

為保證沖洗水具有一定壓力和一定流量，保證沖洗效果，需要設置水增壓裝置。目前采用較多的水增壓裝置主要有隔膜式和水罐式兩種。

隔膜式水增壓器，壓縮空氣與水不直接接觸，排氣閥無水霧噴出，沖洗水不會出現大量氣體，但由于其橡膠隔膜疲勞及老化，壽命有限，水增壓器容易泄漏。

本系統(tǒng)采用水罐式水增壓裝置，改進水增壓罐內部結構，以提高其適用性。快速排氣閥安裝孔處設置擋水板，避免水霧噴出。適當增加水罐容積，保證每次沖洗后，水增壓罐內均有一定水剩余，避免水氣噴射沖洗。

3.3 便盆沖洗技術

便器最佳沖洗效果應該盡可能達到便盆表面沖洗全覆蓋、污物沖洗無殘留、污物排放無回流，同時還應該滿足沖洗水無外濺、污物無飛出等人性化使用要求。沖洗效果既包括污物沖洗干凈，又包括污物排空干凈。沖洗干凈主要取決于沖洗流型、沖洗水壓、沖洗耗水量、便盆盆形、便盆表面污物粘附性等因素。污物排空干凈主要取決于抽吸真空度、抽吸時間、排污口設計等因素。

座便器便盆曲面對稱、盆形簡單、弧度較大，沖洗排空更容易。而蹲便盆盆形復雜、內表面積較大，采用0.5 L沖洗水很難覆蓋全部內表面，將便盆沖洗完全干凈有一定難度。為達到較好的沖洗效果，首先進行便盆曲面設計，采用不銹鋼整體沖壓，便斗深度比既有產品更深，曲面過渡更加圓滑，內表面拋光處理。

根據便盆曲面分析結果和沖洗水流型全覆蓋要求，進行蹲便器和坐便器沖洗流型設計。沖洗流型分旋流沖洗和直噴(扇面)沖洗兩種。通過對比分析與試驗研究，旋流流型噴嘴位置合理、數量較少，可保證每個噴嘴具有一定的出水壓力和出水流量(見圖3)。其噴嘴型式為斜孔噴射型，噴嘴內部結構特殊設計。

為保持流型可控，噴嘴布置于曲面曲率過渡處附近、便盆邊緣直立曲面上。另在需要大水流處增加出水口，水流配合作用達到預期沖洗效果。

蹲便盆和坐便盆各設置3個噴嘴，噴嘴采用座體和蓋組合形式，便于維護。選用內徑不小于6 mm的快插接頭和PU管將噴嘴座體與管道干路進行鏈接，組成沖洗環(huán)。

通過試驗，氣源壓力設定約0.45 MPa，沖洗時間設定1.5～2.0 s，沖洗效果滿足便器使用，耗水量≤0.5 L，達到沖洗干凈要求。

3.4 污物箱設計

圖3 便盆沖洗流型設計(旋流流型)

污物箱主要作用是在列車運行期間，收集和暫存糞便污水。其安裝數量、安裝位置和安裝方式根據車輛車型有所不同，但總的原則是安裝于衛(wèi)生間就近位置，通過吊梁或吊耳等形式，懸掛于車底。除部分車型車底設計有污物箱防護罩外，大多數污物箱直接裸露在車底。列車高速運行時，污物箱隨車體產生劇烈振動，必須確保污物箱可靠，避免影響列車安全運行。因此對污物箱的設計與試驗檢驗十分重要，包括容積計算、結構設計、加熱保溫設計、強度校核、模態(tài)分析等各個環(huán)節(jié)。

正常情況下，僅在列車?？恐付ㄐ段鄣攸c時，污物箱才進行卸污排空。因此，必須滿足列車在運行期間的使用，其容積需考慮運行期間使用人數、使用次數、單次使用產生污水量和列車運行時間等因素。

污物箱結構設計包括箱體內膽結構、支撐鋼結構、安裝吊梁或吊耳、外包結構以及檢查口、沖洗管、排污口等附屬裝置的設計。

污物箱基本全部裸露在大氣環(huán)境下，對于在寒冷地區(qū)或寒冷季節(jié)中運行的車輛，必須對污物箱采取加熱、保溫措施，避免箱內及其它裸露處結冰，保證集便器系統(tǒng)正常使用及正常排空。選用電加熱管等加熱裝置對污物箱進行加熱，同時對污物箱進行保溫隔熱，提高加熱效率，減少熱量損失。電加熱裝置的選用、設計與安裝，均符合車輛供電條件，同時不影響其它電氣設備或裝置的正常使用。

由于污物箱特殊的安裝位置和安裝方式，尤其是在列車高速運行時車體晃動與振動，對污物箱的強度和振型模態(tài)有極高要求，強度應滿足UIC 566的要求，并能承受工作壓力、各種載荷。污物箱強度校核計算和模態(tài)分析，包括列車運行沖擊載荷、箱體及污物自重、箱內負壓載荷等一種或幾種載荷共同作用，以及箱內液體晃動造成的結構流體耦合作用、電加熱造成的結構熱耦合作用下的校核計算。

3.5 系統(tǒng)電控

基于單片機技術開發(fā)的電控裝置控制系統(tǒng)各電、氣元件動作，完成正常沖洗排空循環(huán)過程，操作使用人性化設計及各種保護功能設計，監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)和故障情況。

對一般沖洗排空動作過程進行優(yōu)化設計，調整排泄閥打開時間及抽吸排空時間，增加二次沖水和先行補壓功能，各電氣元件動作順序更加合理，沖洗排空效率更高。

考慮氣源、水源、電源變化，以及使用過程中各種可能導致系統(tǒng)故障的內部、外部因素，除提高系統(tǒng)對氣源、水源、電源波動適應性，設計增加多種自診斷功能和自保護功能，系統(tǒng)操作使用更加人性化和智能化。

為方便集便器調試及檢修，尤其是在后期裝車運行過程中進行現場調試和檢修，配套研制開發(fā)了便攜式調試器(PDA)，通過與集便器電控裝置通信，查詢工作狀態(tài)、設定工作參數、查詢故障信息、模擬故障狀態(tài)、手動干預電氣元件動作等。

集便器電控裝置集成集便器信息模塊，實現集便器系統(tǒng)的故障報警、故障代碼顯示、故障記錄，同時預留相關信息的有線和無線遠程傳輸接口。為提高集便器系統(tǒng)設備智能化和信息化，并適應旅客列車運行狀態(tài)和車輛設備信息集中管理發(fā)展要求，同時，為滿足企業(yè)自身對集便器設備的運行狀態(tài)、故障記錄等的實時遠程管理需要，預留集便器遠程監(jiān)控功能。

4 試驗與檢測

配套研制真空集便器綜合試驗臺、可靠性試驗臺等專用試驗檢測裝置，利用振動試驗臺、高低溫試驗箱、電磁干擾試驗室，對研制產品進行型式試驗及可靠性試驗，主要包括:

系統(tǒng)整體:外觀質量檢查，系統(tǒng)密閉性能檢驗，沖洗動作過程檢驗，系統(tǒng)疲勞試驗及電氣裝置電磁干擾試驗。

技術參數:沖洗循環(huán)周期，沖洗最大或平均耗氣量，每次沖洗耗水量，最大輸送距離，沖洗水壓及沖洗噪聲。

保護功能:氣壓波動適應性，電源波動適應性，污物箱滿保護功能，真空超時保護功能及防凍排空動作等試驗檢驗。

零部件檢驗:水增壓器承壓檢驗，污物箱真空密封檢驗，液位開關檢驗，排泄閥檢驗，電加熱裝置耐壓與絕緣試驗，污物箱沖擊、振動試驗及污物箱加熱保溫性能試驗。

試驗表明，該真空集便系統(tǒng)滿足25型等旅客列車安裝、使用要求，符合車輛設備、車輛電工電子產品等通用標準或技術條件。

5 結論

根據真空集便器系統(tǒng)的使用與安裝技術條件，研制TKH-ZKWC型真空集便器系統(tǒng)，對動作時序和電控程序進行了優(yōu)化，改善了沖洗排空效果，壓力空氣消耗量進一步降低，提高了該系統(tǒng)運行的可靠性及人性化和智能化水平，整體性能滿足25型等旅客列車安裝、使用要求。

［1］錢文偉．列車集便裝置發(fā)展現狀及對我國開發(fā)集便裝置的建議［J］．河南機電高等?？茖W校學報，2000(4):41－45．

［2］周敬宣，胡洪平，李艷萍，等．客車氣動推拉式集便裝置的研制［J］．鐵道車輛，2003，41(5):20－22．

［3］任大慶．鐵路客車真空式集便系統(tǒng)淺析［J］．鐵道車輛，2001(2):23－25，39．

［4］梁君海，張明．集便裝置在我國鐵路客車的開發(fā)運用［J］．鐵道車輛，2002(8):33－35．

［5］于志光，孫維余．鐵路客車真空集便器［M］．北京:中國鐵道出版社，2008．

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TKH-ZKWC Type Retentive Vacuum Waste-Collection System Development and It’s Key Technologies

QIU Hui，YAN Kai，ZENG Feng-liu，MA Qi，ZHANG Yu-kuan
(Energy Saving＆Environmental Protection＆Occupational Safety and Health Research Institute，China Academy of Railway Science，Beijing100081，China)

According to its usage and application conditions，researched and developed TKH-ZKWC Type Retentive Vacuum Waste－Collection System．Introduce the components and working principles，present its key technologies such as vacuum generation，water pressurizing，toilet flushing，collection tank design and system control etc．Passing the experiments and tests including the system performances and main parts functions，results show the system suitable for application and usage in 25 passenger trains．

Vacuum Waste-Collection System;vacuum ejector;toilet flushing;collection tank nature reserves inevitably．Combined the new railway in South and central Shanxi，the influences to natural protection area of this railway and scientific prevention measures and countermeasures are briefly discussed．

X703

A

2095－1671(2012)03－0112－05

2012-04-09;

2012-05-24

邱慧(1964—)，女，湖南長沙人，高級工程師。專業(yè)方向:環(huán)境工程

Keywords:railway;nature reserves;measures and countermeasures