閆凱，邱慧 ，曾鳳柳

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

真空集便器根據(jù)真空發(fā)生機理和形式，分為保持式、緊湊式、間歇式和在線式四種類型［1～4］。各種類型集便器均由便器組件(含沖洗組件和排泄閥組件等)真空發(fā)生裝置、水增壓裝置、污物箱及連接安裝附件等組成。其中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(shù)量、安裝位置和安裝方式根據(jù)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(shè)計有污物箱防護罩外，大多數(shù)污物箱直接裸露在車底。列車高速運行時，污物箱隨車體產(chǎn)生劇烈振動，因此，必須確保污物箱可靠，避免影響列車安全運行［5］。

因此對污物箱的設(shè)計與試驗檢驗十分重要，包括容積計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度校核、模態(tài)分析、加熱保溫設(shè)計等各個環(huán)節(jié)。

1 容積計算

污物箱作用是列車在運行期間衛(wèi)生間便器內(nèi)污物的收集和儲存，正常情況下，僅在列車?？恐付ㄐ段鄣攸c時卸污排空。因此，污物箱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次數(shù)、單次使用產(chǎn)生污水量和列車運行時間等因素。

污物箱容積估算有兩種方法:第一是按照車廂定員(污物箱所連接集便器服務(wù)乘客數(shù)量)估算，以車廂乘客每人使用1次廁所的頻率和考慮超員系數(shù)的車廂定員為基數(shù)進行估算;第二是按照污物箱所連接集便器最大使用量估算。以每個污物箱上連接有n個便器，每個便器每小時內(nèi)最大使用頻次為基數(shù)進行估算。

污物箱容積還應(yīng)考慮車輛安裝條件，車端下部牽引梁、腳蹬圍板與轉(zhuǎn)向架占用的空間直接影響到污物箱的加裝，應(yīng)保證轉(zhuǎn)向架與污物箱間有合理的空間，不會發(fā)生碰撞。

綜合考慮多種因素，污物箱容積可按照系列值:130、200、400、550、600、800、1000 L，根據(jù)車型和運行距離等從中選取，之后進行污物箱結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

污物箱外觀一般為長方形箱體，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其主要組成部分為:箱體內(nèi)膽1、保溫層2、外層包板3、清洗閥組件4、通氣閥5、卸污閥組件6、接線箱7、液位開關(guān)8、污物箱檢查口9、電加熱檢查口10、溫控器11、電加熱管12。

內(nèi)箱體為不銹鋼板焊接的長方體。設(shè)置與車輛車體相配的吊耳或吊梁等懸掛安裝裝置，用于污物箱的固定。為提高箱體強度，內(nèi)箱體外設(shè)置多根加強筋或加強角鋼。

外箱體用不銹鋼板包裹，對保溫材料進行封裝，同時起到保護和裝飾作用。

污物箱附件包括排污管、沖洗管、排氣管、清淤管、檢查口等連接管件，以及浮球液位開關(guān)、電 加熱裝置等。

圖1 污物箱示意圖

3 強度、模態(tài)設(shè)計與校核

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)有較高要求。污物箱的強度應(yīng)滿足UIC 566的要求和承受的工作壓力要求。對每種類型污物箱，容積、結(jié)構(gòu)、材料發(fā)生改變，必須進行強度計算和模態(tài)分析。

3.1 設(shè)計計算說明

整個污物箱的制作材料均采用不銹鋼。就工作載荷來說，最大應(yīng)力應(yīng)小于許用應(yīng)力，而對于極端載荷來說，最大應(yīng)力則應(yīng)小于屈服點應(yīng)力。

焊接污物箱內(nèi)膽用不銹鋼板制作，由縱向和橫向L形及U形腹板予以加強。各連接處均采用焊接方式，焊接工藝根據(jù)焊接母材特性、尺寸特性、連接位置等進行特殊工藝設(shè)計，保證污物箱結(jié)構(gòu)加工質(zhì)量。對主要結(jié)構(gòu)件和承載件均計算校核，而對污物箱安裝附件可以采用局部集中載荷加以模擬。

3.2 計算模型

建立污物箱有限元模型時，對污物箱整體剛度及局部強度有影響的結(jié)構(gòu)都予以考慮。模型構(gòu)成以任意四節(jié)點薄殼單元為主，與梁單元、板單元相比，殼單元由于結(jié)合考慮了結(jié)構(gòu)單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應(yīng)，因此，其具有更高的計算精度。箱體外部的排空裝置和球閥裝置對箱體的影響采用集中載荷予以模擬。污物箱強度校核與模態(tài)分析模型如圖2所示。

圖2 污物箱強度校核與模態(tài)分析模型

3.3 載荷分析

污物箱所承受的載荷主要有:

Z1:鋼結(jié)構(gòu)自重和集中載荷，難以忽略附屬件按集中載荷加載在對應(yīng)位置。

Z2:靜水壓力，不同液位情況下按靜水壓力加載于鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)膽。

Z3/Z4:縱向沖擊壓力1，縱向水平方向符合5 g作用荷載，正反兩個方向。

Z5/Z6:橫向沖擊壓力1，橫向水平方向符合3 g作用荷載，正反兩個方向。

Z7:垂向沖擊壓力，垂直向下方向符合3 g作用荷載。

對于保持式真空集便器，系統(tǒng)工作時，箱體內(nèi)始終保持一定真空度，因此需考慮箱體內(nèi)部真空壓力。

Z8:箱體內(nèi)部真空壓力。

在實際工況下，污物箱又是在多種載荷共同作用，校核分析時應(yīng)盡量模擬實際工況，把上述的工作載荷組合，示例如下:

K1=Z1+Z2+Z3+Z8——滿載時縱向5 g沖擊載荷(+Y方向)，考慮鋼結(jié)構(gòu)自重;

K2=Z1+Z2+Z4——滿載時縱向5 g沖擊載荷(－Y方向)，考慮鋼結(jié)構(gòu)自重。

3.4 計算結(jié)果與分析

通過靜結(jié)構(gòu)強度分析，可以得出各種載荷單獨作用或復(fù)合作用下，污物箱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中點、最大等效應(yīng)力、最大變形處等重要參數(shù)信息，對安裝吊梁或吊耳、支撐結(jié)構(gòu)焊接處、蓋板連接處等重要部位和主要承載部位應(yīng)進行重點分析，依此確定結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足要求，母材及焊接部位是否在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，安裝吊梁或吊耳結(jié)構(gòu)強度是否滿足設(shè)計要求。圖3、圖4為K1載荷作用下箱體應(yīng)力云圖和箱體變形圖示例。

圖3 K1載荷作用箱體應(yīng)力云圖

圖4 K1載荷作用箱體變形圖

污物箱進行模態(tài)分析，得出其各階振型和模態(tài)、固有頻率等振動特性，對裝有不同容量(空箱、半箱、滿箱)液體的污物箱進行耦合模態(tài)分析，得出箱內(nèi)液體液面晃動情況、對污物箱固有頻率的影響等信息，依此判斷污物箱的自振頻率是否與車輛運行過程中的振動激振頻率相近。

3.5 污物箱振動與沖擊試驗研究

按照GB/T 21563—2008《軌道交通機車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗》中第8、9和10項試驗要求對污物箱進行功能性隨機振動試驗、提高隨機振動量級的模擬長壽命試驗和沖擊試驗。在試驗過程中及試驗結(jié)束后檢查污物箱外觀結(jié)構(gòu)及必要的性能參數(shù)，均應(yīng)符合要求。

振動及沖擊方向如圖5所示:縱向為主視圖方向;垂向為俯視圖方向;橫向為左右視圖方向。

圖5 振動及沖擊方向示意圖

4 污物箱加熱保溫性能研究

4.1 使用工況分析與加熱保溫功能設(shè)計

污物箱通過吊梁或吊鉤懸掛于車輛車底，部分車型安裝防護罩對污物箱進行防護，但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(nèi)及其它裸露處結(jié)冰，保證集便器系統(tǒng)正常使用以及正常排空。

因此，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(shè)計與安裝，均應(yīng)符合車輛供電條件，同時不影響其它電氣設(shè)備或裝置的正常使用。

車輛在室外整備、存放一定時間后，污物箱內(nèi)外溫度基本等同大氣環(huán)境溫度，再次上線運行前，必須在規(guī)定的時間內(nèi)滿足使用要求。因此，污物箱電加熱裝置應(yīng)在較短的時間內(nèi)將污物箱加熱到可工作狀態(tài)。由于衛(wèi)生間便器污物進入污物箱后溫度不低于0℃，因此，按照寒冷地區(qū)環(huán)境溫度－40℃惡劣工況考慮，空箱狀態(tài)下污物箱初始加熱需滿足在短時間內(nèi)(30 min)由環(huán)境溫度加熱至0℃。

在列車運行過程中，為了維持污物箱不凍，污物箱內(nèi)液體溫度高于0℃即可，考慮到箱體內(nèi)液體溫度與溫度探頭測得溫度之間差異，故設(shè)置為3℃。電加熱裝置產(chǎn)生的熱量應(yīng)能彌補污物箱內(nèi)不斷增加的污物所吸收的熱量和污物箱熱量損失。因此，還需要校核維持污物箱內(nèi)液體溫度所需電加熱功率。

4.2 加熱保溫設(shè)計計算

污物箱應(yīng)同時采取加熱、保溫措施，通過合理選用電加熱元器件和保溫材料、設(shè)計計算電加熱功率、保溫層厚度等技術(shù)參數(shù)，確保污物箱滿足使用要求。

對污物箱進行能量守恒分析，熱量來源于電加熱裝置加熱，污物箱結(jié)構(gòu)及箱內(nèi)液體吸收大部分熱量，污物箱外包板熱量吸收及散熱損失可忽略不計，熱量損失則主要通過保溫層散熱損失。

計算需確定所選用電加熱裝置額定功率下發(fā)熱熱量和保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，以及箱體材料、箱內(nèi)液體的比熱等技術(shù)參數(shù)。

有關(guān)加熱功率在理想狀態(tài)下的計算公式如下:

系統(tǒng)起動時所需要的功率:

式中:P為功率(kW);m1為介質(zhì)重量(kg);C1為介質(zhì)比熱(kJ/kg·K);m2為容器重量(kg);C2為介質(zhì)比熱:kJ/kg·K;△T為介質(zhì)和環(huán)境溫度之差或溫升:℃;t為加熱時間(h);Q為散熱量:管道為W/m，平面為W/m2。

系統(tǒng)運行時所需要的功率:

式中:m3為每小時增加的介質(zhì)重量或流量(kg/h);t為加熱保持時間(h)。

保溫層散熱量:

式中:△T為介質(zhì)和環(huán)境溫度之差或溫升(℃);λ為保溫材料的導(dǎo)熱數(shù)(W/m2);δ為保溫材料厚度(m);S系統(tǒng)的散熱面積:m2。

經(jīng)估算，所設(shè)計550 L污物箱選用3個電加熱管進行加熱，覆蓋巖棉保溫材料進行保溫，可滿足要求。

4.3 加熱保溫性能試驗研究

對不同類型的污物箱，尤其是當(dāng)污物箱容積、結(jié)構(gòu)、電加熱裝置功率等發(fā)生較大變化時，應(yīng)進行加熱保溫性能型式試驗或試驗檢測。包括電加熱裝置加熱性能測試、保溫性能測試和加熱保溫?zé)崞胶鉁y試。

4.3.1 加熱性能測試

在(－40±2)℃試驗環(huán)境測試加熱性能，污物箱空箱狀態(tài)和滿箱狀態(tài)兩種工況，在試驗環(huán)境溫度下，接通污物箱電加熱裝置，檢測空箱內(nèi)中心點空氣溫度或中心點液體溫度從(3±0.5)℃至(8±0.5)℃所用時間，應(yīng)符合設(shè)計要求。

4.3.2 保溫測試

在(－40±2)℃試驗環(huán)境進行保溫測試，污物箱空箱狀態(tài)和滿箱狀態(tài)兩種工況，在試驗環(huán)境溫度下，當(dāng)空箱內(nèi)中心點溫度為(8±0.5)℃時，切斷污物箱電加熱，檢測污物箱內(nèi)中心點空氣溫度或中心點液體溫度下降至(3±0.5)℃的保溫時間，應(yīng)符合設(shè)計要求。

4.3.3 加熱保溫?zé)崞胶鉁y試

在(－40±2)℃試驗環(huán)境進行加熱保溫?zé)崞胶鉁y試，污物箱滿箱狀態(tài)工況，在試驗環(huán)境溫度下，當(dāng)空箱內(nèi)中心點溫度為(8±0.5)℃開始計時，保持污物箱電加熱裝置自動工作狀態(tài)，記錄到電加熱裝置再次啟動加熱所用時間，應(yīng)符合設(shè)計要求。

5 結(jié)論與建議

由于污物箱特殊的安裝位置、安裝方式和環(huán)境要求，列車高速運行時，污物箱隨車體產(chǎn)生劇烈振動，必須確保列車運行安全、污物箱安裝可靠。因此對污物箱的設(shè)計分析十分重要，包括容積計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度校核、模態(tài)分析、加熱保溫設(shè)計等各個環(huán)節(jié)，并進行必要的試驗檢測，確保污物箱功能、性能正常，安全可靠。

考慮污物箱設(shè)計、生產(chǎn)成本，便于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量控制，建議污物箱容積、結(jié)構(gòu)等盡可能標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化。

［1］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．

［2］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，2008:1－3．

［3］邱慧，閆凱，曾鳳柳，等．TKH-VWC型保持式真空集便系統(tǒng)研制及關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．鐵路節(jié)能環(huán)保與安全衛(wèi)生，2012，2(3):112 －116．

［4］婁玉飛．鐵路客車廁所技術(shù)發(fā)展淺談［J］．鐵道車輛，2005(8):33－35．

［5］李豐，孫彥，劉興龍．鐵道車輛污物箱及安裝吊座強度與模態(tài)分析［J］．中國鐵路，2012(2):45 －48．