南 玲 李曉龍 / 同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院

0 引言

自1964年日本首次開(kāi)通高速列車(chē)以來(lái)，歷經(jīng)了50余年發(fā)展，逐漸形成了以日本新干線、法國(guó)TGV和德國(guó)ICE為代表的先進(jìn)高速列車(chē)技術(shù)。目前，世界發(fā)達(dá)國(guó)家的高速鐵路進(jìn)入了新一輪的快速發(fā)展期。我國(guó)高速鐵路歷經(jīng)五次大提速，引進(jìn)消化吸收了國(guó)外高速動(dòng)車(chē)組技術(shù)，通過(guò)以創(chuàng)新為主的研發(fā)，目前已經(jīng)擁有全世界最大規(guī)模和最高運(yùn)營(yíng)速度的高速鐵路網(wǎng)。

列車(chē)給排水系統(tǒng)是列車(chē)必不可少的重要組成部分?；诟咚倭熊?chē)的特點(diǎn)和要求，高速列車(chē)生活污水的排放主要分為兩種情況：對(duì)于人體排放物，通過(guò)真空集便系統(tǒng)進(jìn)行收集；對(duì)于清洗產(chǎn)生的廢水，采用直接排放或者真空收集。直排形式的排水系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)以阻止高速運(yùn)行列車(chē)進(jìn)出隧道和會(huì)車(chē)時(shí)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值。本文對(duì)目前我國(guó)某型動(dòng)車(chē)組列車(chē)的排水系統(tǒng)壓力波動(dòng)范圍進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)車(chē)測(cè)試，得出一些對(duì)于設(shè)計(jì)研究有價(jià)值的結(jié)論。

1 排水系統(tǒng)與測(cè)試方法

1.1 某型高速列車(chē)排水系統(tǒng)介紹

某型高速動(dòng)車(chē)組采用保持式真空集便系統(tǒng)，其清水箱位于天花板上方，通過(guò)重力給車(chē)上便器和洗手盆供水。其中洗手盆的供水通過(guò)光電感應(yīng)開(kāi)關(guān)控制。經(jīng)過(guò)使用后的灰水經(jīng)過(guò)管道直接排放到軌道上。圖 1為該型高速列車(chē)的水系統(tǒng)原理圖。

當(dāng)列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中穿越隧道和兩車(chē)交會(huì)時(shí)，在列車(chē)外表面差生壓力波動(dòng)，該壓力波動(dòng)傳入車(chē)輛內(nèi)部會(huì)引起車(chē)內(nèi)乘客的不舒適感。因此要在車(chē)輛設(shè)計(jì)上阻斷壓力波向車(chē)內(nèi)的傳遞。若列車(chē)排水系統(tǒng)與外界相通，則壓力波動(dòng)會(huì)通過(guò)列車(chē)排水管路迅速傳遞到車(chē)體內(nèi)，同時(shí)該排水系統(tǒng)為重力排水方式，利用重力將灰水通過(guò)灰水單元排放至軌道?；宜畣卧菫榱俗钄嗔熊?chē)高速運(yùn)行時(shí)進(jìn)出隧道和會(huì)車(chē)造成的壓力變化所采用的一個(gè)特殊部件。圖 2為洗手盆水單元的基本原理圖，圖 3為茶水爐灰水單元的基本原理圖，從圖3中可以看出該灰水單元通過(guò)兩個(gè)單向閥的組合起到防止正負(fù)壓力變化的功能。為了評(píng)估該組件所承受的正負(fù)壓力變化的范圍，對(duì)該組件在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中所承受的氣體壓力進(jìn)行了測(cè)試。

1.2 測(cè)試方案

當(dāng)列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中穿越隧道和兩車(chē)交會(huì)時(shí)，都會(huì)引起與大氣相通的列車(chē)排水管路內(nèi)的壓力波動(dòng)。因此本次測(cè)試選擇具有代表性的武廣高速鐵路進(jìn)行測(cè)試，該線全長(zhǎng)約1068.8km，途經(jīng)200多座隧道。列車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)速350km/h，能夠典型地反映出列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)壓力的變化情況。

該車(chē)型由8節(jié)編組構(gòu)成。一節(jié)車(chē)廂內(nèi)部共有兩處排水點(diǎn)，將灰水直接排放到軌道，分別是盥洗室洗手盆排水管路和茶水爐排水管路，兩個(gè)管路各安裝一個(gè)灰水單元起到防止壓力波動(dòng)影響?？紤]到這兩處排水管道在列車(chē)上的不同位置，因此選取第六節(jié)編組標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)生間模塊和開(kāi)水爐單元作為測(cè)點(diǎn)，分別進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試線路選擇圖 4為車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)的原理框圖。

本測(cè)試選取CYG1202差壓變送器，該壓力變送器采用硅壓力敏感片，為動(dòng)態(tài)壓力傳感器，無(wú)應(yīng)力封裝，具有良好的穩(wěn)定性。壓力量程為-10～+5 kPa，介質(zhì)溫度-25℃～85℃，準(zhǔn)確度級(jí)別為0.25%FS，輸出信號(hào)電流4～20 mA/電壓0～5 VDC。數(shù)據(jù)采集卡采用NI USB-6008S設(shè)備，該數(shù)據(jù)采集卡可提供12個(gè)數(shù)字輸入/輸出（DIO）通道以及一個(gè)帶全速USB接口的32位計(jì)數(shù)器。單個(gè)通道最大采樣頻率10 kHz。

圖1 某型高速列車(chē)水系統(tǒng)原理

圖2 洗手盆水單元基本原理

圖3 茶水爐灰水單元的基本原理

圖4 測(cè)試系統(tǒng)框圖

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 盥洗室灰水排水管測(cè)試

圖5為列車(chē)300km/h時(shí)速運(yùn)行時(shí)所記錄的盥洗室內(nèi)排水管壓力隨時(shí)間變化波形，試驗(yàn)包含列車(chē)高速進(jìn)出隧道的過(guò)程。通過(guò)圖5可以看到列車(chē)在高速運(yùn)行過(guò)程中該排水管路承受正負(fù)壓力變化的情況。最大正壓力為1924Pa，最大負(fù)壓為- 4571Pa。為了更清晰地反映列車(chē)進(jìn)出隧道過(guò)程引起的壓力波動(dòng)，選取上述過(guò)程中的進(jìn)出隧道的時(shí)間段具體進(jìn)行分析。圖 6為列車(chē)連續(xù)進(jìn)出隧道時(shí)盥洗室排水管的壓力波形圖。通過(guò)圖6可以發(fā)現(xiàn)列車(chē)高速運(yùn)行過(guò)程中測(cè)試點(diǎn)主要承受來(lái)自外部的負(fù)壓力約為500Pa。當(dāng)列車(chē)進(jìn)入隧道時(shí)負(fù)壓明顯增大約1500Pa，最大值約為4500Pa，隨著列車(chē)駛離隧道，測(cè)點(diǎn)壓力逐漸上升變?yōu)檎?，最大值約為1500Pa。

圖5 300km/h盥洗室排水管壓力波動(dòng)

圖6 300km/h進(jìn)出隧道盥洗室排水管壓力波動(dòng)

2.2 茶水爐排水系統(tǒng)測(cè)試

圖7為列車(chē)從零起步加速至300km/h時(shí)茶水爐排水管內(nèi)壓力變化的波形圖（本過(guò)程包含了列車(chē)進(jìn)出隧道）。隨著列車(chē)速度的增加，排水管內(nèi)的負(fù)壓逐漸增大，當(dāng)列車(chē)恒速運(yùn)行時(shí)，該壓力值也逐漸穩(wěn)定在約500Pa左右。本過(guò)程中最大正壓力值1297Pa，最大負(fù)壓力值-2875Pa。為了更清晰的分析，選取其中兩段波形進(jìn)行對(duì)比。圖 8為列車(chē)200km/h通過(guò)隧道時(shí)茶水爐排水管路壓力波形圖，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)列車(chē)進(jìn)入隧道時(shí)負(fù)壓明顯增大至最大值，約為-1200Pa，隨著列車(chē)駛離隧道，測(cè)點(diǎn)壓力逐漸上升變?yōu)檎抵磷畲笾导s為300Pa。

圖7 列車(chē)起步加速過(guò)程茶水爐排水管壓力波動(dòng)

圖8 200km/h進(jìn)出隧道茶水爐排水管壓力變化

圖9為列車(chē)300km/h 進(jìn)出隧道時(shí)茶水爐排水管壓力波形圖。對(duì)比列車(chē)200km/h通過(guò)隧道可以看出，隨著列車(chē)速度的增大，所引起的排水管路中的壓力波動(dòng)范圍也逐漸增大。圖9所示列車(chē)穿越隧道過(guò)程中，最大正壓力值約1000Pa,最大負(fù)壓力值約-3000Pa。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)針對(duì)高速列車(chē)排水系統(tǒng)的實(shí)車(chē)測(cè)試過(guò)程，可以得到以下幾點(diǎn)：

1）高速列車(chē)通過(guò)隧道及會(huì)車(chē)時(shí)所引起的壓力波動(dòng)是十分明顯的，本車(chē)型列車(chē)300km/h壓力波動(dòng)范圍在+2500～-5000Pa之間。對(duì)于其他列車(chē)由于不同的排水管路布置，參考上述數(shù)值，應(yīng)有微小波動(dòng)。

2）列車(chē)運(yùn)行速度越高所產(chǎn)生的壓力波動(dòng)范圍就會(huì)越大，因此對(duì)于列車(chē)上安裝的防止壓力波動(dòng)的設(shè)備要求也就越高。尤其是針對(duì)更高速度列車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)考核防止壓力波動(dòng)的設(shè)備功能。

3）本車(chē)型所安裝防止壓力波動(dòng)的部件有效防止了壓力波動(dòng)對(duì)列車(chē)內(nèi)部的影響，但該部件的結(jié)構(gòu)形式不能很好地隔離噪聲。在新車(chē)型的設(shè)計(jì)中可以考慮使用水封等其他的防止壓力波動(dòng)設(shè)備。

[1]李芾, 安琪, 王華.高速動(dòng)車(chē)組概論[M].成都：西南交大出版社,2008.

[2]邵煥霞, 梅元貴, 周朝暉.高速空調(diào)客車(chē)通過(guò)隧道時(shí)車(chē)內(nèi)壓力波數(shù)值方法初探[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛, 2006, 01：31-33.

[3]馮志鵬, 張繼業(yè), 張衛(wèi)華.高速列車(chē)在隧道內(nèi)和明線上交會(huì)時(shí)氣動(dòng)性能對(duì)比分析[J].鐵道車(chē)輛, 2012, 12：1-5.

[4]劉堂紅, 甜紅旗, 金學(xué)松.隧道動(dòng)氣動(dòng)力學(xué)實(shí)車(chē)試驗(yàn)研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 01：42-46.