閆 凱，薛 強，沈 駿，周麗銘

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

集便裝置是鐵路旅客列車重要的衛(wèi)生服務設施，自2004年客車廁所直排改造實施以來，真空集便裝置的應用實現(xiàn)了旅客列車衛(wèi)生污水集中收集、暫存和排放，改善了列車衛(wèi)生間使用環(huán)境和衛(wèi)生條件、列車車廂空氣質(zhì)量及鐵路沿線衛(wèi)生環(huán)境，經(jīng)過不斷發(fā)展和改進，在我國鐵路普速旅客列車和高速動車組列車都得到了廣泛應用，并逐漸成為旅客列車衛(wèi)生間集便器的主流型式。夾管閥作為真空集便器的一個重要零部件，其結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便、適用性強，在不同型式、不同配置的真空集便系統(tǒng)中用以控制排污管路開啟和關閉。夾管閥自身的密封性和可靠性等也直接影響真空集便器系統(tǒng)的使用和整體性能，有必要對其結(jié)構(gòu)原理、功能性能、故障因素等進行深入分析研究。

1 夾管閥結(jié)構(gòu)、原理及特點

夾管閥又名膠管閥、管夾閥，主要由閥體和閥芯2 個部分組成。根據(jù)使用要求，閥體材料可以采用不銹鋼等金屬材料或聚甲醛等非金屬材料，有法蘭連接、外螺紋、內(nèi)螺紋等連接方式與管道連接。閥芯部分為膠管，一般采用標準和全質(zhì)彈性體天然橡膠，也可選用三元乙丙橡膠、丁腈橡膠、丁基橡膠、氯丁橡膠等不同材質(zhì)，滿足不同工況使用要求。

夾管閥具有良好的密閉性、耐腐蝕性、耐磨性，同時結(jié)構(gòu)簡單，不受液體流向限制，安裝操作方便，即使污水有殘存顆粒或紙巾等異物時，膠管仍可將其包裹實現(xiàn)零泄漏關閉；夾管閥全通徑無阻礙，流體介質(zhì)在富有彈性的膠管中流動，不易結(jié)垢并能自清潔。檢修時只要更換膠管和密封膠圈，閥體不易損壞，維修方便，節(jié)約了使用成本。

夾管閥工作原理及不同工作狀態(tài)如圖1 所示。正常開啟狀態(tài)下(見圖1 a)，閥芯膠管通道完全打開，流體等介質(zhì)可在膠管內(nèi)通過。當在閥體與閥芯之間施加控制風壓時，閥芯膠管在壓力作用下彈性變形而關閉膠管通道，夾管閥處于正常關閉狀態(tài)(見圖1 b)。在實際應用中，膠管內(nèi)流體等介質(zhì)都具有一定的流速和壓力，夾管閥在閉合狀態(tài)下受到控制風壓和流體壓力的雙重作用(見圖1 c)。

圖1 夾管閥工作原理及不同工作狀態(tài)

2 夾管閥在鐵路真空集便器中的應用

2.1 在普速旅客列車真空集便器中的應用

經(jīng)過不斷改進發(fā)展，2014年普速旅客列車真空集便器完成統(tǒng)型管理，目前安裝使用的真空集便器大多為統(tǒng)型真空保持式集便器。在便器排空管路中安裝排泄閥，控制排空管路開啟和閉合，通常狀態(tài)下夾管閥閉合，系統(tǒng)在污物箱內(nèi)保持一定真空度，當便器沖洗排空時，夾管閥打開，依靠污物箱與便盆間的壓差，將便盆內(nèi)污水抽吸排空至污物箱內(nèi)。普速旅客列車保持式真空集便器排空示意如圖2所示。

圖2 普速旅客列車保持式真空集便器排空示意

系統(tǒng)初始狀態(tài)時，污物箱內(nèi)為正常大氣壓，系統(tǒng)首先依靠控制風壓關閉夾管閥，之后系統(tǒng)真空發(fā)生器開始工作，在污物箱內(nèi)形成負壓，如圖3 a 所示，此時夾管閥受負壓和控制風壓共同作用保持閉合，密封性能更好。

當便器沖洗排空時，夾管閥控制壓力為0，夾管閥膠管依然承受真空負壓作用(見圖3 b)，當膠管自身回彈張力大于負壓作用力時，膠管可回彈開啟，使排污管路打開完成便器排空。考慮真空開關可能失靈，造成污物箱內(nèi)真空負壓異常過大，并且在運行使用一段時間后，內(nèi)襯膠管疲勞老化、自身回彈張力降低等影響，夾管閥無法依靠回彈力順暢開啟，因而集便器系統(tǒng)通過控制氣路電磁閥，在切斷夾管閥供氣壓力的同時，將污物箱與夾管閥供氣管路連通，使夾管閥膠管內(nèi)外側(cè)壓力平衡，膠管可順暢開啟。

根據(jù)系統(tǒng)使用特點，考慮工作真空度，即夾管閥閉合狀態(tài)下所受負壓為25±2.5 kPa，該系統(tǒng)中控制壓力350 kPa[1]。

圖3 夾管閥受負壓關閉狀態(tài)

2.2 在動車組列車真空集便器中的應用

按照工作原理和結(jié)構(gòu)組成，可將動車組真空集便系統(tǒng)分為保持式和中轉(zhuǎn)式真空集便系統(tǒng)2 種。夾管閥在2 種系統(tǒng)中均有使用，其控制管路開啟、閉合的功能和性能因不同系統(tǒng)設計要求而有所不同。

2.2.1 在保持式真空集便器中的應用

動車組保持式真空集便系統(tǒng)與普速旅客列車保持式真空集便系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)組成類似，主要由便器組件(坐式便器組件、蹲式便器組件、陶瓷便器組件3 種)、控制單元(電氣控制單元、沖洗按鈕)、顯示單元(車下液位顯示、電氣控制單元的液位顯示部分)、氣動控制單元、水增壓單元、真空發(fā)生器組件、污物箱等組成。系統(tǒng)工作流程為由真空發(fā)生器組件在污物箱內(nèi)產(chǎn)生真空，按下沖洗按鈕后，水增壓器向便器內(nèi)沖水清洗，隨后便器組件排泄閥打開，通過真空將便器內(nèi)的污物收集在污物箱中。

保持式系統(tǒng)中使用2 個DN20 夾管閥，安裝于真空發(fā)生器和分離器組成(見圖4)，一個用于控制抽真空管路開啟閉合，一個用于控制分離器污水排空管路開啟閉合。2 個夾管閥都連接到污物箱，閉合狀態(tài)下所承受的工作壓力均是污物箱的負壓，夾管閥處于受負壓關閉狀態(tài)，膠管受控制風壓和真空負壓共同作用。為保證承受壓力不超過其自身最大允許風壓值，該保持式系統(tǒng)夾管閥控制壓力設定值200±20 kPa[2]。

圖4 動車組保持式真空集便器真空發(fā)生器和分離器組成

2.2.2 在中轉(zhuǎn)式真空集便器中的應用

中轉(zhuǎn)式真空集便系統(tǒng)與保持式真空集便系統(tǒng)原理不同，區(qū)別在于中轉(zhuǎn)式系統(tǒng)增加污物暫存中轉(zhuǎn)箱，其污物箱為常壓。系統(tǒng)工作流程：首先在中轉(zhuǎn)箱內(nèi)產(chǎn)生真空，便器排空時通過真空將便器內(nèi)的污物收集在中轉(zhuǎn)箱中，待中轉(zhuǎn)箱內(nèi)污物達到設定液位或便器排空次數(shù)達到設定值，壓縮空氣便會進入中轉(zhuǎn)箱，在壓力空氣作用下，將中轉(zhuǎn)箱污物排放到污物箱中。

中轉(zhuǎn)式真空集便器系統(tǒng)中夾管閥有2 種，如圖5所示。規(guī)格DN20 夾管閥1 個，用于控制中轉(zhuǎn)箱抽真空管路開啟閉合；規(guī)格DN50 夾管閥2 個，一個安裝于便器與中轉(zhuǎn)箱的排污管路，用于控制便盆排污管路開啟閉合，一個安裝于中轉(zhuǎn)箱與污物箱間的排污管路，用于控制中轉(zhuǎn)箱排空管路的開啟與關閉。

系統(tǒng)工作循環(huán)開始時，中轉(zhuǎn)箱入口閥和出口閥均閉合，DN20 夾管閥開啟，真空發(fā)生器開始工作，將中轉(zhuǎn)箱抽至工作真空度，之后DN20 夾管閥關閉，中轉(zhuǎn)箱內(nèi)保持負壓。當便器沖洗排空時，出口閥保持閉合，DN20 夾管閥關閉，入口閥開啟，便器內(nèi)污物在中轉(zhuǎn)箱與便器的壓差作用下，抽吸至中轉(zhuǎn)箱暫存。當中轉(zhuǎn)箱內(nèi)污物達到一定量或經(jīng)過一定次數(shù)的便器沖洗后，需要對中轉(zhuǎn)箱進行排空，此時系統(tǒng)關閉中轉(zhuǎn)箱入口閥，打開出口閥，DN20 夾管閥保持閉合，壓力空氣進入中轉(zhuǎn)箱，將污物由中轉(zhuǎn)箱內(nèi)排放至污物箱。

在中轉(zhuǎn)式真空集便系統(tǒng)中，夾管閥有2 種工作狀態(tài)，在中轉(zhuǎn)箱為負壓真空時，夾管閥為負壓關閉狀態(tài)，而在中轉(zhuǎn)箱受正壓排空時，夾管閥為受正壓關閉狀態(tài)(見圖1 c)，此時，膠管同時承受控制風壓與管道內(nèi)正壓的壓力差，若控制壓力過小或管道內(nèi)正壓過大，膠管均不能很好的閉合密封。

夾管閥受中轉(zhuǎn)箱正壓(120±10 kPa)關閉狀態(tài)時：控制壓力P控-130 kPa≥200 kPa，因而中轉(zhuǎn)式真空集便系統(tǒng)中轉(zhuǎn)箱連接的夾管閥控制壓力應大于330 kPa。系統(tǒng)設定夾管閥控制壓力為420±20 kPa[2]。

圖5 動車組中轉(zhuǎn)式真空集便器中轉(zhuǎn)箱進污排空示意圖

3 夾管閥主要故障及影響因素分析

夾管閥依靠內(nèi)部膠管的夾緊和回彈實現(xiàn)控制管路的閉合和開啟，考慮集便裝置特有的應用環(huán)境和使用特點，影響功能、性能及使用壽命的特性主要表現(xiàn)在密封性、耐疲勞特性、耐腐蝕性和內(nèi)襯膠管強度等方面。

3.1 密封性

密封性是指夾管閥在控制壓力作用下關閉流體通道，并保持通道密閉的性能。密閉性能受內(nèi)部膠管材質(zhì)硬度、彈性等，以及控制壓力和流體壓力的影響。通過耐疲勞試驗及實際應用發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一段時間的使用，因膠管材質(zhì)老化及反復開閉導致材質(zhì)特性變化，夾管閥內(nèi)部膠管回彈力下降，夾管閥不易打開或閉合，密封性不能保證，影響系統(tǒng)使用。

3.2 耐疲勞特性

耐疲勞特性是指夾管閥使用一段時間后仍能保持其密封性能等使用要求的特性。通過試驗研究和實際運用可以發(fā)現(xiàn)，夾管閥的各類故障大多發(fā)生在使用一段時間后，并且影響因素多與夾管閥耐疲勞特性有關，隨著使用時間的增長，故障數(shù)量上升[3-4]。夾管閥的耐疲勞特性主要取決于內(nèi)部膠管耐疲勞性能，需要從膠管膠層結(jié)構(gòu)和橡膠材料2個方面進行優(yōu)化、改進。有研究[3]通過夾管兩端夾布纏繞提高膠管回彈性、膠管中部無夾布保證膠管柔性，同時采用天然橡膠和順丁橡膠2 種橡膠配比并用，可有效改善夾管閥的耐疲勞特性。

3.3 耐腐蝕性

夾管閥用于控制排污管路或抽真空管路的開啟與閉合，閥體工作介質(zhì)是旅客列車衛(wèi)生間內(nèi)糞便污水及含有糞便腐蝕性成分的氣體。耐腐蝕性主要是耐糞便污水中的尿酸、尿堿及衛(wèi)生間保潔用的清潔用品酸堿性物質(zhì)。衛(wèi)生間集便設備在日常保潔維護及定期維修中主要使用弱酸性清洗劑，一般成分是4%草酸或檸檬酸，國內(nèi)有研究研制新型復合清洗劑[5]，主要成分包括污垢分解劑、絡合劑、緩蝕劑及芳香劑等，能夠快速分解尿堿等污垢，并降低對集便器部件的腐蝕。耐腐蝕性的提高主要依靠零部件的材質(zhì)特性，應提高夾管閥部件自身，尤其是內(nèi)部膠管的耐腐蝕性。

3.4 膠管強度

在日常使用和故障維修中，還出現(xiàn)異物在夾管閥膠管中卡死導致夾管閥無法正常閉合或便器堵塞的情況，如打火機、鑰匙等異物，并且一般是在夾管閥膠管使用時間較長、回彈力下降的情況下發(fā)生。分析此類故障，很大程度上與夾管閥膠管耐疲勞特性相關。

4 結(jié)束語

夾管閥在不同系統(tǒng)的功能、性能要求等各有不同，結(jié)合試驗研究及實際應用情況可以得出，決定性因素是由其膠管材質(zhì)性能決定的耐疲勞特性，應不斷改進膠管橡膠材料和膠層結(jié)構(gòu)等，保證夾管閥的綜合性能。