劉厚文，戰(zhàn)國璋

一種高速動車組污物箱的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

劉厚文1，戰(zhàn)國璋2

（1.中車山東機(jī)車車輛有限公司，山東 濟(jì)南 250021；2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

以高速動車組真空集便系統(tǒng)的污物箱為研究對象，設(shè)計(jì)一種吊裝真空保持式污物箱，設(shè)計(jì)過程包括有效容積設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防凍保護(hù)、液位檢測等，其結(jié)構(gòu)包括吸污管、通氣管、檢修口、清洗管、抽真空管等。通過SolidWorks軟件對已設(shè)計(jì)的污物箱進(jìn)行三維建模，之后用ANSYS軟件進(jìn)行模型處理及計(jì)算分析。按照標(biāo)準(zhǔn)對污物箱在不同工況下進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度評估，并考慮不同液位下的影響。仿真時(shí)，考慮箱體內(nèi)的負(fù)壓和外部的氣動載荷。同時(shí)對污物箱進(jìn)行振動沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的污物箱在理論分析計(jì)算和實(shí)際試驗(yàn)中，均滿足強(qiáng)度要求。

高速動車組；集便系統(tǒng)；污物箱；振動；沖擊

高速動車組中安裝的集便系統(tǒng)是保證乘車旅客方便如廁不可缺少的重要設(shè)備[1]，污物箱則是集便系統(tǒng)的重要組成設(shè)備之一。污物箱吊掛在車體下部，如果其吊裝結(jié)構(gòu)或其他部位出現(xiàn)失效，會危害行車安全，甚至造成人員傷亡。因此，在設(shè)計(jì)污物箱時(shí)，除了滿足應(yīng)用的功能需要，更要滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求。本文針對一種高速動車組污物箱進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對其進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞計(jì)算分析，同時(shí)對污物箱進(jìn)行振動沖擊試驗(yàn)，從而證明設(shè)計(jì)的污物箱滿足動車組高速運(yùn)營的需求，保證其使用的安全性和可靠性。

1 污物箱設(shè)計(jì)

1.1 有效容積設(shè)計(jì)

高速動車組運(yùn)營中，污物箱存儲衛(wèi)生間集便系統(tǒng)中的排泄污物和沖洗水，以及洗面間、洗手盆中的洗手水[2]。當(dāng)污物箱滿時(shí)，集便系統(tǒng)不能再使用，因此，污物箱需要有足夠的有效容積，計(jì)算為[3]：

式中：為污物箱的有效容積；為車廂定員；為高峰期的超員系數(shù)，根據(jù)列車運(yùn)行線路乘客情況而定，建議取1.0～1.5；為每人每小時(shí)使用廁所的平均次數(shù)，取0.25次/h；為一個(gè)卸污周期內(nèi)客車及動車組的運(yùn)行時(shí)間；為沖洗一次便器使用的水量；為每次使用廁所的排泄物平均排放量；為每次使用洗手盆的平均用水量。

根據(jù)高速動車組的一般運(yùn)營情況，載員量不大于80人/車，單程運(yùn)營時(shí)間不大于12 h，按照便器沖水量不大于0.5 L/次、排泄物不大于0.3 L/次和洗手用水量不大于0.2 L/次計(jì)算，高峰超員系數(shù)取1.1，則污物箱有效容積為264 L。因此，550 L以上的污物箱有效容積能夠滿足動車組一個(gè)往返周期的使用要求。本文設(shè)計(jì)的污物箱有效容積為600 L。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的是真空保持式污物箱。為了保證污物箱內(nèi)的污物在動車組停運(yùn)時(shí)能夠正常吸污、檢修以及清洗等，如圖1所示，污物箱設(shè)置吸污管、通氣管、檢修口、清洗管和抽真空管等。

（1）吸污管。用于排空污物箱內(nèi)的污物。吸污管延伸到污物箱底部的吸污槽內(nèi)，保證每次吸污時(shí)，僅吸污槽內(nèi)有少許污物，污物箱其余處無污物殘留。

（2）通氣管。通氣管延伸至污物箱頂部，保證在污物箱吸污時(shí)箱內(nèi)的正常排氣，便于吸污設(shè)備的正常吸污。

（3）檢修口?？赏ㄟ^打開污物箱檢修口處的檢修門，對污物箱內(nèi)部進(jìn)行清潔和檢修。

（4）清洗管。用于對污物箱內(nèi)壁的清洗。在清洗管路上設(shè)置多個(gè)扇形豁口，當(dāng)清洗管注入高壓水時(shí)，水通過扇形豁口噴出，對污物箱的側(cè)壁和底部進(jìn)行沖洗。

（5）抽真空管。連接至真空發(fā)生裝置，是污物箱內(nèi)建立真空的通道。

其中通氣管、清洗管和吸污管在污物箱的兩端各設(shè)置一處，并各設(shè)置一個(gè)手動球閥，需要時(shí)可以手動將球閥打開、關(guān)閉。當(dāng)列車停靠時(shí)，在任意一側(cè)都能對污物箱進(jìn)行排污操作。

圖1 污物箱結(jié)構(gòu)示意

除上述描述的結(jié)構(gòu)外，污物箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要取決于自身的箱體鋼結(jié)構(gòu)部分。鋼結(jié)構(gòu)主要包括10 mm厚吊耳、吊臂，3 mm厚膽箱體和加強(qiáng)筋。

因此，為保證污物箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)及實(shí)際使用要求，本文在材料選擇、加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)和焊接方式等方面做如下考慮：

（1）材料選擇：污物箱與污物接觸的部分必須是防腐性能好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的材料，因此，本設(shè)計(jì)的污物箱內(nèi)膽等與污物接觸的部分采用316L（022Cr17Ni12Mo2）不銹鋼，吊耳和加強(qiáng)筋等外部結(jié)構(gòu)采用304（06Cr19Ni10）不銹鋼。

（2）加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)：由于設(shè)計(jì)的是真空保持式污物箱，在使用時(shí)，污物箱內(nèi)時(shí)刻保持一定的負(fù)壓，在衛(wèi)生間使用時(shí)，箱體內(nèi)的負(fù)壓會降低，通常是在-35～-20 kPa之間變化。同時(shí)，在污物箱使用時(shí)，可能出現(xiàn)真空發(fā)生裝置故障，導(dǎo)致箱內(nèi)出現(xiàn)正壓的情況，因此，污物箱需既能夠承受反復(fù)變化的負(fù)壓，又能夠承受正壓。另外，為了保證污物箱的防寒功能和良好外觀，污物箱的加強(qiáng)筋高度應(yīng)不大于防寒材的厚度。因此，污物箱采用高40 mm、寬50 mm的U型圈筋，圈筋之間的縱筋采用高30 mm的L型角筋。考慮到重量要求和盛污物后的受力情況，污物箱上下面中U型筋的厚度可大于立面U型筋的厚度。如圖2所示。

圖2 污物箱鋼結(jié)構(gòu)示意

（3）焊接方式：由于箱體盛裝污物，因此，箱體采用滿焊方式，保證箱體的密封。為了減少應(yīng)力集中，U型圈筋和縱筋采用段焊方式。吊耳、吊臂等采用滿焊方式，以滿足吊裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

1.3 防凍保護(hù)

冬季運(yùn)營時(shí)，為了防止高速動車組污物箱內(nèi)的污物結(jié)凍，造成箱內(nèi)污物不能正常排出，甚至損壞污物箱，污物箱需設(shè)有防凍措施。防凍設(shè)計(jì)采用箱體外部包覆防寒材料，其導(dǎo)熱系數(shù)在-20℃時(shí)不大于0.034 W/m·K，以減少箱體的內(nèi)部散熱。同時(shí)在箱體底部設(shè)置電加熱裝置，通過溫控器來控制加熱裝置的啟停[4]，使箱內(nèi)污物始終保持在0℃以上，防止箱內(nèi)污物結(jié)凍。本設(shè)計(jì)選用的加熱裝置功率為1600 W，溫控器為機(jī)械開關(guān)式溫控，溫控開關(guān)設(shè)定值為3～8℃，當(dāng)箱內(nèi)溫度低于3℃時(shí)，溫控器閉合，加熱裝置啟動，開始對污物箱進(jìn)行加熱；當(dāng)箱內(nèi)溫度高于8℃時(shí)，溫控器斷開，加熱裝置停止加熱。經(jīng)試驗(yàn)，當(dāng)污物箱所處外部環(huán)境為-25℃時(shí)，污物箱內(nèi)部水的溫度時(shí)刻保持在8℃左右。

1.4 其他裝置

液位檢測：為便于觀察污物箱內(nèi)存儲污物量狀態(tài)，在污物箱上設(shè)置液位檢測開關(guān)和液位顯示裝置，其中液位顯示裝置在污物箱的兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)，用于識別污物箱內(nèi)污物的當(dāng)前容量狀態(tài)。當(dāng)污物箱滿時(shí)，集便系統(tǒng)禁止使用[5]；當(dāng)污物箱即將滿時(shí)，提示維護(hù)人員及時(shí)對污物箱進(jìn)行吸污操作，保證污物箱能夠正常使用。

灰水收集箱：設(shè)置在污物箱上，用于存儲車上洗手盆和洗面間的洗手水?；宜占湎潴w上設(shè)置液位開關(guān)，在灰水收集箱箱體和污物箱之間設(shè)置一個(gè)灰水閥，當(dāng)灰水收集箱內(nèi)的洗手水滿時(shí)，灰水閥打開，洗手水可通過灰水閥被吸入到污物箱中。

2 污物箱強(qiáng)度計(jì)算分析

本文通過SolidWorks軟件對設(shè)計(jì)的污物箱進(jìn)行三維建模，之后用ANSYS軟件進(jìn)行模型處理及計(jì)算分析[6-7]。

2.1 污物箱建模及網(wǎng)格劃分

為簡化計(jì)算，不考慮對結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)較小的部分水管及附屬件，忽略小孔、小倒角等局部結(jié)構(gòu)。將污物箱結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格平均尺寸10 mm，劃分271376個(gè)單元，共計(jì)270619個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 材料參數(shù)

各部件材料的基本力學(xué)性能如表1所示。

2.3 約束和加載

污物箱通過螺栓連接固定在車體上，故螺栓安裝面采用固定約束。污物箱中液體對箱體的壓力采用靜水壓的方式加載，從自由液面開始線性加載面壓力。空箱狀態(tài)下沒有靜水壓力，液位0%、25%、50%、75%、100%時(shí)的區(qū)別在于自由液面的位置不同。正壓與真空負(fù)壓分別均勻施加在內(nèi)膽上。

裙板、底板的重量通過質(zhì)點(diǎn)方式簡化，加載于吊耳和底部支架的連接處。氣動載荷分為正負(fù)兩個(gè)方向，通過氣壓和壓力面換算成力，加載于吊耳和支架連接處。其中，兩側(cè)裙板氣動載荷為6 kPa，底板氣動載荷為3 kPa。

2.4 靜強(qiáng)度計(jì)算分析

根據(jù)EN 12663-1:2010[8]中6.5.2規(guī)定，按照P-II級分類的設(shè)備及部件，將其三個(gè)方向的沖擊合成[9-10]，加載規(guī)則為：

向（縱向）：±3

向（橫向）：±1

向（垂向）：(1±)

為垂向動載荷系數(shù)，在車輛端部時(shí)取2，呈線性下降到車輛中部時(shí)為0.5。保守?。?進(jìn)行簡化計(jì)算。同時(shí)，對污物箱進(jìn)行正壓25 kPa和負(fù)壓50 kPa的測試壓力的計(jì)算。計(jì)算工況如表2所示。

計(jì)算求得污物箱在各狀態(tài)下各工況的最大等效應(yīng)力值。由結(jié)果可知，各工況下的最大等效應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。其中，母材的許用應(yīng)力按照材料力學(xué)中的屈服強(qiáng)度選取，如表3所示，考慮到焊縫削弱，按照EN 12663-2:2010[11]第2部分，取安全系數(shù)為1.1。

表1 材料力學(xué)性能

表2 靜強(qiáng)度計(jì)算工況

表3 材料的許用應(yīng)力

在液位100%狀態(tài)下工況1～工況7以及空箱狀態(tài)下工況8的最大等效應(yīng)力值最大，評估結(jié)果如表4所示。其他液位狀態(tài)的應(yīng)力結(jié)果不再贅述。

污物箱在工況1和工況2下的等效應(yīng)力云圖如圖3所示，其他工況不再贅述。

圖3 工況1和2下污物箱等效應(yīng)力云圖

2.5 疲勞計(jì)算分析

在集便系統(tǒng)中的便器使用期間，污物箱內(nèi)的負(fù)壓一般會從-35 kPa降低至-20 kPa，使用結(jié)束后系統(tǒng)再建立真空，污物箱內(nèi)的負(fù)壓又會升高至-35 kPa，如此反復(fù)。因此，結(jié)合污物箱的實(shí)際使用情況，并依據(jù)EN 12663-1:2010[8]中P-II級分類的設(shè)備要求，在進(jìn)行污物箱的疲勞強(qiáng)度評估時(shí)，歸納如表5所示的幾種工況。

表5 疲勞強(qiáng)度分析工況

根據(jù)計(jì)算結(jié)果選取應(yīng)力較大的4個(gè)部位作為污物箱疲勞評估的熱點(diǎn)，如圖4所示。各熱點(diǎn)的應(yīng)力范圍如表6所示。最后根據(jù)BS7608《鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)和評定實(shí)用規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中的-曲線，擬合出污物箱的疲勞壽命次數(shù)，如表7所示。

表6 各個(gè)熱點(diǎn)的應(yīng)力范圍

注：空箱應(yīng)力為4-1工況與4-2工況的應(yīng)力差。

假設(shè)每5 min用一次衛(wèi)生間，則一小時(shí)循環(huán)12次。列車每天運(yùn)行12 h，一年365天，按照目前動車組30年的全壽命周期估算，污物箱的壽命次數(shù)至少需要滿足12×12×365×30＝157萬次的要求。由表7可知，各熱點(diǎn)的疲勞評估次數(shù)均大于157萬次，因此本污物箱壽命符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 污物箱疲勞熱點(diǎn)位置示意

表7 各個(gè)熱點(diǎn)的疲勞壽命評估

3 振動沖擊驗(yàn)證

前文所述的設(shè)計(jì)描述及計(jì)算分析只是理論上的，缺乏實(shí)際驗(yàn)證，因此，接下來對污物箱進(jìn)行振動沖擊驗(yàn)證。按照IEC61373-2010《鐵路應(yīng)用－機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗(yàn)》中I類A級的要求[12-13]，對設(shè)計(jì)的污物箱依次進(jìn)行三個(gè)方向的模擬長壽命振動試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和功能振動試驗(yàn)。如圖5所示，將箱體按照實(shí)際與車體連接的方式固定在實(shí)驗(yàn)臺上，按照表8～10的試驗(yàn)工況進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，用水模擬污物，且污物箱為滿水狀態(tài)。

表8 模擬長壽命試驗(yàn)工況

注：ASD（Acceleration Spectrum Density）為加速度頻譜密度。

在三個(gè)方向的模擬長壽命振動試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和功能振動試驗(yàn)的試驗(yàn)過程中及試驗(yàn)后，污物箱未出現(xiàn)變形、斷裂、漏水或其他性能失效等現(xiàn)象，污物箱結(jié)構(gòu)良好，無損壞。

圖5 污物箱振動沖擊安裝示意圖

表9 沖擊試驗(yàn)工況

注：沖擊波形為半正弦波。

表10 功能性隨機(jī)振動試驗(yàn)

4 結(jié)論

根據(jù)高速動車實(shí)際的運(yùn)營環(huán)境及工況，本文從箱體結(jié)構(gòu)、材料、使用功能等方面完成了一種真空保持式污物箱的設(shè)計(jì)，并對其進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算分析。分析結(jié)果表明，該污物箱在各工況下的最大應(yīng)力均小于相應(yīng)材料的許用應(yīng)力，靜強(qiáng)度滿足BS EN 12663-1:2010[8]的要求；疲勞強(qiáng)度計(jì)算分析中，該污物箱在疲勞載荷作用下，擬合出滿箱和空箱狀態(tài)下的循環(huán)次數(shù)分別為412和477萬次，滿足實(shí)際使用中的壽命要求。最后進(jìn)行實(shí)際的振動沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證。在進(jìn)行三個(gè)方向的模擬長壽命試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、功能性隨機(jī)振動試驗(yàn)后，污物箱無開裂、漏水或變形，機(jī)械結(jié)構(gòu)良好。

通過對污物箱進(jìn)行設(shè)計(jì)、強(qiáng)度和疲勞計(jì)算分析，以及污物箱實(shí)際的振動沖擊試驗(yàn)，表明設(shè)計(jì)的污物箱能夠滿足動車組高速運(yùn)行的要求，具有高安全性、高可靠性和長壽命的優(yōu)點(diǎn)。

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Design and Verification of a Waste Tank for High-Speed Train

LIU Houwen1，ZHAN Guozhang2

( 1.CRRC Shandong Co., Ltd., Jinan 250021, China; 2.CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd., Changchun 130062, China )

Taking the waste tank of the vacuum toilet waste collection system of high-speed train as the research object, a kind of lifting vacuum holding waste tank is designed. The design process includes effective volume design, structural design, antifreeze protection, liquid level detection, etc. The structure includes suction pipes, ventilation pipes, maintenance ports, cleaning pipes, vacuum pipes, etc. The SolidWorks software is used to create a three-dimensional model of the designed waste tank, and then the ANSYS software is used for model processing and calculation analysis. The static strength and fatigue strength of the waste tank are evaluated according to the standard under different working conditions, and the influence of different liquid levels is considered. In the simulation, the negative pressure inside the box and the external aerodynamic load are considered. At the same time, the vibration impact test of the waste tank is conducted. The results show that the designed waste tank meets the strength requirements both in the theoretical analysis and calculation and in practical tests.

high-speed train unit；toilet waste collection system；waste tank；vibration；impact

U270.38+5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.10.007

1006-0316 (2023) 10-0038-07

2023-01-06

劉厚文（1986－），男，山東滕州人，碩士研究生，高工，主要研究方向?yàn)殍F路集便裝置，E-mail：liuhouwen503@163.com。