張 敏

(北京鐵路局，北京 100860)

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鐵路客車上水過程中客車水箱內(nèi)壓力變化的研究

張 敏

(北京鐵路局，北京 100860)

為了實(shí)現(xiàn)旅客列車上水過程中的節(jié)約用水并提高上水安全可靠性，對(duì)客車上水過程中客車水箱內(nèi)壓力變化進(jìn)行研究。通過運(yùn)用能量方程和連續(xù)性方程進(jìn)行理論分析，對(duì)目前應(yīng)用較多的25型客車車體的車上水箱進(jìn)行上水模擬試驗(yàn)。理論分析及試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)溢水管路不完全封閉時(shí)，25型客車和新型動(dòng)車水箱內(nèi)部壓力均能滿足《鐵道客車給水裝置》標(biāo)準(zhǔn)要求。

鐵路客車；上水管道；水箱；動(dòng)水壓力；水頭損失

鐵路客車上水是鐵路車站的重要用水，為旅客乘車途中的舒適度提供重要保障。但目前客車上水過程中浪費(fèi)水問題仍十分嚴(yán)重，分析原因：我國(guó)鐵路客車上水仍采用傳統(tǒng)的人工上水方式，上水人員是通過列車水箱溢水情況作出滿水判斷的；在目前每列車常規(guī)配備3名上水作業(yè)人員的情況下，很難做到在水箱剛開始溢水時(shí)就及時(shí)關(guān)閉閥門，因此造成水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。目前僅北京鐵路局全年因上水操作帶來的水資源浪費(fèi)約62萬m3，折合人民幣409萬元。對(duì)此，北京鐵路局按照中國(guó)鐵路總公司節(jié)能降耗的要求，與中國(guó)鐵道科學(xué)研究院共同立項(xiàng)對(duì)此進(jìn)行研發(fā)。

研究、試驗(yàn)是通過水箱滿水后改變水流壓力，使地面上水設(shè)備感應(yīng)后關(guān)閉閥門實(shí)現(xiàn)的。但改變水流壓力的同時(shí)，可能使車上水箱內(nèi)部壓力升高，從而影響水箱的使用安全。因此，必須對(duì)車上水箱上水過程中內(nèi)部壓力的變化進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)，以確保改變壓力后車上水箱的使用安全。

1 客車水箱壓力標(biāo)準(zhǔn)及影響安全的因素

1.1 客車水箱的壓力標(biāo)準(zhǔn)

旅客列車的車上水箱是客車給水系統(tǒng)的重要組成部件，起著儲(chǔ)水并向車上用水器具供水的作用；確保水箱的強(qiáng)度和密閉性，保證使用過程中不漏水是保證旅客列車供水系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本條件。為防止因壓力過高引起水箱變形，較早的標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定：“水箱組成后，車下水箱用490 kPa進(jìn)行水壓試驗(yàn)，并保持5 min不得泄漏”。該試驗(yàn)中用到的490 kPa壓力實(shí)際上是車下給水管網(wǎng)可能達(dá)到的最大靜水壓力，而目前我國(guó)車站的地面上水栓口的動(dòng)水壓力一般不大于300 kPa，水在進(jìn)入水箱的過程中壓力也會(huì)逐漸降低。因此，在水箱出水管沒有全部封堵的情況下，地面管網(wǎng)壓力是不會(huì)對(duì)水箱的安全帶來影響的；同時(shí)為了減少水箱壁厚從而減小車輛質(zhì)量，新型動(dòng)車進(jìn)出水管均增大了管徑，使得溢水更加通暢，使得水箱在滿水過程中壓力能夠快速降低，也基本排除了壓力過高給水箱帶來的安全隱患。

《鐵道客車給水裝置》(TB/T 1720—2010)[2]規(guī)定：“用不低于490 kPa的水壓通過注水管路向水箱注水，當(dāng)溢水管溢出的水量等于水箱注入的水量時(shí)，水箱內(nèi)部的剩余壓力不大于25 kPa”?？梢钥闯觯聵?biāo)準(zhǔn)對(duì)水箱內(nèi)壓力要求較原標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)格得多，并給出了剩余壓力的具體數(shù)值。

1.2 影響客車水箱漏水的因素

在實(shí)際使用中，水箱發(fā)生漏水的現(xiàn)象確實(shí)存在，有調(diào)查資料表明[3]，箱體變形是導(dǎo)致水箱漏水的最主要原因，占到全部漏水故障的47.6%。分析其影響因素：水箱壁厚不夠；列車運(yùn)行速度變化時(shí)水箱內(nèi)產(chǎn)生波浪對(duì)壁板形成沖擊作用；客車上水過程中，地面給水管路的水壓力過高可能引起水箱產(chǎn)生附加的壓力水頭。

前兩項(xiàng)影響因素可以通過強(qiáng)化水箱結(jié)構(gòu)來保證安全；第三項(xiàng)影響因素是否對(duì)水箱產(chǎn)生危害，目前國(guó)內(nèi)尚沒有相關(guān)研究報(bào)道。在課題研發(fā)過程中也產(chǎn)生了在整個(gè)上水作業(yè)過程中水箱內(nèi)的壓力是否能滿足新標(biāo)準(zhǔn)要求的疑問？盡管之前有過對(duì)地面客車上水栓水力計(jì)算模型的建立研究[4]、給水栓出口流量與壓力影響因素的研究[5-6]及提高客車上水系統(tǒng)可靠性的研究[7-8]。另外也有針對(duì)節(jié)水方面的水力要素變化分析[9-10]，但這些研究都是對(duì)地面管道設(shè)備及連接客車注水口管道的水力分析，對(duì)車下至車上水箱這部分供水系統(tǒng)的壓力變化全過程分析尚未見相關(guān)分析報(bào)道；所以沒有具體數(shù)據(jù)說明上水栓口的壓力對(duì)水箱內(nèi)壓力變化造成影響的程度，特別是對(duì)車上管道做局部改動(dòng)后，改變水流壓力時(shí)，水箱內(nèi)壓力會(huì)有怎樣的變化，只有通過系統(tǒng)地分析和測(cè)試才能確定。因此，非常有必要對(duì)列車上水過程中水箱內(nèi)的壓力變化進(jìn)行研究測(cè)試。

2 上水作業(yè)時(shí)客車水箱內(nèi)部壓力計(jì)算分析

2.1 未上滿水時(shí)壓力分析

客車水箱一般設(shè)置在車廂上部，水箱設(shè)置2根給水管及1根溢水管。2根給水管上部通向水箱頂部，下部均設(shè)注水口分置在車廂兩側(cè)；溢水管上部通向水箱頂部，下部敞開通向車底；3根管道頂部平齊且稍高于水箱頂部平面，水箱其余部分是封閉的。上水過程中，一側(cè)給水管上水，另一側(cè)給水管和溢水管排氣。水箱及管道布置見圖1。

圖1 水箱及管道水力計(jì)算示意

未上滿水時(shí)，雖然水箱內(nèi)液位在不斷上升，但因和大氣連通，水箱液位以上部分均為大氣壓強(qiáng)，相對(duì)壓力均為零，并在整個(gè)上水過程中壓力不改變。

2.2 上滿水后壓力分析

上滿水后，因管道頂部平面高于水箱頂部平面，此時(shí)水箱內(nèi)的空氣已全部排出，整個(gè)水箱內(nèi)充滿了水，故可對(duì)整個(gè)上水和溢水系統(tǒng)應(yīng)用伯努利方程和連續(xù)方程，進(jìn)而求出水箱頂部的壓力計(jì)算公式。

2.2.1 基本方程

(1)上水管路

取上水栓出口為上游斷面，取水箱上水管和溢水管之間的垂直斷面為下游斷面，對(duì)上水栓出口中心點(diǎn)和水箱垂直斷面的最高點(diǎn)，聯(lián)接上水栓和車上注水口的車下軟管；聯(lián)接注水口和水箱的車上上水管路。列能量和連續(xù)性方程如下

(2)溢水管路

取水箱上水管和溢水管之間的垂直斷面為上游斷面，取溢水管的排水口為下游斷面，得出下列方程

2.2.2 壓力分析

式(1)描述了上水管路中各水力學(xué)要素之間的關(guān)系；式(2)、式(3)描述了溢水管路中兩個(gè)分支管路各水力學(xué)要素之間的關(guān)系。因?yàn)檎麄€(gè)上水和溢水管路系統(tǒng)是一個(gè)整體，上述的各個(gè)方程必須同時(shí)得到滿足。故當(dāng)系統(tǒng)中任何一段管路中的任何一個(gè)水力學(xué)要素發(fā)生變化時(shí)，其他的管路中也會(huì)發(fā)生變化進(jìn)行調(diào)整，直至達(dá)成新的動(dòng)態(tài)平衡為止。

(1)上水管路

式(1)的分析結(jié)論如下。

①水箱頂部壓力遠(yuǎn)小于上水干管的靜水壓力，也遠(yuǎn)小于上水栓口的動(dòng)水壓力。

②在其他因素不變的情況下，給水栓口動(dòng)水壓力大時(shí)，水箱頂部壓力也大；上水栓口到水箱內(nèi)水管出口的高差大和全部管路水頭損失大時(shí)，水箱頂部壓力小。

(2)溢水管路

式(2)、式(3)分析結(jié)論如下。

①水箱頂部壓力與水箱頂部到溢水管出口的高差有關(guān)，水箱頂部到溢水管出口的高差大，則水箱頂部壓力小，反之亦然。

②水箱頂部壓力還和車上溢水管路的水頭損失有關(guān)，車上溢水管路的水頭損失大，水箱頂部壓力則大，反之亦然；這和上水管路的變化趨勢(shì)是相反的。故為了降低水箱頂部壓力，也可采用減少水頭損失的辦法，如加大溢流水管的管徑等。

③當(dāng)一個(gè)溢流水管被堵塞時(shí)，相當(dāng)于增加了另一個(gè)溢流水管的流速，此時(shí)，溢流水管內(nèi)的流速加大，水頭損失增加，進(jìn)而使水箱頂部壓力增加。

3 水箱壓力模擬試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

雖然根據(jù)上述推導(dǎo)公式對(duì)水箱壓力進(jìn)行了細(xì)致的分析，但因存在著如管材內(nèi)壁的相對(duì)粗糙度難以精確測(cè)量，有些部件如旋轉(zhuǎn)接頭、快速接頭等部件的局部阻力系數(shù)難以確定等多種原因，僅依靠公式計(jì)算水箱壓力有困難，因此有必要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)，在模擬客車上水的現(xiàn)場(chǎng)條件下，檢測(cè)水箱頂部的壓力，以檢驗(yàn)壓力是否超標(biāo)，并對(duì)前述的公式進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)系統(tǒng)由蓄水箱、變頻水泵、氣壓罐、上水單元機(jī)等模擬車下上水系統(tǒng)，以25型客車水箱及其上水管、溢水管路等模擬車上上水和溢水系統(tǒng)。

在上水單元進(jìn)口處(對(duì)應(yīng)于上水栓口)、在注水口(對(duì)應(yīng)于客車注水口)處設(shè)壓力表，在水箱頂部設(shè)壓力真空表。水箱壓力模擬試驗(yàn)示意見圖2。

相關(guān)試驗(yàn)條件如下。

氣壓罐壓力范圍：0.3～0.4MPa。

上水單元：符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的上水軟管，管長(zhǎng)15m，DN25mm；90°彎頭2個(gè)，旋轉(zhuǎn)接頭1個(gè)，電磁閥1個(gè)，快速接頭1個(gè)。

高度差：注水口距離上水栓口1.2m；注水口距離水箱頂部2.3m；溢水口距離水箱頂部2.0m。

車上上水管路：2根上(溢)水鍍鋅管，長(zhǎng)度3.2m，DN25mm， 每根管90°彎頭4個(gè)，閘閥1個(gè)。

車下溢水管路：1根溢水鍍鋅管，長(zhǎng)度2.8m，DN25mm， 每根管90°彎頭4個(gè)，閘閥1個(gè)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)按以下4種情況進(jìn)行：(1)水箱未上滿水時(shí)；(2)水箱上滿水后，上(溢)水管和溢水管同時(shí)排水；(3)水箱上滿水后，上(溢)水管和溢水管同時(shí)排水，溢水管閥門開啟度50%；(4)水箱上滿水后，上(溢)水管排水，溢水管完全關(guān)閉。

圖2 水箱壓力模擬試驗(yàn)示意

每種情況試驗(yàn)8次，取平均值。見表1。

由表1可見：

(1)水箱未上滿水時(shí)，水箱頂部壓力為零；

(2)水箱上滿水后，當(dāng)上(溢)水管和溢水管同時(shí)排水時(shí)，管路系統(tǒng)和水箱頂部壓力均有所降低，水箱頂部壓力出現(xiàn)負(fù)壓；

(3)水箱上滿水后，當(dāng)上(溢)水管和溢水管同時(shí)排水、溢水管部分關(guān)閉時(shí)，管路系統(tǒng)和水箱頂部壓力均有所增加，水箱頂部最大壓力20kPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；

(4)水箱上滿水后，僅上(溢)水管排水時(shí)，管路系統(tǒng)和水箱頂部壓力進(jìn)一步增加，水箱頂部最大壓力30kPa，略超標(biāo)準(zhǔn)值。

表1 客車水箱壓力模擬試驗(yàn)統(tǒng)計(jì) kPa

4 結(jié)論

(1)對(duì)試驗(yàn)采用的DN25管路系統(tǒng)、25型客車水箱而言，當(dāng)上水管和溢水管同時(shí)排水時(shí)，水箱頂部可能出現(xiàn)負(fù)壓力；上水管和溢水管同時(shí)排水，溢水管閥門部分關(guān)閉(開啟度50%)時(shí)，水箱頂部最大壓力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)且僅當(dāng)上水管排水、溢水管完全關(guān)閉時(shí)，水箱頂部最大壓力可能超過標(biāo)準(zhǔn)限值要求，但客車的溢水管被完全封閉的可能性極小，故普速車水箱頂部最大壓力可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)按照試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論公式進(jìn)行分析，當(dāng)管路管徑加大時(shí)(如CRH3型、CRH380BL型等常用動(dòng)車車型為DN45管路系統(tǒng))，兩管排水時(shí)，水箱頂部會(huì)出現(xiàn)較大的負(fù)壓力；當(dāng)僅上水管排水、溢水管完全關(guān)閉時(shí)，水箱頂部最大壓力小于25kPa，可滿足標(biāo)準(zhǔn)值要求。

(3)試驗(yàn)系統(tǒng)各部位給、溢水管路的壓力變化情況表明，本文推導(dǎo)的計(jì)算公式和相關(guān)的分析是正確的。

(4)壓力分析和試驗(yàn)結(jié)果表明：在客車上水節(jié)水技術(shù)研究中采取的局部縮小溢水管徑方案是可行的，在改變管道壓力的同時(shí)不會(huì)影響水箱的使用安全。

(5)本文所述試驗(yàn)的目的是保證節(jié)水技術(shù)措施在客車上的安全實(shí)施，試驗(yàn)結(jié)果為安全實(shí)施提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

[1] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T1720—1998鐵道客車給水裝置通用技術(shù)條件[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，1998.

[2] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T1720—2010鐵道客車給水裝置[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

[3] 何明.YZ25B型客車水箱皺裂原因的探討[J].鐵道車輛，1998，36(9)：51-52.

[4] 史義雄.鐵路客車上水栓水力計(jì)算模型的建立和分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014，58(2)：121-124.

[5] 盧小戈.客車給水栓出口流量與壓力影響因素的探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2000，20(6-7)：88-89.

[6] 侯世全，洪蔚.鐵路客車上水單元機(jī)軟管纏繞水頭損失分析[J].鐵道勞動(dòng)安全衛(wèi)生與環(huán)保，2016，6(1)：1-4.

[7] 李羚，馬敏杰.鐵路客車上水地面系統(tǒng)設(shè)施的技術(shù)探討[J].中國(guó)給水排水，2011，27(4)：26-29.

[8] 李嬋.論客車上水系統(tǒng)存在的問題及解決建議[J].鐵道勞動(dòng)安全衛(wèi)生與環(huán)保，2004，31(4)：222-223.

[9] 盧捷.鐵路客車上水工程設(shè)計(jì)節(jié)水技術(shù)應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(8)：108-109.

[10]洪蔚，等.鐵路客車上水節(jié)水措施分析[J].鐵道勞動(dòng)安全衛(wèi)生與環(huán)保，2013，3(4)：165-167.

Study on Railway Passenger Car Water Tank Pressure Changes during Filling Process

ZHANG Min

(Beijing Railway Bureau， Beijing 100860， China)

In order to reduce water waste and improve safety and reliability during water filling process， studies are conducted to analyze the pressure change during passenger car water tank filling. Simulation tank filling tests are conducted on the widely used Type 25 passenger car based on theoretical analysis with energy equation and continuity equation. The results of the theoretical analysis and experiments show that the water tank internal pressures in both Type 25 car and EMU can meet the new requirements stipulated in Railway Passenger Car Water Supply Equipment， when the overflow pipe is not completely closed．

Railway passenger car; Water supply pipeline; Water tank; Hydrodynamic pressure; Headloss

2016-05-24；

2016-06-07

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃(2015Z005-E)

張 敏(1964—)，女，高級(jí)工程師，1987年畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院給排水專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：zhangminsdk126.com。

1004-2954(2016)12-0153-04

U270.38+5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.034