鐵路客車上水栓水力計算模型的建立與分析

2014-11-27 12:13:54史義雄

鐵道標準設計 2014年2期

史義雄

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 概述

客車上水系統的設計是鐵路給水站設計的一項重要內容。鐵路經過6次大提速后，運行速度和路網結構已發生了很大變化。為了適應鐵路旅客運輸發展需要，鐵路運輸組織逐步壓縮了客車到站后的停車時間，對客車給水站的設計和車站上水工作帶來很大壓力。為保證客車的正常供水，合理地進行客車上水系統的設計就顯得非常重要。由于客車上水栓的間距一般為25 m，顯然不屬于長管的水力計算范疇，為合理確定客車上水栓的給水管管徑及供水水壓，需要逐段進行詳細的水力計算，設計人員利用Excel的計算功能，建立數學模型可提高設計效率。

2 客車上水栓的布置形式

客車給水站應有專供客車給水栓用水的給水干管，每排栓管應按兩端進水或環狀布置，也可從中部與給水干管連接成T形，每排客車給水栓管均應設置控制閘閥和計量裝置［1］。客車上水栓的布置形式會直接影響客車上水的速度。客車上水栓宜布置成環狀，以利于客車上水時互相調節水壓和流量，加快上水的速度，通常有以下3種布置形式，如圖1～圖3所示，目前新建的站段一般以圖3所示的栓管從兩端接入較為常見。

圖1 栓管從一端接入

圖2 栓管從中部接入

圖3 栓管從兩端接入

3 水力計算模型

3.1 模型的準備

客車上水單元是由注水管接頭、軟管、附屬管道及閥門、軟管收放裝置、控制裝置等組成的整體。上水單元進水管直徑為DN40，上水單元軟管長度不大于15 m，公稱直徑為DN32或DN25。向客車上水栓配水的給水管道為栓管，向栓管供水的給水管道為干管。客車上水栓25 m的服務水頭包括有進水管、閥門、上水軟管、客車上水栓接頭及車體內上水鋼管的水頭損失。進行客車上水栓水力計算要詳細計算上水干管的沿程水頭損失以及上水干管向客車上水栓配水三通的局部水頭損失［2，3］。

按《鐵路給水排水設計規范》(TB10010—2008)規定，客車給水栓最小服務水頭25 m(從軌頂算起)，當兩線路間的雙頭栓同時給兩列客車上水時，其每個栓口的設計流量不小于2.0 L/s，當使用一個栓頭時，其栓口的設計流量不小于2.5 L/s，上水軟管采用DN32，長度不大于15 m。客車到發線的一側應設置客車給水栓及栓井，栓井的距離宜為25 m，每排栓井的數量不應少于客車的最大編組輛數，并宜加設1～2座栓井，加設的栓井不計入設計流量［1］。

給水栓25 m的最小服務水頭由3部分組成:①車輛水箱的入水口與軌頂面的幾何高差3.6 m;②水流通過上水膠管的水頭損失;③車輛注水管的水頭損失［4］。

事故時設計水量為正常時的70%。事故時，按右側干管損壞，上水栓用水全部從左側干管流入，栓口每處出水2.5×70%=1.75 L/s，栓口處水壓相應比正常工作時要低，水壓與流速的平方成正比。正常時，扣除車輛水箱的入水口與軌頂面的幾何高差3.6 m，水流通過膠皮管及客車注水管的水頭為25－3.6=21.4 m，事故時的服務水頭為3.6+21.4×0.72=14.1 m。從軌頂與栓管高差取1.0 m，栓管處最小服務水頭為14.1+1=15.1 m。

以圖3所示的布置形式為例，客車上水栓兩端進水，正常供水時，栓兩端的流量大，由兩端向中間，流量遞減，流速也遞減，理想狀態下，栓管管徑也可以采用由兩端向中間遞減的配管方式。但當一側干管事故時，上水干管從一側進水，供水方即變為圖(1)所示的布置形式。因此，在設計時一般栓管采用同一種規格，不考慮栓管管道變徑。

(1)管道總水頭損失［5］

式中 hz——管道總水頭損失，m;

hy——管道沿程水頭損失，m;

hj——管道局部水頭損失，m。

(2)管道沿程水頭損失

式中 l——管道長度;

q——設計流量，m3/s;

Ch——海曾-威廉系數，塑料管140 ～150，取140，普通鋼管及鑄鐵管取100;

dj——管道計算內徑。

(3)管道的局部水頭損失

式中 ζ——管道局部水頭損失系數。

3.2 模型的建立

客車上水栓安裝一般如圖4所示。

圖4 客車上水栓安裝示意

由圖4可知，客車上水栓上水時的局部水損為1個異徑三通(單栓)，局部阻力系數為等徑三通與突縮阻力系數之和［6］，即異徑三通 ξ0=等徑三通 ξ1+突縮之ξ2，局部水損計算圖如圖5所示。

圖5 異徑三通局部水損計算簡圖

3.3 模型的應用

以某大型給水站高速車場為例，共設有6排列車上水栓，上水栓間距25 m，每排18座，動車長編組16列，2列為備用，備用的栓室不計入流量，列車上水栓均為單栓，上水供水主管直徑DN200，兩端客車上水栓距離環網給水主管距離35 m，上水供水主管長35×2+25×(18－1)=495 m，單排栓計算簡圖如圖6所示，其中1號及18號客車上水栓為備用。

正常供水時，兩側均能進水，栓口每處出水2.5 L/s，《鐵路給水排水設計規范》(TB10010—2008)規定，客車給水栓最小服務水頭從軌頂算起25 m，從軌頂與栓管之間還有一定高差，不同工程客車上水栓安裝方式的不同，這一高差不盡一致，為簡化計算這里取1.0 m，栓管處最小服務水頭為25+1=26 m。

假設左右兩側同時供水，1號、18號客車上水栓不出水，下面詳細計算9號至2號客車上水栓的水損及流量。給水用 PE80聚乙烯(PE)管材，SDR17，PN0.8的規格見表1。

表1 給水用HDPE管尺寸 mm

假定栓管采用DN150的PE管，計算內徑Dj=141 mm。計算起點9號栓流量q3=2.5 L/s，管段9－8的流量q1=2.5 L/s，管段9－10的流量q2=0，栓口處為DN150×DN40三通，經計算得v1=0.16 m/s，v2=0，v3=1.62 m/s，v4=0.16 m/s，三通處局部水損 hj=0.06 m，管段9－8的沿程水損hy=0.01 m，則8號栓處壓力p=26+0.06+0.01=26.07 m。

工程上水力計算時，水壓與流速的平方成正比，即管徑一定的條件下，流量與水壓的平方根成正比。由于每個上水栓栓頭處服務水頭不同，造成每個上水栓流速和出流量也不盡相同。8號栓流量q3=2.5×2.504 L/s，依此類推，分別算出8號栓至2號栓的水力計算參數，計算結果匯總見表2。

2號栓處壓力27.17 m，栓管與干管接口處壓力為27.95 m，其中沿程水損合計1.37 m，局部水損合計0.58 m。由于客車上水栓對稱布置，右側客車上水栓計算與左側相同。

按照前述計算步驟，編制Excel水力計算表，可以推導出事故時，栓管與干管接口處壓力為20.10 m，其中沿程水損合計4.25 m，局部水損合計0.75 m。

圖6 單排客車上水計算簡圖

表2 正常供水單栓水力計算

以上計算過程是按照栓管管徑為DN150，如果栓管采用DN100或DN200，重復上述步驟，水損及水壓計算結果見表3。

從表3可以看出，栓管管徑不宜小于DN150，管徑由DN150增加至DN200，水壓要求變化不大，管徑為DN100時，水壓有大幅增加，以事故供水時為控制工況，水壓過高，管道起端流速過大，不宜采用。栓管管徑為DN150時，局部水損為沿程水損的42.34%，栓管管徑為DN200時，局部水損為沿程水損的117.39%，遠大于常規的10% ～20%，與栓管管徑密切相關，不能簡單估算。

對于“T”形的供水方式，正常及事故時栓管都是從中間往兩側供水，與干管從兩端接入供水方式相同，栓管管徑不宜小于DN150。

栓管從一端接入的供水方式，正常及事故時栓管都是從一側往另外一側供水，選取栓管管徑為DN150、DN200、DN250 3種工況進行計算，計算結果匯總見表4。綜合比較，栓管管徑不宜小于DN200。