高速動車組污物箱容量的計算方法研究

摘 要：通過收集國外高速動車組衛生系統的相關資料及研究報告，了解國外動車組衛生系統的先進的設計思路，掌握先進的設計方法和設計手段。結合國內的具體情況，對CRH2A型動車組衛生系統的主要部件污物箱進行容量計算方法進行優化設計，并提出本土化運用的改進方案，提出適合國內實際運營狀況的污物箱容量計算方法。

關鍵詞：污物箱；有效容量；優化設計；國產化

引言

長期以來，鐵路客車采用直排式廁所，飛濺的糞便粘在轉向架、塞拉門和車端的連接器上，既不雅觀，又增加了線路和車輛的維修工作量，提高了運營成本[1]。隨著人們環保意識的日益增強，從解決環境污染，提高旅客舒適度，改善鐵路運輸形象，提高鐵路運輸和其他運輸設備的競爭能力出發，列車集便器系統已經成為鐵路客車必不可少的安裝設備[4]。

污物箱作為列車集便系統的重要部件之一，由于懸掛于車底，其整體結構剛度及質量影響著列車的運行安全[2]。污物箱尺寸較大，形狀結構復雜，難以直接用理論公式進行強度校核，而整體強度試驗周期長、費用昂貴，因此產品結構優化常依靠經驗推理，大大制約了企業的生產效率及產品升級。

污物箱主要作用是在列車運行期間收集和暫存糞便污水。其安裝數量、安裝位置和安裝方式根據車輛車型有所不同，但總的原則是安裝于衛生間就近位置，通過吊梁或吊耳等形式，懸掛于車底。除部分車型車底設計有污物箱防護罩外，大多數污物箱直接裸露在車底。列車高速運行時，污物箱隨車體產生劇烈振動，因此，必須確保污物箱可靠，避免影響列車安全運行[3]。因此對污物箱的設計與試驗檢驗十分重要，包括容積計算、結構設計、強度校核、模態分析、加熱保溫設計等各個環節。

車下設有污物箱，污物箱內外箱采用聚酯玻璃鋼材質制造而成。通過四個安裝座連接到車底橫梁下。

對于整套衛生系統來說，污物箱是所有部件中對行車安全最重要的部件。由于它容量較大，空間位置特殊、結構組成復雜，所以本課題重點污物箱組成進行分析和研究。

1 污物箱結構及工作原理

衛生系統采用Monogram集中控制式真空集便系統收集來自便器的污物，車上盥洗廢水通過排水管路經車底水封裝置排至車外。真空集便系統主要由污物箱（含中轉箱及真空發生器）、便器、水增壓器、氣動控制單元、電氣控制單元、管路等組成。

1.1 污物箱結構

污物箱采用不銹鋼制成。污物箱配置有1個中轉箱及1個真空發生裝置。污物箱兩端各設一個排污閥。為了避免沖水或清空過程中在箱內產生的正壓對污物箱造成損害，污物箱配備了通氣閥。打開箱體兩側的任意一個檢查口蓋，可對其內部進行清理及檢查。在緊急情況下，可通過檢查口蓋清空污物箱。中轉箱設定真空度為-50kPa，設有DN50 進污Hose 閥、DN50排污Hose 閥、控制抽真空用DN20Hose 閥、液位開關等；可以承受不小于180kPa的壓力。為保證冬季的正常使用，中轉箱設自控溫電伴熱線，可自動根據外溫調節加熱功率。中轉箱的真空度通過真空發生器產生，真空發生器安裝于污物箱側壁。污物箱及中轉箱外形圖參見圖1。

圖1 污物箱及中轉箱外形圖

1.2 工作原理

按動便器沖洗按鈕，真空發生裝置開始工作，中轉箱內真空度達到設定值后，水增壓單元提供壓力水沖洗便器，便器蝶閥打開，污物在負壓作用下進入中轉箱，蝶閥關閉，水增壓單元提供壓力水對便器進行二次沖洗，水增壓單元補水，1次沖洗循環結束。當便器連續使用設定次數（12次）或中轉箱內污物達到設定液位時（約15L），系統會向中轉箱注入正壓空氣，污物在正壓的作用下進入污物箱。

2 污物箱容量的計算和方法對比

由于各個國家動車組的車型不同，污物箱容量的計算方法也有所曲別，下面分別介紹3種計算方法。

2.1 污水箱容量計算標準值表（川崎重工 日本）

污物箱容量計算方法：Q=A×B×2×C×D×（D+E）

A：單程所要時間，約2.5小時；B：使用時的平均往復次數，約2.3次（行車距離：約2300Km）；C：設備的最大使用乘客數，185人；D：1名乘客，1個小時的水的使用量，0.0734L/小時/人；（小便池沖洗水=0.0306 L/小時/人：0.175次/小時/人×0.25L/次×0.7，0.7=男性比率）；（座便沖洗水=0.0428 L/小時/人：0.138次/小時/人×0.31L/次）；E：一名乘客，一個小時的排泄量，0.13L/小時/人 （根據實際使用調查結果）；計算結果：432L。

2.2 水箱和污物箱容量計算書（龐巴迪 加拿大）

2.2.1 系統說明

污水系統應是封閉系統，收集廢水和便池水。

2.2.2 系統應符合如下需求

沖水量：最大max0.5L/次；洗手水量：最大max0.15L/次；水箱體積：370L； 水箱有效容量：1020L。

2.2.3 污物箱尺寸符合是UIC563標準

車配置的目的地是考慮主要因素，廁所能力以17小時/天運轉時間為基礎，污物箱應每兩天（34小時）清空一次，水箱應隔天加水。

2.2.4 污物箱容量計算方法

每個便器使用頻率：13.6人次/小時；13.6人次×34 小時 = 462.4人次（2天462.4人次）

462.4×（0.5L沖洗+0.25L污物+0.3洗手）=485.5 L（便池水和廢水）

485.5×2 =971L污物+50L空氣=1021L（污物箱）

每個污物箱最多滿足462人次/2天，所以6節車箱配置能力是5082人次/2天。

2.3 水箱和污水箱容量計算標準值表（西門子 德國）

2.3.1 設計標準

運營時間：6小時，運營6個小時的運營后，列車就應進行注水。

2.3.2 廢水/污物箱容量計算

旅客人員：588人；使用頻率：1次/4小時/人；運行時間：6小時；處理周期：每往返一次；廢水/使用：0.3L；每個使用廢物0.5L；污物箱數量：5個。

2.3.3 結果如下

每列車產生的廢水體積265L（588/4×6×0.3=264.6L）

每列車產生的污物量441L（588/4×6×0.5=441L）

所需的污物箱總容積706L（265+441=706L）

每個污物箱所需的容積141L（706/5=141L）

2.3.4 結論

現車情況每列共設有5個體積為450升的污物箱，每列車就有了總量為2250升的可使用污物量；因而在污物排放之前，進行3趟6個小時的運行在理論上是可能的。

2.4 方法對比

第一種計算方法主要以每人每天排泄量和人數來考慮，而且分為小便和座便兩部分。計算參數比較多，而且有的要取決于實際調查，但計算主要采用以人為基準的計算方法。首先確定從開始使用到清空的時間間隔多少小時，再確定每人每小時排污及耗水量，總需污物箱容量是二者乘積，考慮到兩輛車公用廁所，所以人數為兩輛車的總旅客數。

第二種計算方法主要以單位時間內使用便器的次數和時間段來考慮，采用每次使用人均用水量進行計算。計算是以便器為基準的計算方法。首先確定從開始使用到清空的時間間隔多少小時，再確定每小時使用廁所的頻次，然后計算每次使用廁所的排污量和用水量。總需污物箱容量是三者的乘積。

第三種計算方法主要以運營時間內，每名乘客的用水量和排泄量來考慮，再根據人數確定所需總容量。計算是以人為基準的計算方法。首先確定從開始使用到清空的時間間隔多少小時，再確定每名乘客使用廁所的頻次，然后計算每次使用廁所的排污量和用水量。總需污物箱容量是三者的乘積。

綜合以上所述，污物箱容量計算需要以下前期條件：

（1）通常情況下使用1天的必須容量。（2）確認使用條件（極限條件）。如確定運行區間、運行距離、單程運行時間、往返次數等。（3）列車運行過程中有無排污。如有，統計何處排污，確定每處每次的排污量是多少。（4）設定各排污處的使用頻次，通常是每單位時間的使用次數，此數據多數通過運營列車車內的使用次數調查來決定，注意使用次數調查時期建議在滿員情況下進行調查。如果是乘客較少情況下的統計數據，需按照考慮滿員情況進行修正。

3 CRH2A型動車組污物箱容量計算

（1）污物箱容量應滿足動車組至少1天運行時間的需要，如果用戶有特殊的要求，則根據用戶的實際要求確定；

（2）水箱的容量計算需要考慮動車組的定員情況、衛生設備的使用頻次、每人次耗水量、動車組的運行時間等因素；

（3）動車組污物箱的容量Q可根據以下經驗公式計算：

Q=K×P×T×（C1+C2）

式中：P：動車組定員，單位：人；T：動車組運行時間，單位：小時；C1：每名乘客的每小時沖洗耗水量（=便器每次沖水量×衛生間使用頻次），單位：升/小時/人；C2：每名乘客的每小時污物排泄量 單位：升/小時/人；K：動車組單程運行時間調整系數。

根據調研的數據，衛生間的使用頻次為0.245次/小時/人，乘客每小時排泄量為0.13L/小時/人，動車組單程運行時間調整系數按表1取值。

表1 動車組單程運行時間調整系數

4 結束語

我國在污物箱容量方面沒有成熟的規定或標準，每次計算參考采用國外的計算方法。由于國內供水環境不一樣，車上用水情況也有很大差異，所以有必要對國內用水和排污使用情況進行現場調查，確定國內合理的計算方法。

由于我國地域較廣，列車行程較長，運載量大，人們的生活習慣與日本也有所不同，所以選擇符合國情的衛生系統非常重要。例如考慮到車上空間布置及其它國情因素，選擇采用蹲便器替代小便器或增加蹲便器數量的結構布置比較符合實際情況。因此在原設計基礎上，吸收設計結構精華部分，添加優化改進內容，是提高我國客車產品質量和水平的快捷之路。

參考文獻

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[3]閆凱，邱慧，曾鳳柳.旅客列車真空集便器系統污物箱設計與試驗技術研究[J].鐵路節能環保與安全衛，2013（1）：4-8.

[4]田洋，王旭飛，康志濤.鐵路客車加裝改造集便裝置方案[J].鐵道機車車輛，2009（5）：74-76.