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(wèi)生系統(tǒng)的相關(guān)資料及研究報告，了解國外動車組衛(wèi)生系統(tǒng)的先進的設計思路，掌握先進的設計方法和設計手段。結(jié)合國內(nèi)的具體情況，對CRH2A型動車組衛(wèi)生系統(tǒng)的主要部件污物箱進行容量計算方法進行優(yōu)化設計，并提出本土化運用的改進方案，提出適合國內(nèi)實際運營狀況的污物箱容量計算方法。

關(guān)鍵詞：污物箱；有效容量；優(yōu)化設計；國產(chǎn)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(zhuǎn)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(huán)保意識的日益增強，從解決環(huán)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(fā)，列車集便器系統(tǒng)已經(jīng)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(tǒng)的重要部件之一，由于懸掛于車底，其整體結(jié)構(gòu)剛度及質(zhì)量影響著列車的運行安全[2]。污物箱尺寸較大，形狀結(jié)構(gòu)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化常依靠經(jīng)驗推理，大大制約了企業(yè)的生產(chǎn)效率及產(chǎn)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(shù)量、安裝位置和安裝方式根據(jù)車輛車型有所不同，但總的原則是安裝于衛(wèi)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(shù)污物箱直接裸露在車底。列車高速運行時，污物箱隨車體產(chǎn)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(jié)構(gòu)設計、強度校核、模態(tài)分析、加熱保溫設計等各個環(huán)節(jié)。

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

對于整套衛(wèi)生系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及工作原理

衛(wèi)生系統(tǒng)采用Monogram集中控制式真空集便系統(tǒng)收集來自便器的污物，車上盥洗廢水通過排水管路經(jīng)車底水封裝置排至車外。真空集便系統(tǒng)主要由污物箱（含中轉(zhuǎn)箱及真空發(fā)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(jié)構(gòu)

污物箱采用不銹鋼制成。污物箱配置有1個中轉(zhuǎn)箱及1個真空發(fā)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(nèi)產(chǎn)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(cè)的任意一個檢查口蓋，可對其內(nèi)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(zhuǎn)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(guān)等；可以承受不小于180kPa的壓力。為保證冬季的正常使用，中轉(zhuǎn)箱設自控溫電伴熱線，可自動根據(jù)外溫調(diào)節(jié)加熱功率。中轉(zhuǎn)箱的真空度通過真空發(fā)生器產(chǎn)生，真空發(fā)生器安裝于污物箱側(cè)壁。污物箱及中轉(zhuǎn)箱外形圖參見圖1。

圖1 污物箱及中轉(zhuǎn)箱外形圖

1.2 工作原理

按動便器沖洗按鈕，真空發(fā)生裝置開始工作，中轉(zhuǎn)箱內(nèi)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(zhuǎn)箱，蝶閥關(guān)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(huán)結(jié)束。當便器連續(xù)使用設定次數(shù)（12次）或中轉(zhuǎn)箱內(nèi)污物達到設定液位時（約15L），系統(tǒng)會向中轉(zhuǎn)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(shù)，約2.3次（行車距離：約2300Km）；C：設備的最大使用乘客數(shù)，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(jù)實際使用調(diào)查結(jié)果）；計算結(jié)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(tǒng)說明

污水系統(tǒng)應是封閉系統(tǒng)，收集廢水和便池水。

2.2.2 系統(tǒng)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(zhuǎn)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(jié)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(shù)量：5個。

2.3.3 結(jié)果如下

每列車產(chǎn)生的廢水體積265L（588/4×6×0.3=264.6L）

每列車產(chǎn)生的污物量441L（588/4×6×0.5=441L）

所需的污物箱總?cè)莘e706L（265+441=706L）

每個污物箱所需的容積141L（706/5=141L）

2.3.4 結(jié)論

現(xiàn)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(shù)來考慮，而且分為小便和座便兩部分。計算參數(shù)比較多，而且有的要取決于實際調(diào)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(shù)為兩輛車的總旅客數(shù)。

第二種計算方法主要以單位時間內(nèi)使用便器的次數(shù)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(nèi)，每名乘客的用水量和排泄量來考慮，再根據(jù)人數(shù)確定所需總?cè)萘俊Ｓ嬎闶且匀藶榛鶞实挠嬎惴椒āＪ紫却_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(qū)間、運行距離、單程運行時間、往返次數(shù)等。（3）列車運行過程中有無排污。如有，統(tǒng)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(shù)，此數(shù)據(jù)多數(shù)通過運營列車車內(nèi)的使用次數(shù)調(diào)查來決定，注意使用次數(shù)調(diào)查時期建議在滿員情況下進行調(diào)查。如果是乘客較少情況下的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，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(jù)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(wèi)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(jù)以下經(jīng)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(wèi)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(diào)整系數(shù)。

根據(jù)調(diào)研的數(shù)據(jù)，衛(wèi)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(diào)整系數(shù)按表1取值。

表1 動車組單程運行時間調(diào)整系數(shù)

4 結(jié)束語

我國在污物箱容量方面沒有成熟的規(guī)定或標準，每次計算參考采用國外的計算方法。由于國內(nèi)供水環(huán)境不一樣，車上用水情況也有很大差異，所以有必要對國內(nèi)用水和排污使用情況進行現(xiàn)場調(diào)查，確定國內(nèi)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(wèi)生系統(tǒng)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(shù)量的結(jié)構(gòu)布置比較符合實際情況。因此在原設計基礎上，吸收設計結(jié)構(gòu)精華部分，添加優(yōu)化改進內(nèi)容，是提高我國客車產(chǎn)品質(zhì)量和水平的快捷之路。

參考文獻

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