應(yīng)用于地鐵車輛的IPX5 防水試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)研究

任東軍

（長春長客龐巴迪軌道車輛有限公司，吉林 長春130062）

1 概述

在車輛采購技術(shù)合同中，車輛的水密性試驗(yàn)是車輛例行試驗(yàn)中的重要技術(shù)參數(shù)，一般要求根據(jù)CEI-IEC61133 2016-10標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。車輛的水密性試驗(yàn)是直接影響到整列車在運(yùn)行過程中的電氣安全與穩(wěn)定，特別是針對具有地面路線和高架路線的城市軌道車輛。并且具有良好的水密性地鐵車輛非常有利于車輛運(yùn)營維護(hù)過程中的清洗和保養(yǎng)。因此，對于地鐵車輛，必須在設(shè)計(jì)制造過程中采取有效措施，確保車輛的水密性。

根據(jù)IEC61133 要求地鐵車輛水密性必須滿足IEC 60529中的IPX5 的要求。

IEC 60529，為機(jī)殼提供的防護(hù)等級（IP 代碼）。此標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)大部分類型的電氣設(shè)備的水密性試驗(yàn)。即采用上部和兩側(cè)各一排水平噴嘴的噴射架，每排應(yīng)能均勻地噴射500L/min 流量，壓力200kPa，采用90°固定錐體噴嘴的噴射方式。

但該標(biāo)準(zhǔn)并不能直接指導(dǎo)大型外觀尺寸設(shè)備的水密性試驗(yàn)，尤其是地鐵車輛。所以，如何將IPX5 等級要求進(jìn)行合理的轉(zhuǎn)化，并指導(dǎo)大型設(shè)備水密性試驗(yàn)，以及指導(dǎo)水密性試驗(yàn)設(shè)施的設(shè)置，則尤其重要。

2 IPX5 試驗(yàn)要求

在IEC 60529 中，IPX5 的試驗(yàn)要求如下：

使用直徑6.3mm 的噴嘴測試。

圖1 用于IPX5 試驗(yàn)的噴嘴

通過如圖1 所示的一個標(biāo)準(zhǔn)測試噴嘴產(chǎn)生的水流從機(jī)殼的所有可行方向噴濺機(jī)殼執(zhí)行測試。同時滿足以下要求：

表1 IEC 60529中,IPX5的試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)要求分析

根據(jù)IPX5 試驗(yàn)要求可以得出，此標(biāo)準(zhǔn)適用于小體積的電氣部件（即直徑范圍小于40mm 的部件），而對于地鐵車輛這種長大部件而言，則需要標(biāo)準(zhǔn)解讀和轉(zhuǎn)化。

已知噴嘴流量速率12.5 升/分鐘，所以，在6.3mm 口徑處每分鐘通過流量為12.5L，同理，在2.5m 處的噴淋區(qū)域，每分鐘通過流量也為12.5L。

圖2 噴淋面積示意圖

如圖2 所示，設(shè)此時噴淋區(qū)域面積為S1，則

此時設(shè)每分鐘單位面積上的流量為△L，則

設(shè)車輛噴淋面積為S車，則車輛噴淋表面上每分鐘流量如下：

此時，試驗(yàn)要求可以認(rèn)為確保水密性試驗(yàn)時，車輛表面流量達(dá)到L車。

2.2 設(shè)備要求

2.2.1 流量

由以上推理可知，用于水密性試驗(yàn)的設(shè)備的總輸入流量與車輛實(shí)際需求流量關(guān)系如下：

其中η 為設(shè)備從入水到噴到車體表面過程中的總損耗，可分為以下幾部分：

η1為噴嘴外流量損失系數(shù)，η2為有效面積與設(shè)備噴淋面積之比。

所以公式（4）則可變成以下型式：

根據(jù)Darcy-Weisbach 公式

其中：

hf——沿程水頭損失（mm3/s）;

f——Darcy-Weisbach 水頭損失系數(shù)（無量綱）;

l——管道長度（m）;

d——管道內(nèi)徑（mm）;

v——管道流速（m/s）;

g——重力加速度（m/s2）。

η1·L輸入為實(shí)際的噴嘴流量，（1－η1）通常指噴量公差。對工業(yè)用噴嘴而言，以常溫凈水為基準(zhǔn)，在各噴嘴系列所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力下，噴量公差在±5%以內(nèi)（升/分）。

η2·L輸入為噴淋面積內(nèi)的有效噴淋流量。η2的大小通常與噴嘴角度、噴嘴分布位置和噴霧覆蓋形狀有關(guān)，通常為簡化計(jì)算，并在試驗(yàn)中達(dá)到理想的噴霧覆蓋，多采用方形噴霧。此時η2則僅為噴嘴的噴角公差而引起的噴覆面積與理論面積之比，對工業(yè)用噴嘴而言，噴角也以常溫凈水為基準(zhǔn)，在各噴嘴系列所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力下，噴角公差在±5°以內(nèi)。

設(shè)噴淋物體到噴嘴出口距離為h，噴角為α，則

綜上所述，則式（6）如下：

2.2.2 壓力

假設(shè)管道直徑不變，噴嘴尺寸和噴霧角度不變。噴嘴的流量因噴霧壓力的變化而變化。一般情況下，流量和壓力的關(guān)系如下：

所以當(dāng)壓力上升時，流量也隨之上升，當(dāng)壓力下降時，流量也隨之下降。即變化前后的壓力之比等于變化前后的流量的平方之比。

設(shè)當(dāng)前設(shè)備流量為Lx，設(shè)備管道內(nèi)水壓為Px，則有如下關(guān)系

2.2.3 設(shè)備配置

由（4）（L車＝η（L輸入－管道流量損失））和（12）（P輸入＝Px·（L輸入/Lx）2），確定出設(shè)備所需要的流量和壓力。

按IPX5 的要求，噴嘴距離噴淋物體表面距離為2.5～3m。已知地鐵A 型車輛寬度3m，高度3.8m。則此試驗(yàn)臺外觀尺寸至少為5.5m 寬，6.5m 高。

綜上所述，直接按IPX5 要求制造試驗(yàn)臺有以下問題：

a.試驗(yàn)臺占用空間巨大，而且試驗(yàn)臺制造難度和成本過高；

b.管道流量損失難測量，試驗(yàn)臺流量參數(shù)計(jì)算難度大；

c.IPX5 為單噴嘴噴淋，實(shí)際地鐵車輛需多噴嘴噴淋，噴嘴數(shù)量難以確定。

3 IPX5 試驗(yàn)臺原理優(yōu)化設(shè)計(jì)

在實(shí)際的工業(yè)制造領(lǐng)域，對大部件淋雨測試多根據(jù)GB/T 12480-90，采用降雨強(qiáng)度進(jìn)行被測物體的淋雨試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3.1 表面流量與降雨強(qiáng)度

降雨強(qiáng)度定義，用20cm 直徑量杯，接水1min 后，其量杯內(nèi)水總量除以30g 的值即為降雨強(qiáng)度（此時30g 水相當(dāng)于1mm/min 的降雨量）。

已知IPX5 單位面積的流量為△L

設(shè)單位面積上的降雨量為F0，則

即IPX5 對應(yīng)的降雨強(qiáng)度為20mm/min。

3.2 設(shè)備配置要求

根據(jù)GB/T 12480-90，淋雨設(shè)備自身設(shè)有流量計(jì)，并在與降雨強(qiáng)度規(guī)定值不相同的受雨部位對應(yīng)的淋雨管路上分別設(shè)置節(jié)流閥，或全部淋雨管路反設(shè)置一個共用節(jié)流閥，管路上噴嘴的布置密度與其降雨強(qiáng)度的比值相對應(yīng)。

則有

式中：QY——對應(yīng)設(shè)備上流量，m3/h；

F0——車體待測部位規(guī)定降雨強(qiáng)度，mm/min；

A0——車體待測部位對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)面積，m2。此時根據(jù)GB/T 12480-90 試驗(yàn)設(shè)備要求如下：

表2 GB/T 12480-90 試驗(yàn)設(shè)備要求

4 淋雨試驗(yàn)臺參數(shù)確定

4.1 淋雨標(biāo)準(zhǔn)面積

淋雨標(biāo)準(zhǔn)面積大小由被試驗(yàn)車型外型尺寸決定，將車身頂部面積、側(cè)面面積、前后圍面積求和即可達(dá)到。

即

其中L——淋雨試驗(yàn)臺頂部面長度，M——淋雨試驗(yàn)臺頂部面寬度，N——淋雨試驗(yàn)臺側(cè)部面高度，P——淋雨試驗(yàn)臺前部面寬度，A——車長，B——車寬，H——車高。

對地鐵A 型車來講，A=25m；H＝3.8m；B＝3m。

4.2 水泵的選型

水泵額定流量選擇應(yīng)滿足最大淋雨強(qiáng)度要求。

S——淋雨試驗(yàn)臺總面積m2；

F——降雨強(qiáng)度mm/min。

則Q＝338.65*20*60/1000＝406.38（m3/h）

水循環(huán)系統(tǒng)總水頭/總揚(yáng)程

式中：hg為過濾器反沖揚(yáng)程，依據(jù)過濾器型號和參數(shù)確定；hs為儲水池水面到管路高度，由儲水池參數(shù)決定；ho為噴嘴壓力，一般為15m H2O。hd為系統(tǒng)管路阻力，估計(jì)為5m H2O

整個管路取安全系數(shù)為10%，則有

4.3 噴嘴數(shù)量及布置

噴嘴數(shù)量應(yīng)根據(jù)降雨強(qiáng)度，噴射壓力，和噴嘴直徑確定。根據(jù)GB/T 12480，單位面積噴嘴數(shù)量計(jì)算如下：

n——單位面積噴嘴數(shù)量；F——降雨強(qiáng)度mm/min；V——水柱離開噴嘴速度 m/s；A——噴嘴出口面積 m2；GB/T12480-90規(guī)定噴嘴噴射壓力為69～147，根據(jù)伯努利方程：

設(shè)噴嘴出水口與水管高度相同，水噴離噴嘴后,相對壓力P2為零，近似可得P1和水柱離開噴嘴速度V2。

計(jì)算得V2＝11.74～17.14 m/s。

當(dāng)降雨強(qiáng)度為20，噴嘴噴射壓力為147，噴嘴直徑取D＝3mm 時：n＝0.02/[17.14*0.003*0.003*π/4]* 60＝2.75 個/m2

噴嘴布置應(yīng)保證車體外表面被人工雨均勻覆蓋，不存在死區(qū)并符合相應(yīng)的降雨強(qiáng)度要求。如圖3 所示：

圖3 噴嘴布置示意圖

針對地鐵車輛的特殊性，可考慮對前后噴淋試驗(yàn)面積區(qū)采用對開門型式，以方便車輛的軌道運(yùn)輸。

5 淋雨試驗(yàn)臺工程設(shè)計(jì)要求

隨著我國進(jìn)入“智能制造2025”，在進(jìn)行工程設(shè)備設(shè)計(jì)時，應(yīng)滿足企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略要求，特別是信息化、數(shù)字工廠的建設(shè)要求。在工藝研發(fā)上，積極探索自動化技術(shù)，并且結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、RFID 等技術(shù)，做到數(shù)據(jù)自動采集通信。

淋雨試驗(yàn)臺噴淋系統(tǒng)產(chǎn)生模擬人工降雨，由供給系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)組成。噴淋水由水泵從吸水池泵出，經(jīng)過濾器進(jìn)入管路從噴嘴噴出，進(jìn)回水槽流入回水池，通過回水池沉淀過濾進(jìn)入吸水池進(jìn)行下一輪循環(huán)。此外，淋雨試驗(yàn)臺還應(yīng)滿足以下要求：

5.1 節(jié)水降耗要求

試驗(yàn)水采用循環(huán)水來節(jié)約水資源，水池分兩個或三個相互連通設(shè)有濾網(wǎng)的池，完成回水、過濾、沉淀、吸水等功能。水池總?cè)萘炕谝淮卧囼?yàn)時間內(nèi)使用車輛用水量外，還應(yīng)增加回收水隨時間沉淀而進(jìn)行的冗余設(shè)計(jì)。為保證水質(zhì)清潔，避免堵塞噴頭，淋雨試驗(yàn)區(qū)除設(shè)有回水槽外，在車輛出入口位置應(yīng)設(shè)置隔水槽。

5.2 避免試驗(yàn)引入的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)

車輛完成淋雨測試后應(yīng)考慮對車身表面殘留水進(jìn)行吹干，以防止水痕、冬季的凍霜等問題引起的車身油漆質(zhì)量問題。吹干形式有冷風(fēng)、熱風(fēng)兩種。一般的淋雨試驗(yàn)室采用強(qiáng)冷風(fēng)結(jié)構(gòu)，吹干系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、風(fēng)箱、風(fēng)管等組成，其原理是當(dāng)氣流速度達(dá)到20m/s 以上，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)經(jīng)過濾后由風(fēng)箱分配進(jìn)入風(fēng)管，均勻吹在試驗(yàn)車輛表面，使車身上的水形成水霧脫離車身。

5.3 控制系統(tǒng)的智能化

控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時需要結(jié)合企業(yè)相關(guān)的數(shù)字工廠基礎(chǔ)，進(jìn)行智能終端、物聯(lián)網(wǎng)接網(wǎng)設(shè)計(jì)。并為MES系統(tǒng)的接入提供支持。在硬件方面通常包括：開關(guān)控制箱、流量計(jì)、壓力表、時間繼電器等組成，對車輛試驗(yàn)時間、淋雨強(qiáng)度、噴射壓力進(jìn)行調(diào)整控制。在軟件方面，則需要進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、以及考慮后續(xù)的車輛生產(chǎn)調(diào)試計(jì)劃安排、質(zhì)量管控、報(bào)工校檢等要求進(jìn)行開發(fā)。

結(jié)束語

本文通過對地鐵車輛的淋雨試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60529 的IPX5要求分析，確定出實(shí)際物體單位面積上的表面流量，最終折算成降雨強(qiáng)度，并根據(jù)GB/T12480-90 要求，推導(dǎo)出用于地鐵A 型車的淋雨試驗(yàn)臺相關(guān)參數(shù)。這從工業(yè)角度成功解決了 IEC 60529 無法應(yīng)用于大型設(shè)施淋雨試驗(yàn)的問題，極大降低了設(shè)備制造難度和制造成本，而且有效提高了設(shè)備的精度，滿足IEC 60529 的要求，最終滿足車輛水密性要求，并具有廣泛推廣意義。同時本文指出，結(jié)合國家智能制造戰(zhàn)略，在設(shè)備工程設(shè)計(jì)時，需要依據(jù)企業(yè)總體戰(zhàn)略目標(biāo)，以建設(shè)數(shù)字化運(yùn)營與管理為主線，進(jìn)行設(shè)備智能化設(shè)計(jì)，從而為企業(yè)推進(jìn)數(shù)字化建設(shè)提供有力保障。