高速動車組給水系統研究

賈樹峰，魏 凌，李晉輝，楊旭升

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術中心，山東 青島 266111)

隨著高速鐵路通車里程的不斷增加，高速動車組成了人們出行的重要選擇[1]。在高速動車組的各項設施中，給水系統是極為重要的一部分，其主要職能是為旅客、乘務人員等提供洗漱用水、電熱水器用水、廚房用水和集便器沖洗用水等各項服務。高速動車組給水系統設計過程中，不但需要實現基本服務功能，而且需要更加的人性化、標準化，更好地滿足人員需求，提供優質服務[2-3]。

技術體系的區別使得高速動車組的設計也不盡相同，但是基本特點在于降低車輛重心且使各個部件輕量化[4-5]。國內外對高速動車組給水系統的研究主要集中在供水方式[2]、水管路防凍優化設計[6]等方面，少有對整車給水系統施工設計方案的完整介紹。本文以CR400AF型動車組為研究對象，通過對凈水箱進行容量計算和強度仿真分析，以及對供水管路防凍加熱功率進行計算，詳細介紹了高速動車組給水系統的設計原則，為后續高速動車組給水系統的設計提供了理論依據。

1 系統組成

CR400AF型動車組給水系統主要由車下凈水箱、車下水泵裝置、電氣箱、注水管路、溢水管路、供水管路、排水管路、防凍裝置、液位開關、車下液位顯示器等部件組成，其主要配置方式和原理如圖1所示。

圖1 CR400AF型動車組給水系統原理圖

2 方案設計

2.1 凈水箱結構及參數設計

CR400AF型動車組設有車下凈水箱，供水方式為壓力供水，其主要功能為接收來自線路供水系統的凈水，在動車組運營過程中儲水，為車上用水部件供水，為旅客提供飲用水和衛生系統沖洗用水。凈水箱采用模塊化設計[3]，集成注水口及其防護裝置，注水口符合TB/T 1720—2017《鐵道客車及動車組給水裝置》的相關要求，與線路供水系統相適應。CR400AF型動車組凈水箱技術參數如表1所示。

表1 CR400AF型動車組凈水箱技術參數

凈水箱內箱及其內部骨架采用不銹鋼板，泵房區域采用鋁板，在箱體完全密閉時，箱體內注入25 kPa壓縮空氣，保壓1 h后，箱體結構無變形。凈水箱自帶泵水系統，為車上用水部件供水。車下水泵裝置采用集成化設計，位于凈水箱端部泵房內，主要由水泵(包含壓力緩沖罐、流量開關、揚程壓力開關)、吸氣檢測開關、泄漏檢測開關、進水電磁閥、排水電磁閥、電氣箱等組成。動車組供水系統通過檢測管路壓力控制水泵啟停，實現自動供水；系統具有集控排空[7]、0%和25%低液位報警、5檔液位檢測及顯示、防凍加熱、加熱狀態顯示、泄漏保護等功能。為保證系統在低溫環境下的正常使用，凈水箱、水泵均設有防寒及電加熱裝置。凈水箱設置在車下設備艙內，可避免石擊風險。車下凈水箱外形結構如圖2所示。

圖2 車下凈水箱外形結構圖

2.2 管路布置原則

(1) 凈水箱注水管上需設置過濾器，以減少雜質進入凈水箱。注水管向注水口部位可自然回流，如果存在水平布置管路，需有安裝斜度(不低于5/1 000)，任何部位不得存水。

(2) 凈水箱溢流管路自凈水箱溢水高度向溢水口處可自然溢流，如果存在水平布置管路，需有安裝斜度(不低于5/1 000)，任何部位不得存水。

(3) 管路布置需根據管路材質、接頭的連接工藝綜合考慮。銅及銅合金需考慮管接頭的釬焊操作空間；不銹鋼管路需考慮管接頭的螺紋緊固操作空間。

(4) 供水管路主管路、支路上需設置截止球閥，以便在用水設備故障時，單獨關閉該支路而不影響其他設備使用。截止球閥附近應開檢查門，以便于截止球閥的開關操作。

(5) 管路布置需考慮日后檢修的需要，預留足夠的檢修空間，特別是過濾器等需要定時更換的部件，需方便操作。

(6) 低溫環境下管路需考慮防凍保溫措施：當使用環境溫度在0 ℃左右時，管路表面可通過安裝防寒保溫材以保證使用，材料一般采用玻璃絲棉或PE保溫材等其他符合設計要求的材料，保溫材的安裝方式可參照Q/SF 65-132—2016《動車組給水管路組裝及試驗作業規范》執行；當環境溫度低至通過安裝防寒保溫材后仍能發生凍結的可能時，需設置電加熱帶。電加熱帶的纏繞方式參照Q/SF 65-132—2016執行。

(7) 在供水管路的最低位置設置常開式排水電磁閥，動車組斷電后，供水管路中存水可自動排空。

(8) 管路布置需向管路排水結構處傾斜，車下管路安裝需保證向車下水箱處傾斜，車上管路安裝斜度不低于5/1 000。

3 數值計算

3.1 水箱容量計算

水箱容量一般情況下需滿足動車組至少運行一天的用水需要，如果用戶有特殊的需求，可根據要求確定水箱容量。水箱容量的計算需要考慮動車組的定員情況、用水設備的使用頻次、每人次耗水量、動車組的運行時間等因素，國內動車組用水箱的容量計算可根據以下經驗公式計算：

Q=K·P·T·(C1+C2+C3)

(1)

式中：Q——水箱容量，L；

K——修正系數(根據單程運行時間確定，具體見表2)；

表2 修正系數數值

P——定員，人；

T——運行時間(根據單程時間、往返次數確定)，h；

C1——每名乘客每小時飲用水量，L/(h·人)；

C2——每名乘客每小時沖洗耗水量(便器每次沖洗耗水量×衛生間使用頻次)，L/(h·人)；

C3——每名乘客每小時盥洗耗水量(盥洗每次沖洗耗水量×盥洗室(或衛生間)使用頻次)，L/(h·人)。

根據CR400AF型動車組采購技術條件要求，列車最高運行速度為350 km/h，整列車定員為556人，單車最大定員為85人，供水設施間隔距離為1 320 km，往返時間為9 h(以300 km/h運行速度計算)，K取1.1；據醫學統計，1名乘客1天飲水量約為2～2.5 L，取2.5 L作為設計參數，1天飲水時間16 h，故C1=0.156 L/(h·人)；根據長期積累的調研數據，衛生間使用頻次為0.185次/(h·人)，普通便器沖洗耗水量為0.5 L/次，故C2=0.092 5 L/(h·人)；根據長期調研數據，盥洗室使用頻次為0.245次/(h·人)，衛生間內水閥耗水量為0.15 L/次，盥洗室水閥耗水量為0.25 L/次，此處按每次洗手需按壓2次水閥進行計算，故C3=0.25×2×0.245+0.15×2×0.185=0.178 (L·(h·人)-1)。從而可計算出車輛往返行程凈水箱所需容量Q= 1.1×85×9×(0.156+0.092 5+0.178)=359(L)，據此確定每車凈水箱設計容量為400 L時，可滿足車輛往返行程用水需求。

3.2 仿真計算

凈水箱內箱總重230 kg，容積400 L，箱體體板厚度均為2.5 mm，材質均為304不銹鋼；安裝座材質為304不銹鋼，底部承載部分骨架厚度3 mm，側邊吊座下方槽鋼承載部分骨架厚度3 mm，其余側邊槽鋼承載部分骨架厚度2 mm，中間橫向支撐部分骨架厚度3 mm，頂部橫向支撐部分骨架厚度1.5 mm。

首先根據凈水箱的實際結構和尺寸建立箱體的幾何模型，對凈水箱的幾何模型進行離散。使用HyperMesh軟件進行幾何處理和單元網格劃分[8-10]，因為凈水箱結構屬于彈性薄殼結構，所以分析中采用殼單元SHELL，單元大小為12 mm，共劃分74 909個單元，75 846個節點。之后，利用ABAQUS軟件進行求解計算及后處理，對凈水箱(400 L)進行25 kPa保壓仿真計算分析。凈水箱有限元模型如圖3所示。

圖3 凈水箱有限元模型

在保壓載荷工況中，在箱體內面上加載25 kPa壓力(垂直于內面方向向外)，保壓載荷工況下凈水箱的變形圖和等效應力云圖分別見圖4、圖5。

圖4 保壓載荷工況下凈水箱變形圖

圖5 保壓載荷工況下凈水箱等效應力云圖

由圖4、圖5可見，在保壓載荷作用下，凈水箱的最大變形為4.8 mm，凈水箱的最大應力為182.7 MPa。304不銹鋼的屈服強度為205 MPa，安全系數為1.12，滿足強度要求[8-10]。

3.3 防凍加熱功率計算

供水管路的防凍措施主要為：在管路外表面螺旋纏繞恒功率電伴熱線(25 W/m、2 m/根)，然后包裹保溫材(富樂斯保溫材)，用尼龍扎帶捆扎固定，由溫控器控制電伴熱線對管路進行加熱[11-13]。溫控器工作原理為：溫控探頭感受溫度達到(35±3) ℃時，溫控器斷開觸點，電伴熱線停止對管路進行加熱；溫控探頭感受溫度降至(27±3) ℃時，溫控器恢復接通觸點，電伴熱線開始對管路進行加熱，維持管路溫度不低于5 ℃，供水管路保溫示意圖如圖6所示。

圖6 供水管路保溫示意圖

車下供水管路材質為銅，所需加熱功率主要受外界環境溫度、管路外徑、保溫材厚度等因素影響。動車組供水管路所需加熱功率(加30%安全系數)可根據經驗公式(2)進行計算：

Qt={[2π(TV-TA)]/[(lnDo/Di)/λ

+2/(Do×α)]}×1.3

(2)

式中：Qt——單位長度管道的熱損失，W/m；

TV——系統要求的維持溫度，℃；

TA——當地的最低環境溫度，℃；

λ——保溫材料的導熱系數，此處取λ=0.035 W/(m·℃)；

Di——保溫材內徑(管道外徑)，mm；

Do——保溫材外徑(Do=Di+2δ)，mm；

δ——保溫材厚度，mm；

α——保溫材外表面向大氣的散熱系數(與風速有關，考慮到高速動車組供水管路位于設備艙內部，此計算忽略風速的影響)。

本文設定動車組運行外界最低環境溫度為-40 ℃，供水管路規格為銅管φ22.2 mm×1.14 mm，保溫材厚度為9 mm，可計算出維持供水管路溫度不低于5 ℃時所需加熱功率為22 W/m，從而可確定，每1 m供水管路需纏繞1根恒功率電伴熱線。

4 結論

本文通過進行凈水箱容量計算和凈水箱強度仿真分析、供水管路防凍加熱功率計算，詳細介紹了CR400AF型高速動車組給水系統的配置原則，可得出以下結論：

(1) CR400AF型動車組給水系統主要由車下凈水箱、車下水泵裝置、電氣箱、注水管路、溢水管路、供水管路、排水管路、防凍裝置、液位開關、車下液位顯示器等部件組成。

(2) 車下凈水箱供水方式為壓力供水，采用模塊化設計，自帶泵水系統，集成注水口及其防護裝置，系統具有集控排空、0%和25%低液位報警、5檔液位檢測及顯示、防凍加熱、加熱狀態顯示、泄漏保護等功能。

(3) 供水管路布置需充分考慮管接頭的施工和日后檢修空間，任何部位不得存水，低溫環境下管路需考慮防凍保溫措施。

(4) 通過凈水箱容量計算，為滿足動車組單車最大定員85人、供水設施距離1 320 km的往返需求，凈水箱設計容量為400 L。

(5) 通過凈水箱結構強度有限元仿真分析，在25 kPa保壓載荷作用下，凈水箱的最大變形為4.8 mm，最大應力為182.7 MPa，安全系數為1.12，滿足強度要求。

(6) 通過供水管路防凍加熱功率計算，當外界環境溫度為-40 ℃時，維持供水管路溫度不低于5 ℃，每1 m供水管路需纏繞1根恒功率電伴熱線。