鐵路客車上水溢流控制技術(shù)進(jìn)展

洪蔚

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

鐵路客車上水溢流控制技術(shù)進(jìn)展

洪蔚

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

多年來(lái)，鐵路客車上水溢流現(xiàn)象一直存在，浪費(fèi)了寶貴的水資源，為解決此問題，雖然相關(guān)的研究較多，但簡(jiǎn)單適用的成熟技術(shù)尚未問世。本文對(duì)目前公開發(fā)表的多種客車上水溢流控制技術(shù)的研究成果進(jìn)行了分析和總結(jié)，研究提出了客車上水溢流控制技術(shù)下一步的發(fā)展方向。

客車上水； 溢流控制； 上水管路； 水壓

1 概述

一直以來(lái)，在鐵路客車上水作業(yè)過(guò)程中，需要上水工人隨時(shí)密切觀察溢水管是否有水溢出，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水箱上滿水開始溢流時(shí)，再關(guān)閉上水栓閥門停止上水。因?yàn)橐暰€受限、作業(yè)人員需監(jiān)管多節(jié)車廂而無(wú)法兼顧等多種原因，屢屢出現(xiàn)客車水箱上滿水后不能及時(shí)關(guān)閉上水閥的現(xiàn)象，造成了水資源的浪費(fèi)，特別在近年來(lái)上水作業(yè)人員不斷減少、個(gè)人需要監(jiān)管的車廂增多的情況下，水資源浪費(fèi)的現(xiàn)象變得更為嚴(yán)重。另外，北方地區(qū)冬季溢流出水還會(huì)在站場(chǎng)結(jié)冰，可能影響行車安全及作業(yè)人員人身安全，有些車站不得不組織除冰作業(yè)。

為解決此問題，有必要對(duì)既有的上水系統(tǒng)進(jìn)行改造，以實(shí)現(xiàn)水箱上滿水后自動(dòng)停止上水。多年來(lái)，很多研究者對(duì)此進(jìn)行了研究，也取得了一些成果。按照改造部位不同，客車上水溢流控制技術(shù)大致可分為僅改造車下的上水管路系統(tǒng)和同時(shí)改造車上車下系統(tǒng)兩大類。對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的最早的研究是從僅改造車下的上水管路系統(tǒng)開始的，目前這方面的研究成果較多，一般多采用在車下上水管系統(tǒng)中增加一些特殊的裝置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溢流控制，但因不同車型的車上上水系統(tǒng)存在較大差異，故此類技術(shù)一般不能同時(shí)適應(yīng)各種車型。之后也有研究者考慮對(duì)車上和車下系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行改造，在車上和車下均增設(shè)了專門的裝置，較之僅改造車上系統(tǒng)提高了溢流控制技術(shù)的可靠性，一般可適用于不同的車型。就車上水滿信號(hào)傳遞到車下的途徑而言，溢流控制技術(shù)又可分為利用變化的水流信號(hào)和車上發(fā)射、車下接收無(wú)線信號(hào)兩大類，這兩類方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，變化的水流信號(hào)可保證車上上水水箱和車下上水栓的一一對(duì)應(yīng)，但當(dāng)水流水力學(xué)要素變化小時(shí)不易采集到水滿信號(hào)，且需要考慮排除水流紊動(dòng)的影響；無(wú)線信號(hào)方法則不受水流變化大小影響，但除了需要設(shè)置發(fā)射和接收裝置外，還需解決發(fā)射的信號(hào)被其它上水栓井接收產(chǎn)生的誤操作問題。

調(diào)研結(jié)果表明，雖然相關(guān)研究成果較多，但均存在一些問題，故到目前為止，適合現(xiàn)場(chǎng)情況且適用的溢流控制技術(shù)，尚未見應(yīng)用。本文在資料調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)目前公開發(fā)表的多種客車上水溢流控制技術(shù)進(jìn)行了分析和總結(jié)，并結(jié)合我單位的研究成果和工作經(jīng)驗(yàn)，提出了客車上水溢流控制技術(shù)下一步的研究方向。

2 僅改造車下上水管路系統(tǒng)

2.1 設(shè)置遙控器

采用遙控器控制溢流技術(shù)較簡(jiǎn)單，僅需給水作業(yè)人員配備手持遙控器，同時(shí)給每個(gè)上水栓增設(shè)信號(hào)接收裝置、控制裝置及上水電磁閥，遙控器可控制多個(gè)上水栓。作業(yè)人員發(fā)現(xiàn)某節(jié)客車水箱溢流管開始溢流后，即可通過(guò)遙控器遠(yuǎn)距離關(guān)閉對(duì)應(yīng)上水栓井內(nèi)的上水電磁閥，進(jìn)而停止上水。該系統(tǒng)首先需要依靠人工肉眼觀察溢流是否產(chǎn)生，再利用遙控器射頻信號(hào)傳遞水滿信息，信號(hào)被接收裝置接收后傳至控制裝置，控制裝置關(guān)閉電磁閥。目前新型給水單元機(jī)多具備此功能，也得到了廣泛使用。文獻(xiàn)[1-3]分別介紹了三個(gè)不同給水系統(tǒng)，在各系統(tǒng)均采用了遙控器，通過(guò)遙控器，作業(yè)人員既可在觀察到溢流后立即停止上水，也可在上水快速接頭與客車注水口對(duì)接后開啟上水開關(guān)，減少了在上水栓與客車注水口來(lái)回走動(dòng)的時(shí)間及工作量。

此方法存在著夜間無(wú)法觀察到溢流、監(jiān)管多節(jié)車廂困難、手持遙控器不方便作業(yè)等問題，特別是屬于溢流產(chǎn)生后的事后控制，減少的溢流水量有限。實(shí)際上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工人來(lái)說(shuō)，采用遙控器更重要的作用是可減少作業(yè)人員的走動(dòng)距離，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2 設(shè)定上水時(shí)間

隨著鐵路建設(shè)的發(fā)展，多種型號(hào)新型給水設(shè)備陸續(xù)投入使用，在這些設(shè)備中，部分設(shè)備的控制系統(tǒng)中設(shè)置了PLC或數(shù)控模塊，做到了上水程序化，除了人工連接上水軟管和取下上水軟管外，其他的工序都可由程序控制，其中也包括設(shè)置上水時(shí)間。上水工可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或液位顯示儀的讀數(shù)設(shè)定上水時(shí)間，按下啟動(dòng)按鈕或遙控器上水開關(guān)，開啟上水電磁閥，開始上水，到達(dá)程序預(yù)先設(shè)定的上水時(shí)間后，上水電磁閥關(guān)閉，停止上水。武漢工程大學(xué)楊帆[4]等人設(shè)計(jì)研制的“基于PLC的列車給水監(jiān)控系統(tǒng)”中通過(guò)預(yù)先設(shè)定上水時(shí)間，來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)水閥的關(guān)停，該系統(tǒng)在車站給水網(wǎng)絡(luò)中設(shè)末端上水支閥，當(dāng)列車到達(dá)時(shí)，連接上水軟管后，上水支閥開啟，列車開始上水，到達(dá)PLC預(yù)先設(shè)定的時(shí)間(一般設(shè)置為60sec)時(shí)，上水結(jié)束。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所研制的上水設(shè)備[5]中也具備根據(jù)預(yù)先設(shè)定的上水時(shí)間停止上水的功能。

該方案存在的主要問題是難以設(shè)定合適的上水時(shí)間，若設(shè)定時(shí)間過(guò)短，水箱上不滿水，設(shè)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則溢流仍會(huì)產(chǎn)生。目前設(shè)定時(shí)間主要由給水作業(yè)人員根據(jù)液位顯示儀顯示的水箱液位確定，但由于存在著不同車型的水箱容積不同、液位顯示儀顯示的是階段性液位而非連續(xù)性液位等多種原因，現(xiàn)場(chǎng)很難確定準(zhǔn)確的需要上水的體積；此外，由于車上車下上水管路系統(tǒng)各異、上水管網(wǎng)水壓波動(dòng)等因素影響，上水管中的流速也很難確定，因此無(wú)法設(shè)定適宜的上水時(shí)間，水箱上不滿水或者產(chǎn)生溢流浪費(fèi)水的現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生，故采用此方法仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)溢流控制。

2.3 檢測(cè)水箱滿水前后的壓力變化

郭厚焜等[6]認(rèn)為在不對(duì)車上進(jìn)行任何改動(dòng)的情況下，在車下采集水箱上滿的數(shù)據(jù)是解決溢流控制問題的關(guān)鍵。在對(duì)列車水箱的結(jié)構(gòu)和管路的布局進(jìn)行了調(diào)研和分析后認(rèn)為，水箱在水位達(dá)到水滿水位線之前，車下上水管進(jìn)水口處的壓力一直保持不變。但在水箱水位達(dá)到水滿水位線并開始溢水之后，進(jìn)口處的壓力會(huì)發(fā)生變化，找出此時(shí)的變化規(guī)律，設(shè)定合適的判斷閾值，據(jù)此可判斷水滿與否。

蔡體健[7]針對(duì)列車上水自動(dòng)控制系統(tǒng)中電磁閥關(guān)斷的閾值(水箱水滿判據(jù))不能準(zhǔn)確確定的問題，開發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作分為手動(dòng)訓(xùn)練階段和自動(dòng)控制階段：在手動(dòng)訓(xùn)練階段，電磁閥的開斷由人工手動(dòng)控制，系統(tǒng)自動(dòng)記錄當(dāng)時(shí)的水壓數(shù)據(jù)，找到不同車型、不同供水水壓情況下上滿水時(shí)的水壓；經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的訓(xùn)練，系統(tǒng)可進(jìn)入自動(dòng)控制階段，此階段可采集不同復(fù)雜環(huán)境下水壓數(shù)據(jù)，并不斷與數(shù)據(jù)庫(kù)中所存放的同樣條件下(同類型車體、同樣供水水壓)的水壓數(shù)據(jù)比較，若當(dāng)前水壓等于此條件下的關(guān)斷水壓，則系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉電磁閥停止上水。

以上的研究都是基于客車水箱上部上水管口和溢水管口距離頂部有一定的距離為基礎(chǔ)的，故當(dāng)水箱上滿水后，上部空氣受到壓縮，使得車下上水管中壓力增加。但據(jù)調(diào)研，目前使用的水箱頂部都有凸起，上水管口和溢水管口均設(shè)置在其中，高于水箱頂部，故不存在壓縮空氣情況；且當(dāng)水箱上滿水后，溢流水經(jīng)過(guò)另一根上水管和溢水管排泄，雖然流程變長(zhǎng)，增加了水力摩阻，但由于另一根上水管和溢水管出口遠(yuǎn)低于水箱頂部，客觀上形成虹吸作用，使得車下上水管中壓力增加很小，以至于很難將其和水流紊動(dòng)分開。同時(shí)考慮車上和車下給水管路系統(tǒng)的水力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果[8]均證實(shí)了這一點(diǎn)。另外，不同車型的水箱型式、內(nèi)部管路布置、管徑和材質(zhì)等均存在差異，不同的車下給水干管水壓、上水管管徑、管路長(zhǎng)度、材質(zhì)、可能引起局部水頭損失的部件等亦不同，這些因素中任何一個(gè)發(fā)生變化都會(huì)影響到整個(gè)管路系統(tǒng)各部位的水壓，因此無(wú)法確定適合各種車型、同時(shí)適應(yīng)車下上水系統(tǒng)水壓變化的閾值。多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，僅在車下采用壓力傳感器進(jìn)行檢測(cè)的溢流控制系統(tǒng)往往不能適應(yīng)所有的車型，且受車下供水系統(tǒng)水流變化的影響較大。

3 車上車下同時(shí)改造

3.1 通過(guò)無(wú)線信號(hào)傳遞水滿信息

專利《客車上水自動(dòng)控制裝置》[9]對(duì)車上和車下上水系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行改造，利用無(wú)線信號(hào)傳遞水滿信息。在車上安裝滿水控制模塊、壓力傳感器和發(fā)射天線，在車下安裝接收器、上水控制模塊和電磁閥。壓力傳感器安裝在水箱內(nèi)，壓力傳感器的數(shù)據(jù)線與滿水控制模塊連接，當(dāng)水箱上滿水，壓力達(dá)到閾值時(shí)，滿水控制模塊通過(guò)設(shè)置的發(fā)射天線向車下發(fā)射信號(hào)，安裝在車下的接收器通過(guò)天線接收信號(hào)后，通過(guò)給水控制模塊關(guān)閉電磁閥。

專利《鐵路列車上水自動(dòng)關(guān)閉裝置》[10]同樣利用無(wú)線信號(hào)傳遞水滿信息。其關(guān)鍵部件是信號(hào)發(fā)射器和接收器，信號(hào)發(fā)射器安裝在車上溢流管口，包括由支架和與支架軸連接的板體組成的蹺蹺板，底端設(shè)置有控制觸點(diǎn)的無(wú)線發(fā)射模塊；當(dāng)客車水箱上滿水發(fā)生溢流時(shí)，蹺蹺板繞軸旋轉(zhuǎn)，觸發(fā)控制觸點(diǎn)，發(fā)射器發(fā)射無(wú)線信號(hào)，安裝在車下的接收器接收信號(hào)后，控制模塊關(guān)閉電磁閥，從而實(shí)現(xiàn)滿水自停。

通過(guò)無(wú)線信號(hào)傳遞水滿信息的方法存在的主要問題是難以做到車上水箱和上水栓的一一對(duì)應(yīng)，可能出現(xiàn)與發(fā)射信號(hào)的水箱不對(duì)應(yīng)的上水栓誤接收信號(hào)而停止上水的狀況，此外這兩種方案均屬于事后控制，會(huì)產(chǎn)生短時(shí)溢流，未完全杜絕水的浪費(fèi)，而且需要加裝的部件較多。

3.2 機(jī)械型防溢流裝置

謝斌、顧長(zhǎng)春[11]研制了一種安裝在車上上水管路系統(tǒng)上的裝置，在兩根上水管和一根溢流管上均加裝了防溢流裝置，它包括活塞套筒和彈簧，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是與活塞套筒內(nèi)周相應(yīng)地保持間隙的雙向活塞組件。當(dāng)列車上水時(shí)，有壓力的水自下而上通過(guò)該裝置流動(dòng)，當(dāng)水箱注滿水后，除上水管外其他兩根管路就由排氣管變?yōu)榱艘缌鞴埽惭b在這兩根管上的防溢流裝置自動(dòng)關(guān)閉閥門止流，逐漸使水箱增壓的上水管產(chǎn)生反沖力，使列車上水管自動(dòng)滑脫，車下在上水軟管前部安裝的專用的上水接頭自動(dòng)關(guān)閉地面上水的水源。該方法存在如下問題：(1)需要采用專用接頭，該接頭利用水壓實(shí)現(xiàn)不上水時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，無(wú)法排空管內(nèi)余水，使得上水工來(lái)回拖曳水管吃力，同時(shí)也不適合北方站區(qū)冬季使用；(2)當(dāng)水箱上滿水時(shí)，安裝于溢流管的防溢器仍然流水，直到彈簧被壓緊，故采用本方法亦為事后控制，并不能完全做到防止溢流現(xiàn)象發(fā)生；(3)當(dāng)水箱上滿水后，必須繼續(xù)上水，直至接頭處的水壓大于該接頭所能承受的最大水壓，此時(shí)注水口處的壓力一般大于200 kPa，這樣水箱內(nèi)壓力過(guò)高有可能超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1720—2010《鐵道客車給水裝置》[12]規(guī)定的“水箱內(nèi)部的剩余壓力不大于25 kPa”的要求。

趙自然等人發(fā)明的鐵路客車車廂上水裝置[13]利用變化的水流傳遞水滿信息，其關(guān)鍵部件是特制的截止閥和聯(lián)結(jié)器。安裝在車上兩根上水管路上的截止閥模塊為一雙通道單向閥，一個(gè)方向常通，另一個(gè)方向空氣流通時(shí)開，有水經(jīng)過(guò)時(shí)關(guān)閉；安裝在車下上水管前端的聯(lián)結(jié)器和截止閥對(duì)接時(shí)上水管路暢通，斷開時(shí)停止上水。水箱上滿水后，截止閥模塊停止排氣及排水，水箱內(nèi)和上水管內(nèi)壓力增高，此時(shí)車上上水管路壓力也增高，直至注水口處聯(lián)結(jié)器脫落，系統(tǒng)自動(dòng)停止上水，利用聯(lián)結(jié)器和虹吸的共同作用，排空管內(nèi)余水。此方案未考慮到水箱內(nèi)還有一根溢流排水管，該水管上水時(shí)排氣，水滿后排水，受其影響，或因水箱壓力不增加而導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)水滿自停，也可能因水箱壓力增加緩慢使得溢流水量大；另外，聯(lián)結(jié)器處的壓力需要達(dá)到一定值后方可脫落，和前述的防溢流裝置一樣，可能造成水箱內(nèi)壓力過(guò)高而超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)[12]的要求。

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所提出的在車上加裝排氣排水閥[14]方案，是在兩根上水管和溢流管上均安裝排氣排水閥，在給水栓井內(nèi)安裝壓力傳感器、控制裝置和電磁閥。上水時(shí)，上水管路上的排氣排水閥上水，另一根上水管和溢流管上的排氣排水閥排氣；在水箱上滿水后，另一根上水管和溢流管上的閥封閉，通過(guò)排氣排水閥干擾流場(chǎng)，水箱和管路壓力增加，再經(jīng)過(guò)設(shè)置在地下上水栓井內(nèi)的壓力傳感器感知到水滿前后的變化，利用控制裝置關(guān)閉電磁閥，實(shí)現(xiàn)水滿自停。該方案的優(yōu)點(diǎn)是改造較簡(jiǎn)單，不需要使用車上的電源；接頭非正常脫落也能自動(dòng)停止上水；但仍屬于溢流事后控制；且水箱內(nèi)剩余壓力僅滿足TB/T 1720—1998《鐵道客車給水裝置通用技術(shù)條件》規(guī)定，故該方法僅適用于普速車的舊車改造，不適合動(dòng)車等執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1720—2010《鐵道客車給水裝置》[12]的車輛。

綜上，采用機(jī)械型防溢流裝置的優(yōu)點(diǎn)是改造簡(jiǎn)單，無(wú)需使用車上電源；但均屬于事后控制，無(wú)法完全避免溢流的產(chǎn)生，同時(shí)水箱內(nèi)剩余壓力無(wú)法滿足TB/T 1720—2010 《鐵道客車給水裝置》[12]對(duì)水箱內(nèi)部剩余壓力的要求。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有溢流控制技術(shù)的分析可以看出，雖然目前研究成果較多，但尚未見適合于各種車型、不受車下上水系統(tǒng)影響、改造簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠的溢流控制技術(shù)，客車上水溢流浪費(fèi)水的現(xiàn)象依然存在，有必要進(jìn)行深入的研究。

4.2 建議

(1)因?yàn)闊o(wú)線發(fā)射信號(hào)存在著易受干擾、易產(chǎn)生誤操作、安裝較麻煩等問題，應(yīng)重點(diǎn)研究水流傳遞水滿信號(hào)的技術(shù)方案，并針對(duì)上滿水前后水力學(xué)要素變化較小的情況，研究適宜的干擾流場(chǎng)技術(shù)。

(2)僅在車下進(jìn)行改造難以適用于各種車型且受車下上水系統(tǒng)干擾較大，應(yīng)采用車上車下一起改造的技術(shù)方案，車上改造內(nèi)容應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、體積小、易維修。

(3)必須考慮車上水箱剩余壓力標(biāo)準(zhǔn)問題，研究提出適用于舊標(biāo)準(zhǔn)的既有普速車改造和適用于新標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)車改造技術(shù)。

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[15] TB/T 1720—1998 鐵道客車給水裝置通用技術(shù)條件[S].北京：人民鐵道出版社，1998.

Progresses and Perspectives of Overflow Control in Railway Water Supply System

HONG Wei

(EnergySaving&EnvironmentalProtection&OccupationalSafetyandHealthResearchInstitute,ChinaAcademyofRailwaySciences，Beijing100081，China)

The Phenomenon of Overflow in Railway Water Supply System is very common.Although there are a lot of related researchs, but the simple and mature technology has not yet come out.The related research achievements of overflow control technologys in railway water supply system were analysed and summarized, and the technical development trend was proposed in this paper.

water supply system; overflow control; water pipes; hydraulic pressure

2016-09-09；

2016-10-27

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題《旅客列車上水綜合技術(shù)研究》(編號(hào)：2015Z005-E)。

洪蔚(1986—)，女，浙江人，碩士，從事節(jié)能環(huán)保工作。

2095-1671(2016)06-0271-05

U291.1+<8 class="emphasis_bold">8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B8

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