高速動車組排水系統(tǒng)壓力保護(hù)裝置

馬志會，熊劍春，董偉力

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北唐山063035）

由于動車組在高速運(yùn)行時，受電弓與電網(wǎng)、動力單元運(yùn)行、輪軌接觸都會產(chǎn)生較大的噪聲，特別是動車組會車和進(jìn)出隧道時，會引起車廂內(nèi)氣壓的波動。為了保證動車組的舒適性，動車組車廂的氣密性要求較高。

高速動車組上由于洗池排水的水污染程度較小，開水爐排水基本沒有污染，基本不會對線路產(chǎn)生影響，故可直接排出車外。從設(shè)計(jì)角度講，洗池和開水爐排水不進(jìn)入污物箱而直接排到車外，還可簡化污物箱結(jié)構(gòu)，節(jié)省污物箱的空間。為保證車廂的氣密性和舒適性，同時保證在有氣壓波動影響時能正常排水，直排的管路中須設(shè)置壓力保護(hù)裝置。

目前，我國高速動車組上主要應(yīng)用了4種壓力保護(hù)裝置，將對其結(jié)構(gòu)和原理以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，旨在提出壓力保護(hù)裝置選型原則。

1 壓力保護(hù)裝置

1.1 EVAC壓力保護(hù)器

CRH3型動車組衛(wèi)生間的洗池排水和開水爐排水管路中使用了EVAC壓力保護(hù)器（圖1），它由溢流閥和通風(fēng)閥組合而成。溢流閥的作用是引導(dǎo)排水單向流動，當(dāng)車外壓力過大時，溢流閥內(nèi)的鴨嘴閥閉合下部的開口，將管路密封，阻止大氣或水反噴到車上。通風(fēng)閥的作用是引導(dǎo)回水單向流動，當(dāng)車外處于負(fù)壓狀態(tài)時，這個閥將自動關(guān)閉以避免車內(nèi)壓力下降。

圖1 EVAC壓力保護(hù)器

當(dāng)車內(nèi)外無壓力變化時，水依靠重力自上而下流動，先經(jīng)過溢流閥，溢流閥下部為帶細(xì)縫的扁形鴨嘴閥，水可通過縫隙流出。接下來，排水流向通風(fēng)閥，見圖1中通風(fēng)閥箭頭的方向。通風(fēng)閥圓盤中有一個薄膜，有水流過時，擠壓薄膜向左側(cè)移動，打開通路，水排出車外。當(dāng)車外壓力大于車內(nèi)壓力時，溢流閥在壓力作用下封閉。當(dāng)車內(nèi)壓力大于車外壓力時，通風(fēng)閥中的薄膜向右側(cè)移動，關(guān)閉通路，避免車內(nèi)壓力泄漏。

EVAC壓力保護(hù)器采用機(jī)械原理，可靠性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，無需電路及其他輔助裝置連接。最大承受的壓力范圍為-10～+10kPa。在CRH3動車組運(yùn)營以來，很少出現(xiàn)故障。動車組運(yùn)行速度高于350km／h時，洗池附近會聽到明顯的風(fēng)噪聲，影響乘客的舒適性。這說明在較高速度運(yùn)行時壓力保護(hù)已經(jīng)失去其功能。當(dāng)溢流閥和通風(fēng)閥需要維護(hù)時，只需拆卸連接的幾個喉箍，維護(hù)完成后再用喉箍夾緊即可，簡單快捷。

1.2 壓力保護(hù)排水閥

高速綜合檢測列車使用的壓力保護(hù)排水閥（圖2）是利用電磁鐵的吸合、開啟來控制排水和密封。電磁閥部件是壓力保護(hù)排水閥的關(guān)鍵部位，電磁鐵與閥體組合為電磁水閥，電磁水閥獲電吸合時，將水路阻斷，起到車廂氣密性的作用。電磁水閥失電后靠彈簧的彈力和水的壓力，使水路連通。防負(fù)壓膠墊在排水的過程中保證負(fù)壓不能進(jìn)入車廂。它是用硅膠壓制而成，利用硅膠的回復(fù)和吸附特性好的特點(diǎn)，單邊固定在閥體底部的排水口處，當(dāng)有水流出時靠水的重力打開膠墊，將水排除。如果有氣壓進(jìn)入閥體底部的排水口處，靠氣壓將膠墊向上推使膠墊蓋住排水口，氣壓越大，蓋得越嚴(yán)，此膠墊能承受100kPa的壓強(qiáng)，使在排水的過程中負(fù)壓不能進(jìn)入車廂。

當(dāng)閥體內(nèi)水位達(dá)到設(shè)計(jì)高度時，水漂向上浮動使水漂內(nèi)的開關(guān)自動閉合，電磁水閥失電并打開排水，當(dāng)水被排到一定位置時，水漂隨水位下降開關(guān)自動打開，電磁水閥閉合，完成一個循環(huán)。壓力保護(hù)排水閥的設(shè)計(jì)積水量為300ml，超過300ml將水一次性排出，所需時間約3s。如果在此時間內(nèi)注水量大于300ml，電磁水閥一直處于排水狀態(tài)。

圖2 壓力保護(hù)排水閥

電磁水閥吸合工作時，其銜鐵受到車廂內(nèi)的壓強(qiáng)及反作用彈簧等反作用力。處理好這些反作用力與磁路氣隙的關(guān)系是電磁閥設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

電磁閥的銜鐵必須在任何氣隙位置上其吸力特性都要大于反作用特性，且兩個特性曲線形狀相差不很大，才能可靠地進(jìn)行工作?？墒请姶盆F的銜鐵接近擋鐵使吸力過大造成撞擊，使電磁水閥的氣密性提前失效。通過分析可知電磁水閥的吸力特性F=f（δ），吸力F與間隙δ的關(guān)系曲線要平坦，要求在銜鐵間隙10mm處要有足夠的吸力，在銜鐵接近擋鐵時吸力又不要過大。

壓力保護(hù)排水閥排水量大，占用空間小，適應(yīng)雜物油污性強(qiáng)。但是電磁閥需要電路控制，較復(fù)雜，受制因素多。且壓力保護(hù)排水閥一旦出現(xiàn)故障需要更換的話，就需要更換整體的排水閥，維護(hù)成本較高。

1.3 水封裝置

CRH2型車使用的水封裝置是利用進(jìn)水管和虹吸管的液位高度來克服車內(nèi)外空氣的壓力差和隔絕車外的噪聲。水封裝置主要由進(jìn)水口、進(jìn)水管、虹吸管、排水管、排水口組成，結(jié)構(gòu)參見圖3。水封裝置利用進(jìn)水管（P2）和虹吸管（P′）的液位高度，克服車內(nèi)外空氣的壓力差。水封裝置原理圖見圖4。水封高度必須保證其壓力大于列車運(yùn)行時車內(nèi)外最大壓差，否則水封有可能失去作用。

圖3 水封裝置結(jié)構(gòu)圖

圖4 水封裝置原理圖

水封裝置結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低。但是水封裝置存在一些缺點(diǎn)：長時間雜物累積會堵塞管道，需要人工定期清理。另外，管路中留存的水柱會有凍結(jié)的危險，與防凍排空的思路相違背。

1.4 緩沖水箱

CRH5型車使用的緩沖水箱（圖5）是具有一定容積的中間水箱，它收集相當(dāng)量的洗池排水或者開水爐排水后，內(nèi)部液位傳感器發(fā)出信號給控制單元，緩沖箱的出口閥打開，壓縮空氣作用于排水管路，廢水在壓力的作用下被輸送到污物箱中。

緩沖水箱占用空間大，而且需要安裝壓縮空氣，控制單元等附屬裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。排水進(jìn)入污物箱，也會增加污物箱的容積，使得污物箱的空間需求增加。

圖5 緩沖水箱

2 選型

我們對于EVAC壓力保護(hù)裝置和壓力保護(hù)排水閥在運(yùn)行過程中的狀態(tài)進(jìn)行過測試和對比，結(jié)果如下：

（1）當(dāng)列車運(yùn)行速度低于300km／h時，EVAC壓力保護(hù)裝置附近車內(nèi)外的壓力差不超過0.5kPa，同時伴隨有輕微的噪聲。壓力保護(hù)排水閥附近車內(nèi)外的壓力很平穩(wěn)，基本不變，也基本沒有噪聲。

（2）當(dāng)列車運(yùn)行速度高于300km／h時，EVAC壓力保護(hù)裝置附近出現(xiàn)明顯的風(fēng)噪聲，引起乘客較大的不舒適感。此時洗池入水口處的氣流是由車外向車內(nèi)流動，說明溢流閥所起的防正壓作用失效。而與它形成明顯對比的是壓力保護(hù)排水閥附近只有輕微的噪聲，附近壓力變化也比較平穩(wěn)。

鑒于以上各壓力保護(hù)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，我們對高速動車組排水系統(tǒng)中使用的壓力保護(hù)裝置選型提出以下建議：

當(dāng)運(yùn)營速度低于300km／h時，使用EVAC壓力保護(hù)裝置。它結(jié)構(gòu)簡單，可以實(shí)現(xiàn)防止壓力波動的目的，而且維護(hù)成本較低。

當(dāng)運(yùn)營速度高于300km／h時，使用壓力保護(hù)排水閥。它適應(yīng)更高范圍的壓力波動，不會因?yàn)樗俣仍黾佣鸶蟮脑肼暋Ｔ诖怂俣鹊燃?，也可以對EVAC壓力保護(hù)裝置進(jìn)行改進(jìn)，可將壓力保護(hù)裝置中的溢流閥的鴨嘴縫隙改為閉合狀態(tài)，增加鴨嘴閥的承受壓力范圍，使它適應(yīng)更高的壓力范圍。

由于水封裝置存在致命的弱點(diǎn)，即有凍結(jié)和堵塞的危險，最好不要在高速動車組上使用此裝置。

緩沖水箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且在動車組安裝空間緊張的情況下，它占據(jù)較大的空間，同時也會導(dǎo)致污物箱容積增加，這都不利于設(shè)備的排布，故此裝置也不適宜在高速動車組上使用。

3 結(jié)束語

隨著高速動車組的發(fā)展，對其氣密性和舒適性要求越來越高。因此，在直排的管路中設(shè)置壓力保護(hù)裝置是非常必要的。根據(jù)安裝空間，速度等級等因素來選取結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便的壓力保護(hù)裝置型式。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)，可遵循如下原則：當(dāng)運(yùn)營速度低于300km／h時，選用EVAC壓力保護(hù)器；當(dāng)運(yùn)營速度高于300km／h時，選用壓力保護(hù)排水閥。在具備一定條件時，研制開發(fā)新型的壓力保護(hù)裝置或?qū)υb置進(jìn)行升級都是未來的發(fā)展趨勢。

［1］崔婧美.淺談高速列車給排水設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.鐵道車輛，2007，（7）：13-15.

［2］張曙光.CRH2型動車組［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.