智軌電車淋雨房的設(shè)計(jì)理念與思路

樊興銳，姚建平，肖衡

1.湖南中車智行科技有限公司 湖南長沙 410006

2.湖南省多鉸接膠輪運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 湖南長沙 410006

智軌電車車輛制式與現(xiàn)代低地板有軌電車類似，但從運(yùn)營場景來看屬于公路運(yùn)輸車輛的范疇，根據(jù)交通運(yùn)輸部的標(biāo)準(zhǔn)需要對車輛進(jìn)行防雨密封性能的檢測。然而智軌電車的車輛結(jié)構(gòu)已超出 《道路車輛外輪廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此現(xiàn)行《客車防雨密封性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)不適用。同時由于智軌電車與傳統(tǒng)軌道交通車輛的運(yùn)營環(huán)境、工況有較大區(qū)別，所以鐵路標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)同樣不適合直接指導(dǎo)智軌電車的性能檢測。

為驗(yàn)證智軌電車的防雨密封性能，保障車輛具備良好的品質(zhì)，智軌電車車輛制造廠在借鑒汽車和軌交車輛性能檢測方面經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展了大量的模擬和驗(yàn)證，逐步建立了智軌電車防雨密封性能檢測系統(tǒng)。本文從檢測指標(biāo)的要求、噴淋裝置的模式與布局要求、機(jī)械結(jié)構(gòu)與設(shè)備選型、電氣控制系統(tǒng)要求等方面，重點(diǎn)介紹檢測系統(tǒng)核心設(shè)施——淋雨房的設(shè)計(jì)。

智軌電車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與防雨密封試驗(yàn)要求

防雨密封性能是評價車輛品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)，關(guān)系到車輛的安全性與舒適性。防雨密封性試驗(yàn)是車輛制造的最后一個環(huán)節(jié)，用以檢測車輛的整體防水性能。采用人工手段模擬降雨過程，檢查風(fēng)窗玻璃、組合燈具、門窗、孔口蓋及地板等密閉部位的密封性，試驗(yàn)開始后在車廂內(nèi)觀察和記錄滲漏情況，并按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評分，比對限值評判密封等級。智軌電車車輛結(jié)構(gòu)與客車有較大區(qū)別，必須針對智軌電車的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)淋雨部位、淋雨強(qiáng)度以及試驗(yàn)方法。

1.智軌電車車輛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

首先是車輛長度，現(xiàn)有客車的最大長度一般不超過18m，但智軌電車長度為31m以上，且兩端均有駕駛室。其次，智軌電車為100%低地板結(jié)構(gòu)，車下不設(shè)行李艙，輪胎外側(cè)由全包圍輪罩板封閉。最后，智軌電車底盤為全密封結(jié)構(gòu)，由寬幅鋁合金型材焊接而成?？傮w上來看，智軌電車的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代有軌電車類似，與商用客車區(qū)別較大。

另外，客車和城軌車輛的車頂部位大部分區(qū)域?yàn)槿芊饨Y(jié)構(gòu)，設(shè)備安裝區(qū)域相對整個車頂面積占比較少，而智軌電車車頂幾乎全部布滿部件，除空調(diào)外，智軌電車仍有大量設(shè)備布置安裝在車頂部。淋雨試驗(yàn)時必須考慮車頂部件的IP防護(hù)等級以及車頂?shù)呐潘阅堋?/p>

2.防雨密封試驗(yàn)要求

客車淋雨時，一般采取地面輸送板鏈或者人工駕駛的方式進(jìn)出淋雨設(shè)施，通常車輛為未激活狀態(tài)（不帶電淋雨）。城軌車輛由于需要外部供電，且電壓較高，因此淋雨試驗(yàn)時需要用牽引車進(jìn)行牽引通過淋雨設(shè)施，車輛也為未激活狀態(tài)（不帶電淋雨）。而智軌電車無牽引設(shè)備，采用人工駕駛方式進(jìn)出淋雨設(shè)施，淋雨過程車輛處于激活狀態(tài)（帶電淋雨）。客車淋雨試驗(yàn)時前圍、側(cè)圍、后圍、車頂及底盤均全覆蓋，且前圍的平均淋雨強(qiáng)度高于其他區(qū)域，而軌交車輛淋雨時車底部位不做要求，如圖1所示。

圖1 地鐵車輛淋雨區(qū)域示意

鑒于結(jié)構(gòu)上的差異，而且由于淋雨設(shè)施的體積有限，不能完全匹配車輛的長度?？蛙嚨牧苡暝O(shè)施可一次性完全覆蓋車輛長度，保證所有待檢測面同時淋雨，如圖2所示。在軌交行業(yè)，機(jī)車的淋雨同樣可一次性覆蓋，但如地鐵等客運(yùn)電車由于長度可達(dá)數(shù)百米，所以淋雨時均為通過式分段淋雨。智軌電車同樣由于編組靈活，車輛長度較長，因此也要采用通過式的方法分段進(jìn)行淋雨。

根據(jù)客車防雨密封性限值的國標(biāo)要求，雙層客車、鉸接客車、無軌電車限值需≥88分。目前智軌電車生產(chǎn)廠參考的平均淋雨強(qiáng)度為車身前部和頂部為（12±1）mm/min，淋雨時間為15min，限值是≥91分。

圖2 客車淋雨區(qū)域示意

淋雨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

淋雨系統(tǒng)雖然是用于模擬自然降雨，但仍然需要根據(jù)車輛的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。尤其是雨量調(diào)節(jié)模式要適應(yīng)如普通降雨、梅雨、暴雨、路面涉水、高速行駛（負(fù)壓）、坡道、低壓流水噴淋、高壓洗車及積水等諸多場景，因此要求淋雨設(shè)施的雨量和壓力可調(diào)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時根據(jù)最大降雨量及持續(xù)時間設(shè)定淋雨強(qiáng)度的下限值，并以下限值的2～3倍為上限值，然后根據(jù)該范圍展開計(jì)算，確定相關(guān)邊界條件。車頂部位的淋雨強(qiáng)度以不低于IPX6級設(shè)計(jì)，為便于說明計(jì)算過程，本文以全部位平均降雨強(qiáng)度12mm/min為下限值進(jìn)行計(jì)算。

鑒于智軌電車采用動態(tài)淋雨的方式，因此淋雨系統(tǒng)為通過式結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)由房體、管網(wǎng)、儲水池和控制系統(tǒng)等幾大部分組成，具體如圖3所示。

圖3 智軌電車淋雨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

淋雨系統(tǒng)設(shè)施參數(shù)的計(jì)算

淋雨系統(tǒng)的建設(shè)需要大量參數(shù)，包括管網(wǎng)的規(guī)格、水池的容量以及設(shè)備技術(shù)指標(biāo)等。需先確定車身受雨面積，然后確定噴嘴數(shù)量，接下來計(jì)算管網(wǎng)直徑和用水量。通過用水量指標(biāo)確定儲水池容量和水泵型號，最后計(jì)算出房體尺寸。

1.智軌電車車身受雨面積

智軌電車前后兩端均為車頭駕駛室，輪廓結(jié)構(gòu)完全一致；車側(cè)外輪廓弧度為R18000mm，近似于平面；以三節(jié)編組為標(biāo)準(zhǔn)模式計(jì)算，整車長度約為32m，車寬2.65m，車輛高度為3.1m，由此可計(jì)算得：

式中L車——修正后的車身長度，單位為m；

M——修正后的車身寬度，單位為m；

A——車身實(shí)際長度，單位為m；

B——車身實(shí)際寬度，單位為m；

N——修正后的車身高度，單位為m；

H——車身高度，單位為m；

C——地面至地板面的高度，單位為m；

P——前擋受雨面高度，單位為m；

D——地面至下密封條高度，單位為m。

將車身數(shù)據(jù)帶入計(jì)算可得：車頂受雨面積S1≈80.6m2；車側(cè)受雨面積S2≈99.2m2；前端受雨面積S3≈5.7m2；整車受雨面積S≈290.5m2。

實(shí)際上，由于生產(chǎn)場地、車輛生產(chǎn)下線的節(jié)拍、裝備成本等因素的限制，不建議噴淋區(qū)一次性完全覆蓋整車的受雨面積。根據(jù)總裝廠的產(chǎn)能規(guī)劃，智軌電車防雨密封試驗(yàn)的節(jié)拍為45min/列，因此試驗(yàn)時可分段進(jìn)行，淋雨區(qū)域覆蓋整車受雨面積的一半（相當(dāng)于半個車身長度）。

2.噴淋區(qū)域噴嘴數(shù)量

噴嘴數(shù)量的計(jì)算一般有兩種方式，一種是流量法，即根據(jù)平均淋雨強(qiáng)度的要求，計(jì)算出總雨量即單次淋雨所需的總流量，然后根據(jù)單個噴嘴的流量計(jì)算出所需的噴嘴數(shù)量。

根據(jù)GB/T12480的推薦，噴嘴的總數(shù)量K：

式中Q——受雨部位所需的總淋雨量，單位為m3/h；

q——單個噴嘴的流量，單位為m3/h。

而總淋雨量

式中F——各部位的平均淋雨強(qiáng)度，單位為mm/min。

本文中對噴嘴數(shù)量的計(jì)算采用另一種方法——面積法，該方法在確定噴嘴類型的前提下，可設(shè)置單個噴嘴的有效噴淋覆蓋范圍，然后通過計(jì)算得出最少噴嘴數(shù)量，再通過修正計(jì)算出最終所需的噴嘴數(shù)

式中S單——單個噴嘴的有效噴淋覆蓋范圍，單位為m2。

噴嘴數(shù)的修正方式一般采用（N+1）的原則，即在保證覆蓋范圍的前提下在計(jì)算量的基礎(chǔ)上增加1排噴嘴。

隨著電控技術(shù)的進(jìn)步，淋雨強(qiáng)度可以通過控制水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和管路上閥體的開閉輕松實(shí)現(xiàn)，基于此可以先確定噴嘴的型號。為便于計(jì)算說明，擬選用孔徑為3mm、噴射角度為60°、出口水壓0.1～0.3MPa的不銹鋼渦流圓錐形霧化噴嘴，如圖4和圖5所示。

圖4 不銹鋼霧化噴嘴

圖5 圓錐形噴嘴噴射示意

根據(jù)試驗(yàn)要求，噴淋區(qū)域全覆蓋，無死區(qū)且單位面積內(nèi)淋雨強(qiáng)度均勻性不超過10%，可計(jì)算出噴嘴間距，進(jìn)而得出噴嘴數(shù)量。如圖6所示，當(dāng)噴嘴間距L=時無死區(qū)，且此時單位面積內(nèi)淋雨強(qiáng)度的均勻性最高，R由噴嘴與車身距離LS決定，α為噴嘴的噴射角度。

圖6 噴淋覆蓋區(qū)域示意

噴嘴與車身的距離理論上越遠(yuǎn)、噴嘴有效面積越大噴淋越均勻。根據(jù)國標(biāo)推薦，該距離可在300～1300mm。智軌電車進(jìn)出淋雨區(qū)域采用人工駕駛的方式，允許的車身直線度偏差為4%，約100mm，暫定噴嘴與車身的距離為800mm，可計(jì)算出噴嘴間距為653mm。綜上，智軌電車淋雨區(qū)域噴嘴布置如圖7所示。從上圖可計(jì)算出側(cè)面噴嘴數(shù)量為250個，頂部噴嘴數(shù)量為120個，兩端部噴嘴數(shù)量為24個，總噴嘴數(shù)為394個。

圖7 智軌電車淋雨區(qū)域噴嘴布局示意

3.噴淋系統(tǒng)管道直徑

噴淋系統(tǒng)的管道主要分為進(jìn)水管、排污管、上水主管、干管和支管，其中進(jìn)水管直徑取自廠區(qū)供水管直徑，排污管直徑根據(jù)儲水池容量以及排污時間要求來確定。支管與噴嘴相連，其直徑由噴嘴安裝要求確定，根據(jù)噴嘴的型號與其相連的取源段為DN20管，取源段直接焊接在支管上，因此支管可選用不銹鋼寸管即DN25管。上水主管直徑可通過試驗(yàn)總用水量計(jì)算，與支管相連的干管直徑可通過管道流量要求進(jìn)行計(jì)算。

式中F——平均淋雨強(qiáng)度，單位為mm/min；

S′——淋雨區(qū)域總面積，單位為m2；

λ——設(shè)計(jì)流量系數(shù)。

此處F取12mm/min，S′取150m2（約為車身受雨面積的一半），λ取1.15，通過計(jì)算可得總流量Q=124.2m3/h。

上水主管管徑

式中D——待計(jì)算管徑，單位為m；

q——待計(jì)算段的設(shè)計(jì)秒流量，單位為m3/s；

v——管段流速，單位為m/s（查設(shè)計(jì)手冊可知推薦值為1.5～2m/s）。

將之前計(jì)算出的總流量進(jìn)行換算，計(jì)算出秒流量q，管段流速取下限值，通過計(jì)算得主管管徑D=0.145m，可選用6寸不銹鋼管即DN150管作為上水主管。

管路越長則末端壓力越小，為保證末端霧化噴嘴的壓力要求，需要控制管路的長度，因此將總噴淋管網(wǎng)進(jìn)行分段，上部和左右兩側(cè)各分為兩段，總共6段。則干管管徑

式中d——干管內(nèi)徑，單位為m；

w——管段的體積流量，單位為m3/s；

v′——常用流速，單位為m/s.

根據(jù)噴嘴型號可知該類型噴嘴壓力為0.1～0.3MPa，對應(yīng)的流速范圍是0.5～3m/s。取v′=2m/s，將總流量Q分配到6個管段計(jì)算出w，然后帶入上式可得干管內(nèi)徑d=0.61m，可選用DN65管作為各段干管。

4.儲水池水量

出于環(huán)保和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的要求，防雨密封性試驗(yàn)一般不直接采用公共管網(wǎng)的供水而采用循環(huán)水，因此需要設(shè)立儲水池，水池內(nèi)采用多級過濾、沉淀、凈化的方式保證水質(zhì)，水池內(nèi)設(shè)過濾網(wǎng)、反沖洗裝置、排污口以及檢修通道。智軌電車淋雨用的儲水池分為一級池（清水池）和二級池（過濾/沉淀池），一級池的儲水量為智軌電車一次試驗(yàn)用水量的130%～150%，二級池的儲水量為一級池的1～2倍。

經(jīng)過之前的計(jì)算可知，管道總流量為124.2m3/h，智軌電車整車淋雨試驗(yàn)時間為30min，即單列淋雨總用水量約為62.1m3。則一級池（清水池）所需的儲水量為80.73～93.15m3，二級池的儲水量為80.73～186.3m3。實(shí)際使用時需考慮盡量縮短過濾循環(huán)時間，本文對二級池的儲水量選用1倍一級池的上限儲水量即93.15m3開展后續(xù)計(jì)算，即水池的總儲水量約為186.3m3。

5.水泵選型

水泵的選型需要的主數(shù)據(jù)為流量、揚(yáng)程、功率及轉(zhuǎn)速等，流量需要滿足淋雨所需總流量的要求以及排污的要求，揚(yáng)程需要保證管網(wǎng)末端的壓力。

總水量已經(jīng)通過計(jì)算得出，而水泵揚(yáng)程H根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

式中H1——保證最遠(yuǎn)點(diǎn)壓力所需的臨界距離，單位為m；

H2——管段最高點(diǎn)與抽水點(diǎn)的高差，單位為m；

∑h——水頭損失，單位為m；

Hk——安全水頭，單位為m。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算H=20m+8m+2.5m+1.5m=32m。由此再結(jié)合各廠家所提供的水泵特性曲線進(jìn)行選型，本文中清水泵和污水泵均選擇流量為200m3/h，揚(yáng)程為50m的單級臥室離心泵進(jìn)行配套。清水泵的數(shù)量配置為一用一備，污水泵只配置一臺，不設(shè)備用，不滿足排污需求時可用潛水泵輔助。

淋雨系統(tǒng)設(shè)施的建設(shè)與布局

在該部分所述的淋雨設(shè)施專指智軌電車總裝廠所用的淋雨房，并且按自動化設(shè)施的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，淋雨房內(nèi)各干管上均安裝流量計(jì)、節(jié)流閥，主管上設(shè)壓力表、控制閥，清水泵電機(jī)設(shè)時間繼電器、變頻調(diào)速器，并將照明、風(fēng)幕、水池液位計(jì)及反沖洗系統(tǒng)的控制集成至控制室。通過數(shù)據(jù)的采集和反饋以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的分段控制和淋雨系統(tǒng)的離線控制，同時系統(tǒng)數(shù)據(jù)支持交互上傳。

1.淋雨設(shè)施的基本配置

淋雨房內(nèi)四周和淋雨區(qū)域內(nèi)設(shè)回水溝，直接通往沉淀池，沉淀池上部設(shè)溢流口。管網(wǎng)分段設(shè)置與分段控制，前后兩段設(shè)活動式噴淋架，通過電動機(jī)帶動前擋噴淋架的收放。噴淋架兩端外側(cè)的上部設(shè)風(fēng)幕系統(tǒng)，用壓縮空氣進(jìn)行封閉，防止房體內(nèi)的水汽外溢，同時也有助于車身迅速排水。房體內(nèi)的照明設(shè)置在頂部邊緣，均勻布置，采用安全電壓，選用防水燈具照度不低于50lx。房體圍擋外側(cè)設(shè)觀察口，便于人員觀察內(nèi)部情況以及監(jiān)控壓力和流量，若圍擋材料采用透明材質(zhì)，可不設(shè)觀察口。房體根據(jù)所布置的區(qū)域要求，可在圍擋處補(bǔ)充降噪措施。此外，由于采用人工駕駛的方式進(jìn)出淋雨房，無外部牽引措施，如遇故障，車輛失去動力無法開出淋雨房，則需要就地進(jìn)行排障和維修。因此在房體內(nèi)需設(shè)置車輛登頂設(shè)施（樓梯），可布置在房體入口處一側(cè)，同時不干涉噴淋區(qū)域。設(shè)備間和控制室可集成至水池上方，緊鄰房體。

房體內(nèi)部地坪需有利于回水，與房體外的地面設(shè)置必要的坡度。同時鑒于智軌電車的軸重要求，房體內(nèi)的地坪載荷需滿足JTG D40《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，若淋雨房布置在廠外，則地坪需滿足JTG D50《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

2.房體外輪廓尺寸

房體長度

式中l(wèi)1——管網(wǎng)總長度（含前檔淋雨架翻轉(zhuǎn)所需半徑），單位為m；

l2——其余設(shè)施所需的空間長度，單位為m；

l3——必要的設(shè)備安裝預(yù)留空間長度，單位為m。房體寬度

式中B——車輛寬度，單位為m；

LS——噴嘴距車身的尺寸，單位為m；

b1——單側(cè)管網(wǎng)和支架安裝所需的尺寸，單位為m；

b2——兩側(cè)預(yù)留的維修通道尺寸，單位為m。

房體高度

式中h1——車身高度，單位為m；

h2——上部管路和支架所占尺寸，單位為m；

h3——安裝預(yù)留空間尺寸，單位為m。

為便于工程建設(shè)，可將上述值進(jìn)行修正，即房體的外輪廓尺寸l×W×H=22.5m×6.5m×5m，房體占地面積約為146m2。

綜上所述，智軌電車總裝廠的防雨密封性試驗(yàn)設(shè)施的主要參數(shù)見表1，總體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

表1 智軌電車防雨密封性試驗(yàn)設(shè)施主要配置參數(shù)

圖8 智軌電車淋雨設(shè)施總體結(jié)構(gòu)示意

3.淋雨設(shè)施的布局與使用

通過上述計(jì)算可知，智軌電車防雨密封檢測所占場地寬度約9m（含房體和設(shè)備間），長度約50m（含房體和車輛進(jìn)出所占區(qū)域長度），所占面積較大，如圖9和圖10所示，可采用盡端式布置，減少區(qū)域長度。或是采用廠外布置，雖然不利于儲水池的管理，但能有效利用廠房面積，降低廠內(nèi)噪聲，也便于廠內(nèi)濕度和環(huán)境衛(wèi)生的控制。

圖9 智軌電車淋雨區(qū)域作業(yè)場地長度示意

圖10 智軌電車防雨密封性試驗(yàn)示意

淋雨設(shè)施需要在4～50℃使用，日常管理重點(diǎn)首先是水質(zhì)的控制，試驗(yàn)用水推薦采用新鮮水或化學(xué)處理水，并定期對儲水池進(jìn)行清潔，同時用藥物對微生物進(jìn)行控制，防止池內(nèi)、管道內(nèi)滋生微生物堵塞噴嘴，影響流量。其次是計(jì)量器具的校準(zhǔn)與使用，需按照檢定周期要求對流量計(jì)、壓力表等裝置進(jìn)行送檢。最后是設(shè)備設(shè)施的日常維護(hù)，水泵、噴嘴、管路、壓縮空氣出口、支架的連接等，需按維護(hù)手冊進(jìn)行點(diǎn)檢和保養(yǎng)。

結(jié)語

除總裝廠外，智軌電車的車輛段或者是維?；剡@類涉及車輛解編與連掛的場所，也需要在車輛連掛或大修后進(jìn)行防雨密封性試驗(yàn)。但由于車輛數(shù)量不多，對檢測節(jié)拍要求不嚴(yán)，因此淋雨設(shè)施可不采用車輛廠的方式。可嘗試與洗車線兼容的模式，也可采用移動式淋雨架，寬度覆蓋貫通道區(qū)域、車門區(qū)域即可，若自來水管網(wǎng)壓力滿足試驗(yàn)要求，可不設(shè)蓄水池。智軌電車產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，其生產(chǎn)配套設(shè)施的選型與設(shè)計(jì)有待持續(xù)研究。本文僅是一種針對智軌電車車輛生產(chǎn)廠所需的防雨密封性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)是介紹設(shè)計(jì)理念和思路，文中所用數(shù)據(jù)僅為說明計(jì)算過程，不代表真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不可直接作為設(shè)計(jì)依據(jù)，僅供參考使用。