旅客列车真空集便器系统污物箱设计与试验技术研究

铁 路 节 能 环 保 与 安全 卫 生

２ ０ １ ３年 第 ３卷 第 ｌ期
淤管、 检 查 口等 连 接 管 件 ， 以及 浮球 液 位 开 关 、 电
加热 装置 等 。
图 １ 污 物 箱 示 意 图
３ 强度 、 模 态 设 计 与 校 核
度及 局部 强 度有影 响 的结构 都 予 以考 虑 。模 型构 成 以任 意 四节点 薄壳 单元 为 主 ， 与梁 单元 、 板单 元
相比， 壳 单元 由于结 合 考 虑 了结 构 单元 中 间面 上
的平 面刚 度 、 弯 曲刚度 及 曲率 效应 ， 因此， 其具 有
更 高 的计 算 精度 。箱 体外 部 的排空 装置 和球 阀装
置对 箱体 的影 响采 用集 中载荷 予 以模 拟 。污 物箱
强 度校 核 与模态 分析 模 型如 图 ２所 示 。
作载 荷来 说 ， 最 大应力 应小 于许 用应 力 ， 而对 于极
端 载荷来 说 ， 最 大应力 则应 小 于屈 服点 应力 。
焊 接污 物箱 内胆 用 不锈 钢板 制 作 ， 由 纵 向 和
横 向 Ｌ形 及 ｕ形 腹 板 予 以加 强 。各 连 接 处 均 采
图 ２ 污 物 箱 强 度 校 核 与 模 态 分 析 模 型
污 物箱 作用 是列 车在 运行期 间卫 生 间便器 内
污物 的收集 和储 存 ， 正 常情 况下 ， 仅 在列车 停靠 指 定卸 污地 点 时卸 污 排 空 。因 此 ， 污 物箱 必 须 满 足
辆 车体相 配 的吊耳 或 吊梁 等悬 挂 安 装 装 置 ， 用 于
污物 箱 的 固定 。为提 高 箱 体 强度 ， 内箱 体 外 设 置 多根 加强 筋或加 强 角钢 。 外箱 体用不 锈 钢 板包 裹 ， 对保 温 材 料 进 行 封
摘要 ： 污 物箱 作 为 真 空 集 便 器 重 要 部 件 ， 主 要 作 用 是
在 列 车 运 行 期 间 收 集 和 暂 存 粪 便 污 水 。 因 安 装 条 件 和 使 用环境对其有特 殊要 求 ， 因 此 对 污 物 箱 的 设 计 与 试 验 检 验 十分 重 要 ， 包括容积计算 、 结构设计 、 强度校核 、 模 态 分 析、 加热保温设计等各个环节。
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２ ． １ １ ． １ ９ ； 修 订 日期 ： ２ ０ １ ２ － １ ２ － ２ ６ 作 者 简介 ： 闫凯 （ １ ９ ８ ２ 一） ， 男， 山东济宁人 ， 机械专业 ， 助 理 研
究员。
４
装， 同时起 到保 护 和装饰 作用 。
污 物箱 附件包 括 排 污管 、 冲洗 管 、 排气管、 清
铁路节能环保与安全卫生
２ ０ １ ３年 第 ３卷 第 １ 期
因此 ， 选用 电加 热 管 等加 热 装 置 对 污 物 箱 进 行加 热 ， 同时对 污 物箱 进行保 温 隔热 ， 提 高加 热效 率， 减 少热 量损 失 。 电加热 装置 的选 用 、 设计 与安 装， 均应符 合 车辆供 电条件 ， 同时不影 响 其它 电气 设 备 或装 置 的正常 使用 。
核， 而对 污 物箱 安 装 附件 可 以采 用 局 部 集 中 载 荷
加 以模 拟 。
件 按集 中载荷加 载 在对应 位 置 。
Ｚ ２ ： 静 水压 力 ， 不 同液 位 情 况 下 按 静 水 压 力 加 载 于钢 结构 内胆 。
５
３ ． ２ 计 算模 型 建 立污 物箱 有 限元 模 型 时 ， 对 污 物箱 整 体 刚
对 不 同类 型的污 物箱 ， 尤其 是 当污物 箱 容积 、
结构 、 电加热 装 置功率 等 发生较 大 变化 时 ， 应 进行 加 热保 温性 能 型式试 验或 试验 检测 。包 括 电加热 装 置加 热性 能测 试 、 保 温 性 能 测 试 和 加 热保 温热
平衡 测 试 。 ４ ． ３ ． １ 加 热 性 能 测 试
铁 路 节 能 环 保 与 安 全 卫 生 ２ ０ １ ３年 第 ３卷第 １ 期
文章编号 ： ２ ０ ９ ５—１ ６ ７ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １— ０ ０ ０ ４— ０ ５
旅 客列车真空集便 器 系统污物 箱设计 与试验 技术研 究
闫凯 ， 邱慧 ， 曾凤 柳
（ 中国铁 道科 学研 究 院节能环 保 劳卫研 究所 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ １ ）
车辆 在室 外整 备 、 存 放 一定 时 间后 ， 污物 箱 内
外温 度基 本等 同大 气环 境 温度 ， 再次 上线 运行 前 ， 必须 在规 定 的 时 间 内满 足使 用 要 求 。 因此 ， 污 物 箱 电加热 装置 应在 较 短 的时间 内将 污物 箱加 热到 可工 作状 态 。 由于卫生 间便 器 污物进 人 污物 箱后 温度 不 低 于 Ｏ ℃， 因此， 按 照 寒 冷 地 区环 境 温 度
物箱 内液 体 温 度 高 于 ０ ℃ 即可 ， 考 虑 到 箱 体 内液
体温 度与 温度 探 头 测 得 温度 之 间差 异 ， 故设 置 为 ３ ￣ Ｃ。 电加 热装 置 产 生 的热 量 应 能 弥 补 污物 箱 内 不断 增加 的 污 物 所 吸 收 的热 量 和 污 物 箱 热 量 损
安 全 运 行 。
综 合考虑 多 种 因素 ， 污 物 箱 容 积可 按 照 系列
值： １ ３ ０ 、 ２ ０ ０ 、 ４ ０ ０ 、 ５ ５ ０、 ６ ０ ０、 ８ ０ ０ 、 １ ０ ０ ０ Ｌ ， 根 据 车 型
和运 行 距 离 等 从 中选 取 ， 之 后 进 行 污 物 箱 结 构
介质 比热 ： ｋ Ｊ ／ ｋ ｇ・ Ｋ； ａＴ为介 质 和环 境温 度 之差 或温 升 ： ℃； ｔ 为加热时间 （ ｈ ） ； Ｑ为 散 热 量 ： 管 道
为 Ｗ／ ｍ， 平 面 为 Ｗ／ ｍ 。 系 统运行 时所需要 的功率 ：
Ｐ ｐ＝ 一— — ３ — ６ — ０ — ０ 二 ＿ — Ｘ — ｔ 一
式中： △ 为介质 和 环 境 温度 之 差 或 温 升 （ 。 【 ＝ ） ； Ａ 为保 温材 料 的导 热数 （ Ｗ／ ｍ ） ； 为 保 温材 料厚 度 （ ｍ） ； Ｓ系统 的散 热面 积 ： ｍ 。 经估 算 ， 所设计 ５ ５ ０ Ｌ污物 箱 选 用 ３个 电加 热 管进行 加 热 ， 覆 盖岩 棉保 温材 料 进行保 温 ， 可满
用 焊接 方式 ， 焊 接工 艺根 据焊 接母 材特 性 、 尺寸 特
性、 连接 位置 等进 行特 殊 工艺设 计 ， 保证 污物 箱 结
构 加工 质 量 。对 主 要 结 构 件 和 承 载 件 均 计 算 校
３ ． ３ 载 荷分 析 污物 箱所 承受 的载 荷主 要有 ： Ｚ ｌ ： 钢 结构 自重 和集 中载 荷 ， 难 以忽 略 附 属
关键 词 ： 真 空 集 便 器 ；污物 箱 ； 结 构 强 度 ；电加 热
中 图分 类 号 ： Ｘ７ ０ ３ 文 献标 志 码 ： Ｂ
真空集 便器 根 据 真 空发 生 机 理 和 形式 ， 分 为 保持式、 紧凑 式 、 间歇 式 和 在 线 式 四种类 型 “ 。 各种 类型集 便 器均 由便 器 组 件 （ 含 冲洗 组 件 和 排 泄 阀组件 等 ） 真 空 发生 装 置 、 水 增压 装 置 、 污 物 箱 及连 接安 装附 件等组 成 。其 中污物 箱主要 作用 是 在列 车运 行期 间收集 和 暂存粪 便污 水 。其 安装 数 量、 安 装 位置 和安装 方式 根据 车辆 车型有 所不 同 ， 但 总的原 则是 安 装 于卫 生 间 就 近位 置 ， 通过 吊梁 或 吊耳 等形 式 ， 悬 挂 于 车底 。 除部 分 车 型 车底 设 计有 污 物箱 防护 罩 外 ， 大 多 数 污物 箱 直 接裸 露 在 车底 。列车 高速 运 行 时 ， 污 物箱 随车 体 产 生剧 烈 振动， 因此 ， 必 须 确 保 污物 箱 可靠 ， 避免 影 响 列车
一
＋ 上— 。 １ ０ ０ ＿ ０
（ ， ２ ， 一 ） ） ／ 、
式 中： ｍ 为 每 小 时 增 加 的 介 质 重 量 或 流 量 （ ｋ ｇ ／ ｈ ） ； ｔ 为加热 保持 时 间 （ ｈ ） 。 保 温层 散热 量 ：
Ｑ ＝ △Ｔ ×Ａ ×６ Ｘ ｓ （ ３ ）
足要 求 。 ４ ． ３ 加 热 保 温 性 能 试 验 研 究
４ Ｏ ℃恶 劣工 况考 虑 ， 空箱 状 态 下 污 物 箱 初 始 加
热需 满足 在 短 时 间 内 （ ３ ０ ｍ ｉ ｎ ） 由环 境 温 度 加 热
至 ０ ｏ Ｃ。
在列 车运 行过 程 中 ， 为 了维 持污 物 箱不 冻 ， 污
如 图 １所示 。其 主要组 成 部 分为 ： 箱 体 内胆 １ 、 保 温层 ２ 、 外 层包 板 ３ 、 清洗 阀组 件 ４ 、 通气阀 ５ 、 卸 污 阀组件 ６ 、 接线 箱 ７ 、 液 位开关 ８ 、 污物 箱检查 口 ９ 、 电加 热检查 口 １ ０ 、 温 控器 １ １ 、 电加 热管 １ ２ 。 内箱体 为不 锈钢 板焊 接 的长 方体 。设 置与 车
失 。因此 ， 还需 要 校 核 维 持 污 物 箱 内 液 体 温度 所
需 电加 热 功率 。 ４ ． ２ 加热 保温 设计 计算 污物 箱应 同时采取 加热 、 保 温措 施 ， 通过 合理 选用 电加 热元 器 件 和 保 温 材料 、 设 计 计算 电加 热
在 （一４ ０±２ ） ℃ 试 验 环 境 测 试 加 热性 能 ， 污 物箱 空 箱状 态 和满 箱 状 态 两 种 工 况 ， 在 试 验环 境 温 度下 ， 接通 污 物箱 电加 热装 置 ， 检 测空 箱 内 中心
设计。
２ 结 构 设 计
因此对 污物 箱 的设 计 与 试 验 检验 十分 重 要 ， 包 括容 积计算 、 结 构设计 、 强度校 核 、 模 态分 析 、 加 热 保温 设计 等各个 环节 。 １ 容 积计算
污物箱 外观 一 般 为长 方 形 箱体 ， 结 构 示 意 图
列 车在 运行期 间 的使 用 ， 其 容 积需 考 虑 运 行期 间 使 用人 次数 、 单 次使 用 产 生 污水 量 和 列 车 运行 时 间等 因素 。 污物箱 容积 估 算 有两 种 方 法 ： 第 一 是 按 照 车 厢定 员 （ 污物 箱 所 连 接 集 便 器 服 务 乘 客 数 量 ） 估 算， 以车厢 乘客 每人 使用 １次 厕所 的频 率 和 考 虑 超员 系数 的车 厢定 员 为 基 数进 行 估 算 ； 第 二 是 按 照污 物箱 所连 接集便 器最 大使用 量估 算 。 以每 个 污物 箱上 连接 有 ｎ个 便 器 ， 每 个 便 器 每小 时 内最 大使 用频 次为 基数进 行估 算 。 污 物箱容 积还 应 考 虑 车辆 安 装 条 件 ， 车 端 下 部 牵引 梁 、 脚蹬 围板 与转 向架 占用 的 空 间直 接 影 响到污 物箱 的加 装 ， 应保 证 转 向架 与 污 物箱 间有 合 理 的空 间 ， 不会 发生碰 撞 。
由 于污物 箱特 殊 的安 装 位 置 和 安 装 方 式 ， 尤 其是 在列 车 高速 运 行 时 车体 晃 动 与振 动 ， 对 污物 箱 的强度 和振 型模 态有 较 高要求 。污物 箱 的强度
应满足 Ｕ Ｉ Ｃ ５ ６ ６的 要 求 和 承 受 的 工 作 压 力 要 求 。 对每 种类 型 污物箱 ， 容积、 结构 、 材 料发 生改 变 ， 必 须进 行强 度计 算 和模态 分 析 。 ３ ． １ 设计 计算 说 明 整个 污 物箱 的制作 材 料均 采用 不锈 钢 。就 工