新型客車上水單元設(shè)備水頭損失試驗(yàn)分析

洪蔚，范英宏，林世華，侯世全

(1.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; 2.北京中鐵科節(jié)能環(huán)保新技術(shù)有限公司，北京 100081)

以往，大多數(shù)鐵路車站和客車整備所的上水設(shè)備過(guò)于簡(jiǎn)陋，通過(guò)橡膠軟管連接上水栓和客車注水口進(jìn)行上水作業(yè)。此種上水方式作業(yè)程序多、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且軟管在股道間胡亂堆置增加了員工作業(yè)的不安全因素，還造成視覺污染，影響鐵路形象。為此，多家公司研制開發(fā)了新型上水設(shè)備，該設(shè)備體積較小，可放置在地面或地下，具備自動(dòng)或遙控器控制上水、自動(dòng)排空余水、自動(dòng)回收上水軟管、低溫時(shí)可自動(dòng)加溫等功能，目前該類設(shè)備已在多條鐵路新線建設(shè)中得到應(yīng)用。但是，為實(shí)現(xiàn)上述多種功能，新型上水設(shè)備增添了不少新部件，造成管路中水頭損失增加，進(jìn)而使得上水流量變小，不能適應(yīng)客車提速后整備時(shí)間減少、上水作業(yè)時(shí)間縮短的情況。

本文通過(guò)試驗(yàn)，繪制了新型上水設(shè)備的水頭線，分析了壓力水頭、流速水頭和位能水頭的轉(zhuǎn)化關(guān)系，對(duì)管路各部分的水頭損失貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算，得出造成水頭損失的部件及原因，并提出了減少水頭損失進(jìn)而增加上水流量的途徑和措施。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 新型客車上水設(shè)備

采用中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所生產(chǎn)的 TKH GS-Ⅰ型半地下框架式上水設(shè)備(如圖1所示)，連接給水管和客車水箱注水口，該設(shè)備具備程序或遙控器控制上水和停止上水、自動(dòng)排空余水、自動(dòng)回收軟管、低溫時(shí)自動(dòng)加熱、自動(dòng)記錄上水流量和工作狀態(tài)并上傳至股道管理機(jī)等主要功能。設(shè)備主要部件有:框架、卷管器及電機(jī)、內(nèi)部上水管路及上水電磁閥 、上水軟管及快速接頭、排水管路及排水電磁閥、控制箱等。

圖1 新型客車上水設(shè)備

該設(shè)備產(chǎn)生水頭損失的部件和相關(guān)參數(shù)為:內(nèi)部上水管路采用PE管，進(jìn)入上水軟管前管路長(zhǎng)2 m;管路上設(shè)置網(wǎng)狀過(guò)濾器1個(gè);流量傳感器1個(gè);上水電磁閥1個(gè);三通1個(gè);90℃彎頭和變方向接頭各1個(gè);旋轉(zhuǎn)接頭1個(gè);進(jìn)水壓力表1個(gè);上水軟管內(nèi)襯食品級(jí)橡膠，最小彎曲半徑115 mm，長(zhǎng)度15 m;快速接頭采用金屬外套內(nèi)襯橡膠芯;采用橫軸多層盤繞軟管卷管器，最小盤繞直徑250 mm;各部件內(nèi)管徑均為DN25。

1.2 車上試驗(yàn)裝置

此外還模擬動(dòng)車水箱研制了車上試驗(yàn)裝置(如圖2所示)，由壓力罐、變頻水泵、上水管及注水口、高位水箱和低位水箱組成。變頻水泵自低位水箱取水至壓力罐，壓力罐維持穩(wěn)定水壓，出水接至上水設(shè)備，上水設(shè)備通過(guò)上水接頭和上水軟管向高位水箱內(nèi)注水，高位水箱向低位水箱排水。

圖2 車上試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)裝置中與水頭損失有關(guān)的部件和相關(guān)參數(shù)為:壓力罐最高靜水壓0.6 MPa;給水管與上水設(shè)備連接的鍍鋅管長(zhǎng)度0.5 m;球閥1個(gè);設(shè)置壓力表1個(gè)，觀測(cè)壓力模擬給水管動(dòng)水壓;通至高壓水箱的上水管為鍍鋅管，垂直設(shè)置，長(zhǎng)度2 m，末端安裝注水口，注水口形狀和TBT112/74注水口型式“客車用注水(A、B型)型式與尺寸”相符合，安裝高度距地面1 m，;注水口上方安裝壓力表1個(gè);管路及接頭內(nèi)管徑均為DN25。

1.3 試驗(yàn)方法

將上水設(shè)備的上水軟管拉出2 m;和注水口連接;啟動(dòng)變頻泵，開始上水;通過(guò)開啟旁通閥調(diào)整進(jìn)水管路動(dòng)水壓至25 m水柱;記錄給水管壓力表讀數(shù)(即給水管出口動(dòng)水壓)、設(shè)備進(jìn)口處壓力表讀數(shù)(設(shè)備進(jìn)口動(dòng)水壓)、設(shè)備注水口處壓力表讀數(shù)(設(shè)備出水口動(dòng)水壓)、上水管出口處壓力表讀數(shù)(上水管出口動(dòng)水壓)和上水流量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 總水頭線

以設(shè)備進(jìn)水口為基準(zhǔn)面，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，繪出的總水頭線見圖3。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 總水頭線示意圖

給水管出口總水頭為 25.5 m水柱，滿足TB10010—2008《鐵路給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.3.2［2］中的規(guī)定:“通過(guò)式旅客列車給水站、線端式旅客列車給水站最小服務(wù)水頭25 m;客車整備所(庫(kù))、動(dòng)車段(所)檢查庫(kù)最小服務(wù)水頭20 m。”壓力水頭為25 m水柱，流速水頭很小，僅為0.5 m水柱，位能水頭為0。

因?yàn)樵O(shè)備進(jìn)口和給水管出口同標(biāo)高，故設(shè)備進(jìn)口處位能水頭仍為0;管徑無(wú)變化，故流速水頭仍為0.5 m水柱;壓力水頭減少為23.2 m水柱，自給水管口至設(shè)備進(jìn)口損失了1.8 m水柱。

設(shè)備出口為與注水口連接的快速接頭處，因注水口距離設(shè)備進(jìn)口處的垂直距離為1 m，故位能水頭為1 m水柱;管路管徑無(wú)變化，故流速水頭仍為0.5 m水柱;壓力水頭減少至5 m水柱;自設(shè)備進(jìn)口至設(shè)備出口損失水頭17.2 m水柱。

出水管口距離設(shè)備進(jìn)口處的垂直距離為3 m，故位能水頭為3 m水柱;管路管徑無(wú)變化，流速水頭仍為0.5 m水柱;出水管口為自由表面，故壓力水頭為0。

2.2 各段水頭損失分析

管路中任意兩個(gè)符合漸變流條件的斷面滿足伯努利方程［1］:

式中:Z為位能水頭，m;

p/γ為壓力水頭，m

ν2/2g為流速水頭，m;

因上水系統(tǒng)內(nèi)各部件內(nèi)管徑相同，故流速相同，ν1=ν2=ν，式(1)可改寫為:

從式 (2)可得兩斷面位能水頭差和壓力水頭差之和等于總水頭損失，總水頭損失與局部水頭損失系數(shù)ξi、流速ν、沿程摩阻系數(shù)λ、管長(zhǎng)l和管徑d有關(guān)，在水力光滑區(qū)和粗糙區(qū)范圍內(nèi)、流速不變的情況下，局部水頭損失系數(shù)越小、流速越小、兩斷面距離越短、管徑越大，水頭損失越小。

取給水管口為Ⅰ斷面，水箱出水管口為Ⅱ斷面，Ⅱ斷面為自由斷面，故p2/γ=0。

將式(2)改寫成式(3):

由式(3)可見，其它條件不變時(shí)，在降低局部水頭損失系數(shù)ξi及管長(zhǎng) l后，因方程左邊為一常數(shù)，流速必然增加，從而上水流量提高。

給水管出口至上水設(shè)備的鍍鋅管長(zhǎng)度僅為0.5 m，設(shè)1個(gè)球閥和1個(gè)壓力表，球閥開啟度為全開，故局部和沿程水頭損失均較小，總水頭損失僅為1.8 m水柱，占整個(gè)管路損失的8.2%;上水設(shè)備進(jìn)口和出口間產(chǎn)生局部水頭損失的部件最多，為2 m長(zhǎng)PE管和15 m長(zhǎng)橡膠軟管，另外還設(shè)有過(guò)濾器、電磁流量計(jì)、電磁閥、旋轉(zhuǎn)接頭、彎頭等，Σ ξi較大，管路長(zhǎng)。尤其是軟管在卷筒上纏繞，水流隨纏繞的軟管做圓周運(yùn)動(dòng)，流速方向不斷發(fā)生變化，有時(shí)軟管在卷筒上纏繞過(guò)緊，軟管受壓，過(guò)水通徑變小，大大增加了局部損失和沿程損失。綜合以上因素，水流經(jīng)過(guò)設(shè)備后水頭損失很大，為 17.2 m水柱，占全部管路水頭損失的78.2%;設(shè)備出水口至水箱出水管口局部水頭損失僅在A、B型接頭的漸變徑處發(fā)生，鍍鋅管管長(zhǎng)較短，沿程水頭損失不大，故總水頭損失較小，僅為3 m水柱，占整個(gè)管路水頭損失的13.6%。

2.3 減少水頭損失的途徑和措施

為增加上水流量，可采用以下措施減少水頭損失。

2.3.1 減少局部水頭損失

在保證設(shè)備主要功能的前提下，管路設(shè)計(jì)中盡量減少能產(chǎn)生局部水頭損失的彎頭、三通、閥門、電磁閥的數(shù)量，在設(shè)備部件采購(gòu)時(shí)，注意選擇水頭損失小的元部件，如在選擇閥門時(shí)盡量避免選擇碟閥。

2.3.2 減少沿程水頭損失

在管路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少管路長(zhǎng)度;設(shè)備內(nèi)部管路應(yīng)選擇內(nèi)管壁粗糙度較小的PE管或不銹鋼管。

2.3.3 減少軟管盤繞引起的水頭損失

在全部水頭損失中，上水設(shè)備所占比例最大，其中軟管盤繞引起的水頭損失是重要因素。比較拉出不同長(zhǎng)度軟管進(jìn)行上水作業(yè)的上水流量(拉出全部軟管和僅拉出1 m軟管)，在其他條件相同的情況下，軟管全部拉出時(shí)的流量比拉出1 m時(shí)增加了8%，因此為了增加流量，在使用帶卷管器的上水設(shè)備進(jìn)行上水作業(yè)時(shí)，應(yīng)盡量多拉出軟管并使其順直。另外，為避免軟管纏繞時(shí)受擠壓造成過(guò)水通徑變小從而影響上水流量，應(yīng)在軟管生產(chǎn)加工時(shí)，使其最小彎曲半徑盡可能小，以保證彎曲后的過(guò)流面積不小于原面積的80%;為減少水流作圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的水頭損失，應(yīng)盡量加大卷筒直徑并減少軟管纏繞圈數(shù)。

2.3.4 增大管徑

在其它條件不變時(shí)，增大上水管內(nèi)徑是減少水頭損失、增大流量最直接的辦法。TB10010—2008《鐵路給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》8.1.5條［2］規(guī)定:旅客列車給水栓宜按一室雙栓設(shè)置，栓口管徑應(yīng)為32 mm，上水軟管應(yīng)采用Φ32 mm;客車整備所(庫(kù))、動(dòng)車段(所)檢查庫(kù)上水軟管應(yīng)采用 Φ32 mm。但因目前鐵路客車水箱注水口管徑均為DN25，因此一般采用 DN25上水軟管與之對(duì)應(yīng)。在不對(duì)客車注水口進(jìn)行改造的前提下，可將上水設(shè)備內(nèi)部管路及軟管內(nèi)徑設(shè)計(jì)為DN32，在上水軟管的端部設(shè)置一個(gè)變徑的接頭與注水口相配。雖然設(shè)備造價(jià)和尺寸會(huì)因此增加，但上水流量將大大提高，從而減少上水作業(yè)時(shí)間。

3 結(jié)論

(1)本文通過(guò)研制的試驗(yàn)裝置，對(duì)新型上水設(shè)備進(jìn)行了試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制了整個(gè)上水系統(tǒng)各部位的總水頭線?？偹^線能準(zhǔn)確反映位能水頭、壓力水頭和流速水頭之間的變化關(guān)系，適應(yīng)給水管、上水設(shè)備、注水口和上水管出水口不同高程的位置關(guān)系。

(2)根據(jù)總水頭線分析了系統(tǒng)各部位產(chǎn)生的水頭損失對(duì)整個(gè)系統(tǒng)總水頭損失的貢獻(xiàn)率，結(jié)果表明，上水設(shè)備水頭損失最大，占全部水頭損失的78.2%。

(3)分析了各部位產(chǎn)生水頭損失的部件，得出軟管盤繞是造成設(shè)備內(nèi)部水頭損失的重要因素。

(4)在上水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備制造和運(yùn)行中可采用減少局部水頭損失、減少沿程水頭損失、減少軟管盤繞次數(shù)和增大系統(tǒng)管徑的方法來(lái)減少總水頭損失、提高上水流量。

［1］ 陳禮.流體力學(xué)及泵與風(fēng)機(jī)［M］.北京:高等教育出版社，2005.41－44.

［2］ TB10010—2008，鐵路給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.