客車上水溢流控制技術(shù)研究

范英宏，洪蔚，林世華，侯世全

(1.中國鐵道科學研究院節(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)

目前，我國大多數(shù)鐵路車站列車上水仍采用人工上水的方式，即上水時由人工將上水軟管與客車水箱的注水口對接，并隨時注意觀察水箱溢流管口，當開始溢流時，關(guān)閉上水栓閥門，拔下上水軟管，將軟管送至上水栓，上水結(jié)束。隨著鐵路第六次大提速的發(fā)展，為滿足新型動車速度快、站停時間短的要求，新建或改擴建的車站及動車整備所大都配置了新型客車上水設(shè)備，該設(shè)備基本采用自動上水、自動排空余水、自動收管的形式，與原上水作業(yè)相比，自動化程度高，人工作業(yè)量大大減小。

雖然新型客車上水設(shè)備較老式上水栓有了很大程度的改進，但是判識何時停止上水的標準仍是上水工觀察溢流是否產(chǎn)生，溢流產(chǎn)生的水資源浪費、侵害路基、冬季結(jié)冰等問題仍未得到有效地解決。近年來，持續(xù)推進的鐵路大發(fā)展對節(jié)能減排及站場環(huán)境提出了更高層次的要求，實現(xiàn)客車上水溢流控制對此具有十分重要的意義。

1 已有研究成果

目前已有溢流控制的研究成果主要體現(xiàn)在以下幾個方面:①定時程序控制;②無線遙控控制;③信號傳輸控制;④機械控制。

1.1 定時程序控制

新型客車上水設(shè)備大多采用PLC或數(shù)控模塊進行控制，除了人工連接上水軟管和取下上水軟管外，其它工序都可由程序控制?？紤]到上水工需要兼顧多個水箱的上水作業(yè)，不能及時停止已發(fā)生溢流的上水設(shè)備，因此鐵科院環(huán)保所在研制的TKH-GS型新型客車上水設(shè)備程序中加入了定時停止上水的程序，上水工可根據(jù)注水口上方液位顯示儀顯示的液位及上水流量來判斷所需的上水時間，并在設(shè)備的控制面板上設(shè)定該時間。當上水作業(yè)到達預(yù)設(shè)時間后，即自動停止上水。

楊帆［1］等人設(shè)計研制的基于 PLC的列車給水監(jiān)控系統(tǒng)也是通過預(yù)先設(shè)定上水時間來實現(xiàn)進水閥的關(guān)停，該系統(tǒng)在車站給水管網(wǎng)中設(shè)上水支閥，由PLC程序控制，開始上水時支閥自動開啟，到達PLC預(yù)先設(shè)定的時間(一般設(shè)置為60 s)時，支閥自動關(guān)閉。

定時程序控制能在一定程度上減少溢流的產(chǎn)生，但仍不能徹底解決。不同型號列車的水箱形狀、容積各異，雖然有液位顯示，仍不能準確判斷所需的上水量;而且上水流量與動水壓、管網(wǎng)系統(tǒng)等因素有關(guān)，因此，難以設(shè)定適宜的上水時間，若設(shè)定的時間過短，則水箱不滿，若設(shè)定時間過長，仍會發(fā)生溢流現(xiàn)象。

1.2 無線遙控控制

大多數(shù)情況下，一位上水工要兼顧多節(jié)車廂的上水作業(yè)，走動的范圍很大。當先進行上水的水箱出現(xiàn)溢流時，上水工往往不能及時關(guān)停相應(yīng)的上水設(shè)備。為了能在出現(xiàn)溢流時即刻停止上水以減少溢流水量，設(shè)計了無線遙控程序。無線遙控程序一般由遙控器、接收器和電磁閥組成，遙控器由上水工掌握，一個遙控器可控制多臺設(shè)備;接收器一般設(shè)置在上水單元控制箱內(nèi)，接收到遙控器信號后，通過控制箱控制上水電磁閥的啟停;電磁閥設(shè)置在上水管路中。

TKH-GS型客車上水設(shè)備利用無線數(shù)傳模塊接收遙控器指令控制設(shè)備上水電磁閥的開啟與閉合進而控制整個上水過程，一個遙控器可控制一股道的所有上水設(shè)備，并能精確的一一對應(yīng)。上水工將上水接頭與水箱注水口連接后，摁下遙控器上水按鍵，上水作業(yè)開始，當溢流產(chǎn)生時，上水工可立即用遙控器遠程關(guān)閉該上水設(shè)備。華開林等［2］研制開發(fā)的旅客列車遙控節(jié)能上水系統(tǒng)也是利用遙控器來及時關(guān)停水箱。該系統(tǒng)配有專用多通道遙控器，每個通道對應(yīng)一個控制4臺上水栓的控制箱，當控制箱收到遙控器停止上水的信號時，即關(guān)閉上水電磁閥。李亞偉［3］研發(fā)的智能管路控制裝置，對每套遙控組件設(shè)置了不同的地址碼，遙控接收板接收遙控器發(fā)出的某一路閥門動作的指令，并輸出控制信號由控制板的單片機CPU進行處理。熊艷根［4］設(shè)計的旅客列車上水系統(tǒng)則是采用由對講機、天線、無線電臺等設(shè)備組成的本地無線遙控來實現(xiàn)程序控制。

趙輝［5］在試驗的基礎(chǔ)上研制了 SWK-1型客車上水專用無線遙控電磁驅(qū)動水力閥門，該閥門主要由電磁鐵、無線遙控器、入水槍、壓力槍、回水槍等部分組成，通過遙控電磁閥的通斷可控制整個上水過程。

無線遙控程序能在溢流發(fā)生時立即停止上水作業(yè)，大大減少了溢流水量，而且還減少了上水工往復(fù)行走關(guān)閉閥門的次數(shù)，節(jié)省了作業(yè)時間。但是遙控器的遙控距離受限，上水工必須在遙控范圍內(nèi)操作才能有效;另外，由于股道狹長且設(shè)置的上水設(shè)備數(shù)量較多，上水工無法準確辨識遠距離處哪臺設(shè)備對應(yīng)的水箱發(fā)生了溢流，尤其是夜間，此方法受到很大限制。

1.3 信號傳輸控制

1.3.1 壓力信號傳輸

郭厚焜等［6］認為當水箱水位達到滿水位線后，出水口開始溢水，因進水速度大于出水速度，導致上水管入口處壓力信號發(fā)生改變，通過實驗也證實上水管入水口的水壓在水滿時有一明顯的上升過程。因此只要設(shè)定合適的判斷閾值，就能有效識別列車水箱水滿狀態(tài)。但是閾值主要由供水水壓、管網(wǎng)設(shè)置及列車水箱的尺寸等因素決定，TB10010—2008《鐵路給水排水設(shè)計規(guī)范》［7］對列車供水管網(wǎng)水壓的下限有明確的規(guī)定，但對上限卻無限制，因此難以準確地設(shè)定水壓閾值。針對這一問題，蔡體?。?］設(shè)計了列車上水自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為手動訓練階段和自動控制階段，在手動訓練階段，人工控制上水電磁閥的啟動和關(guān)閉，采集供水水壓、車輛標識信息、關(guān)閉電磁閥時的水壓等參數(shù)，形成數(shù)據(jù)庫;進入自動控制階段后，系統(tǒng)采集水壓數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中相同條件下的關(guān)斷水壓進行比較，從而判斷水箱是否滿水。該項研究基本解決了確定閾值的問題，但是從水箱到達滿水水位至水壓增加到閾值的過程，同時發(fā)生了溢流，并沒有完全解決溢流問題。

1.3.2 液體信號傳輸

鐵科院環(huán)保所研制的溢流控制裝置包括溢流傳感器和無線接收單元。溢流傳感器由 SC2262集成電路模塊、信號采集器、無線發(fā)射器和干電池組成，內(nèi)設(shè)磁鐵，使用時粘附在客車溢流管口處，使用完畢取下。當溢流發(fā)生時，液體與信號采集器接觸，SC2262集成電路模塊發(fā)射無線信號將溢流信息傳遞至控制箱內(nèi)的接收單元，關(guān)閉上水電磁閥。

該套裝置可有效控制溢流，溢流管口一旦出水即可停止上水;但是使用不方便，需要將溢流傳感器貼上及取下，容易遺漏。

1.3.3 液位信號傳輸

鄭軼等［9］對舊式上水栓進行了改造以實現(xiàn)溢流控制的研究:在水箱上加裝液位傳感器來檢測水箱狀態(tài)，將手動閥門改為電磁閥，水管與水箱接頭處采用電磁原理吸合。上水時，工作人員開通電源將水管與水箱吸合，液位傳感器與站臺上的采集模塊接通，同時上水電磁閥自動打開;系統(tǒng)通過水箱上的液位傳感器獲取水箱水滿信息，并通過串口將此信息傳入微機，微機通過串口輸出控制信息自動關(guān)閉電磁閥。

該研究中水滿信號能準確及時傳遞，但是控制電磁鐵的電源和信號線的敷設(shè)存在困難，一般需在上水管夾層內(nèi)加電源和信號線，上水軟管抽拉頻繁極易導致電線被拉斷。

1.4 機械控制

謝斌等［10］針對鐵路上水溢流的情況，研制了列車防溢器，它由活塞套筒、雙向活塞、彈簧、密封圈等組成，分別安裝在上水管路及溢流管路上。當列車水箱需要上水時，將專用快速接頭與注水口對接，動水壓推動上水管處防溢器的閥門開始上水;當水箱內(nèi)水面高于上水管出口和溢流管出口時，溢流管處的防溢器雙向活塞向下壓縮彈簧，密封圈自動關(guān)閉閥門止流;此時，上水管路仍繼續(xù)上水，隨著上水管路壓力增大，專用快速接頭自動脫落，即停止上水。但是此方法仍存在缺陷:①需要采用目前上海站上水作業(yè)采用的專用接頭，該接頭利用水壓實現(xiàn)停水并自動脫落，但是無法排空管內(nèi)余水，一方面上水工來回拖曳水管吃力，另一方面也不適用于北方站區(qū)冬季使用;②當水箱到達100%液位后，必須繼續(xù)上水，溢流管開始溢流，直至到達一定壓力防溢器彈簧壓緊，溢流停止，故防溢器不能完全防止溢流發(fā)生。

2 結(jié)論和展望

綜合分析以上研究進展，結(jié)合現(xiàn)場情況，提出下一步研究工作的重點。

(1)客車上水設(shè)備為地面固定式設(shè)備，列車水箱為移動式，如何將車上水滿信號準確地傳遞給車下的上水設(shè)備，并且不干擾其它上水設(shè)備的作業(yè)，是解決溢流控制的關(guān)鍵。

(2)僅對車下上水設(shè)備進行改造(如增加定時程序、無線遙控等)或僅對車上水箱進行改造(如防溢器)，不能徹底解決溢流控制問題，應(yīng)重點進行車上和車下同時改造的技術(shù)研究，并盡量減少在車上的改造，保證系統(tǒng)的可靠性。該方案應(yīng)經(jīng)過充分試驗后方可實施，并需得到鐵道部主管部門的支持。

(3)考慮采用有線或無線傳播方式傳遞水滿信號，重點研究無線傳播方式，為做到一一對應(yīng)，防止信號誤讀，需要解決編碼器號碼的方便輸入問題。

［1］ 楊帆，李國平，黎會鵬，等.基于PLC的列車給水監(jiān)控系統(tǒng)［J］.華中科技大學學報(自然科學版)，2006，34(8):29－31.

［2］ 華開林，閆松林.鐵路旅客列車遙控節(jié)能上水系統(tǒng)的應(yīng)用與研究［J］.西鐵科技，2006(2):14－16.

［3］ 李亞偉.智能管路控制裝置及其應(yīng)用［J］.鐵道標準設(shè)計，2006(2):107－108.

［4］ 熊艷根.鐵路客車上水監(jiān)控系統(tǒng)［J］.上海鐵道科技，2006 (2):37－38.

［5］ 趙輝.客車上水監(jiān)控系統(tǒng)的研制與應(yīng)用［J］.鐵道標準設(shè)計，2005(4):79－80.

［6］ 郭厚焜，官海兵，李駿.基于數(shù)據(jù)處理的列車水箱水滿判據(jù)研究［J］.華東交通大學學報，2007，24(2):92－95.

［7］ TB10010—2008，鐵路給水排水設(shè)計規(guī)范［S］.

［8］ 蔡體健.列車上水自動控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.華東交通大學學報，2008，25(3):103－105.

［9］ 鄭軼，蔡體健.基于組態(tài)軟件的列車上水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.微計算機信息，2008，24(10－1):172－174.

［10］ 謝斌，顧長春.列車水箱防溢器的研制與應(yīng)用［J］.機械設(shè)計與制造，2007(9):93－94.