鐵路客車上水栓水力計算模型的建立與分析

史義雄

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 概述

客車上水系統(tǒng)的設(shè)計是鐵路給水站設(shè)計的一項重要內(nèi)容。鐵路經(jīng)過6次大提速后，運行速度和路網(wǎng)結(jié)構(gòu)已發(fā)生了很大變化。為了適應(yīng)鐵路旅客運輸發(fā)展需要，鐵路運輸組織逐步壓縮了客車到站后的停車時間，對客車給水站的設(shè)計和車站上水工作帶來很大壓力。為保證客車的正常供水，合理地進(jìn)行客車上水系統(tǒng)的設(shè)計就顯得非常重要。由于客車上水栓的間距一般為25 m，顯然不屬于長管的水力計算范疇，為合理確定客車上水栓的給水管管徑及供水水壓，需要逐段進(jìn)行詳細(xì)的水力計算，設(shè)計人員利用Excel的計算功能，建立數(shù)學(xué)模型可提高設(shè)計效率。

2 客車上水栓的布置形式

客車給水站應(yīng)有專供客車給水栓用水的給水干管，每排栓管應(yīng)按兩端進(jìn)水或環(huán)狀布置，也可從中部與給水干管連接成T形，每排客車給水栓管均應(yīng)設(shè)置控制閘閥和計量裝置［1］?？蛙嚿纤ǖ牟贾眯问綍苯佑绊懣蛙嚿纤乃俣?。客車上水栓宜布置成環(huán)狀，以利于客車上水時互相調(diào)節(jié)水壓和流量，加快上水的速度，通常有以下3種布置形式，如圖1～圖3所示，目前新建的站段一般以圖3所示的栓管從兩端接入較為常見。

圖1 栓管從一端接入

圖2 栓管從中部接入

圖3 栓管從兩端接入

3 水力計算模型

3.1 模型的準(zhǔn)備

客車上水單元是由注水管接頭、軟管、附屬管道及閥門、軟管收放裝置、控制裝置等組成的整體。上水單元進(jìn)水管直徑為DN40，上水單元軟管長度不大于15 m，公稱直徑為DN32或DN25。向客車上水栓配水的給水管道為栓管，向栓管供水的給水管道為干管?？蛙嚿纤?5 m的服務(wù)水頭包括有進(jìn)水管、閥門、上水軟管、客車上水栓接頭及車體內(nèi)上水鋼管的水頭損失。進(jìn)行客車上水栓水力計算要詳細(xì)計算上水干管的沿程水頭損失以及上水干管向客車上水栓配水三通的局部水頭損失［2，3］。

按《鐵路給水排水設(shè)計規(guī)范》(TB10010—2008)規(guī)定，客車給水栓最小服務(wù)水頭25 m(從軌頂算起)，當(dāng)兩線路間的雙頭栓同時給兩列客車上水時，其每個栓口的設(shè)計流量不小于2.0 L/s，當(dāng)使用一個栓頭時，其栓口的設(shè)計流量不小于2.5 L/s，上水軟管采用DN32，長度不大于15 m?？蛙嚨桨l(fā)線的一側(cè)應(yīng)設(shè)置客車給水栓及栓井，栓井的距離宜為25 m，每排栓井的數(shù)量不應(yīng)少于客車的最大編組輛數(shù)，并宜加設(shè)1～2座栓井，加設(shè)的栓井不計入設(shè)計流量［1］。

給水栓25 m的最小服務(wù)水頭由3部分組成:①車輛水箱的入水口與軌頂面的幾何高差3.6 m;②水流通過上水膠管的水頭損失;③車輛注水管的水頭損失［4］。

事故時設(shè)計水量為正常時的70%。事故時，按右側(cè)干管損壞，上水栓用水全部從左側(cè)干管流入，栓口每處出水2.5×70%=1.75 L/s，栓口處水壓相應(yīng)比正常工作時要低，水壓與流速的平方成正比。正常時，扣除車輛水箱的入水口與軌頂面的幾何高差3.6 m，水流通過膠皮管及客車注水管的水頭為25－3.6=21.4 m，事故時的服務(wù)水頭為3.6+21.4×0.72=14.1 m。從軌頂與栓管高差取1.0 m，栓管處最小服務(wù)水頭為14.1+1=15.1 m。

以圖3所示的布置形式為例，客車上水栓兩端進(jìn)水，正常供水時，栓兩端的流量大，由兩端向中間，流量遞減，流速也遞減，理想狀態(tài)下，栓管管徑也可以采用由兩端向中間遞減的配管方式。但當(dāng)一側(cè)干管事故時，上水干管從一側(cè)進(jìn)水，供水方即變?yōu)閳D(1)所示的布置形式。因此，在設(shè)計時一般栓管采用同一種規(guī)格，不考慮栓管管道變徑。

(1)管道總水頭損失［5］

式中 hz——管道總水頭損失，m;

hy——管道沿程水頭損失，m;

hj——管道局部水頭損失，m。

(2)管道沿程水頭損失

式中 l——管道長度;

q——設(shè)計流量，m3/s;

Ch——海曾-威廉系數(shù)，塑料管140 ～150，取140，普通鋼管及鑄鐵管取100;

dj——管道計算內(nèi)徑。

(3)管道的局部水頭損失

式中 ζ——管道局部水頭損失系數(shù)。

3.2 模型的建立

客車上水栓安裝一般如圖4所示。

圖4 客車上水栓安裝示意

由圖4可知，客車上水栓上水時的局部水損為1個異徑三通(單栓)，局部阻力系數(shù)為等徑三通與突縮阻力系數(shù)之和［6］，即異徑三通 ξ0=等徑三通 ξ1+突縮之ξ2，局部水損計算圖如圖5所示。

圖5 異徑三通局部水損計算簡圖

3.3 模型的應(yīng)用

以某大型給水站高速車場為例，共設(shè)有6排列車上水栓，上水栓間距25 m，每排18座，動車長編組16列，2列為備用，備用的栓室不計入流量，列車上水栓均為單栓，上水供水主管直徑DN200，兩端客車上水栓距離環(huán)網(wǎng)給水主管距離35 m，上水供水主管長35×2+25×(18－1)=495 m，單排栓計算簡圖如圖6所示，其中1號及18號客車上水栓為備用。

正常供水時，兩側(cè)均能進(jìn)水，栓口每處出水2.5 L/s，《鐵路給水排水設(shè)計規(guī)范》(TB10010—2008)規(guī)定，客車給水栓最小服務(wù)水頭從軌頂算起25 m，從軌頂與栓管之間還有一定高差，不同工程客車上水栓安裝方式的不同，這一高差不盡一致，為簡化計算這里取1.0 m，栓管處最小服務(wù)水頭為25+1=26 m。

假設(shè)左右兩側(cè)同時供水，1號、18號客車上水栓不出水，下面詳細(xì)計算9號至2號客車上水栓的水損及流量。給水用 PE80聚乙烯(PE)管材，SDR17，PN0.8的規(guī)格見表1。

表1 給水用HDPE管尺寸 mm

假定栓管采用DN150的PE管，計算內(nèi)徑Dj=141 mm。計算起點9號栓流量q3=2.5 L/s，管段9－8的流量q1=2.5 L/s，管段9－10的流量q2=0，栓口處為DN150×DN40三通，經(jīng)計算得v1=0.16 m/s，v2=0，v3=1.62 m/s，v4=0.16 m/s，三通處局部水損 hj=0.06 m，管段9－8的沿程水損hy=0.01 m，則8號栓處壓力p=26+0.06+0.01=26.07 m。

工程上水力計算時，水壓與流速的平方成正比，即管徑一定的條件下，流量與水壓的平方根成正比。由于每個上水栓栓頭處服務(wù)水頭不同，造成每個上水栓流速和出流量也不盡相同。8號栓流量q3=2.5×2.504 L/s，依此類推，分別算出8號栓至2號栓的水力計算參數(shù)，計算結(jié)果匯總見表2。

2號栓處壓力27.17 m，栓管與干管接口處壓力為27.95 m，其中沿程水損合計1.37 m，局部水損合計0.58 m。由于客車上水栓對稱布置，右側(cè)客車上水栓計算與左側(cè)相同。

按照前述計算步驟，編制Excel水力計算表，可以推導(dǎo)出事故時，栓管與干管接口處壓力為20.10 m，其中沿程水損合計4.25 m，局部水損合計0.75 m。

圖6 單排客車上水計算簡圖

表2 正常供水單栓水力計算

以上計算過程是按照栓管管徑為DN150，如果栓管采用DN100或DN200，重復(fù)上述步驟，水損及水壓計算結(jié)果見表3。

從表3可以看出，栓管管徑不宜小于DN150，管徑由DN150增加至DN200，水壓要求變化不大，管徑為DN100時，水壓有大幅增加，以事故供水時為控制工況，水壓過高，管道起端流速過大，不宜采用。栓管管徑為DN150時，局部水損為沿程水損的42.34%，栓管管徑為DN200時，局部水損為沿程水損的117.39%，遠(yuǎn)大于常規(guī)的10% ～20%，與栓管管徑密切相關(guān)，不能簡單估算。

對于“T”形的供水方式，正常及事故時栓管都是從中間往兩側(cè)供水，與干管從兩端接入供水方式相同，栓管管徑不宜小于DN150。

栓管從一端接入的供水方式，正常及事故時栓管都是從一側(cè)往另外一側(cè)供水，選取栓管管徑為DN150、DN200、DN250 3種工況進(jìn)行計算，計算結(jié)果匯總見表4。綜合比較，栓管管徑不宜小于DN200。

表3 不同栓管管徑條件下的水力參數(shù)

表4 栓管一端接入單栓正常供水水力計算

對于雙栓，一側(cè)進(jìn)水時栓管宜采用DN250管道，T形或兩端進(jìn)水時栓管宜采用DN200管道，水損及水壓計算結(jié)果見表5。

表5 雙栓正常供水水力計算

從表5可知，局部水損為沿程水損的70%～80%，遠(yuǎn)大于常規(guī)的10% ～20%，不能簡單估算。

4 結(jié)論

在進(jìn)行客車上水栓水力計算時，栓管管徑不同，局部水損與沿程水損的比值差別比較大，不能按照常規(guī)的10%～20%進(jìn)行估算而且每個栓頭處服務(wù)水頭不同，造成每個上水單元管道流速不同，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的水力計算。

為保證客車的正常供水，達(dá)到規(guī)范設(shè)計要求，對于單栓，T形或兩端進(jìn)水時栓管管徑不宜小于DN150，一側(cè)進(jìn)水時栓管管徑不宜小于DN200;對于雙栓，T形或兩端進(jìn)水時栓管管徑不宜小于DN200，一側(cè)進(jìn)水時栓管管徑不宜小于DN250。

通過編制Excel水力計算表，能快速進(jìn)行水力計算，修改相關(guān)數(shù)據(jù)可對其他工程以及不同管材進(jìn)行快速計算，有較強(qiáng)的通用性，可提高設(shè)計效率。

［1］中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.TB10010—2008 鐵路給排水設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［2］陳軍，蔣金輝，張漢英.鐵道客車給水裝置對站區(qū)給水系統(tǒng)影響的分析及對策［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011(7):108-111.

［3］李嬋.論客車上水系統(tǒng)存在的問題及解決建議［J］.鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保，2004(5):222-223.

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［6］北京市市政工程設(shè)計研究總院.給水排水設(shè)計手冊·第5冊城鎮(zhèn)排水［M］.2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.