新型機車整體衛(wèi)生間系統(tǒng)技術(shù)研究

沈駿，水春雨，薛強，龔圣陽，薩姝君，武滿巨

(1.中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所,北京 100081；2.中國鐵路呼和浩特局集團有限公司集寧機務(wù)段，內(nèi)蒙古 集寧 012000)

1 概述

當(dāng)前，我國和諧型電力機車，已經(jīng)普遍安裝有機車衛(wèi)生間，主要有“干粉生化式”和“高壓水沖式”兩種。其中，“高壓水沖式”衛(wèi)生間占據(jù)了絕大多數(shù)。各路局機務(wù)段的機車衛(wèi)生間在實際運用過程中，反映出不少問題，大量的機車衛(wèi)生間無法投入實際使用，給執(zhí)乘人員帶來了不便，執(zhí)乘人員的如廁問題，一直沒有得到有效解決[1]。這些突出問題，主要反映在以下四個方面：

(1)廁所異味大?！案邏核疀_式”衛(wèi)生間，異味不可能通過蓋板方式徹底屏蔽，加之機車衛(wèi)生間的空間狹小，異味很難消除。尤其是“干粉生化式”衛(wèi)生間，幾乎到了惡臭難聞的地步。

(2)使用成本高?！案煞凵健毙l(wèi)生間，不僅維護困難，作業(yè)環(huán)境惡劣，更換衛(wèi)生間內(nèi)部的微生物及耗材的間隔時間短，而且每次更換的采購成本高，使得運營成本過高。

(3)水箱及污箱容量小。機車出庫后，中途無法上水及卸污，“高壓水沖式”衛(wèi)生間單次沖洗耗水量仍然偏大，且無法一次沖洗干凈，需多次沖洗，增加了耗水量，難以滿足機車的實際運行需要。

(4)坐便器不符合使用習(xí)慣。原有的機車衛(wèi)生間內(nèi)部，均使用的是坐便器，不符合亞洲人種使用習(xí)慣。執(zhí)乘人員或者不使用，或者雙腳踩踏在坐便器上使用，存在安全隱患。同時，坐便器給衛(wèi)生間內(nèi)部帶來了衛(wèi)生死角，容易積淤，清理不方便。

隨著真空集便器技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用在我國鐵路的客車、動車、高鐵等領(lǐng)域，真空集便器已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)同。新型機車整體衛(wèi)生間采用真空集便技術(shù)，但與客車真空集便器有所區(qū)別，由于機車衛(wèi)生間放置在機車內(nèi)部，需符合更高的技術(shù)指標(biāo)要求，如：沖擊振動、疲勞壽命、電磁兼容、高低溫、高濕度、保溫隔熱、隔音等[2]。

新型機車整體衛(wèi)生間集成照明、取暖、盥洗、真空集便、空氣凈化等功能，主要包括氣動或電動真空發(fā)生裝置、水增壓裝置、車載真空集便器、污物收集裝置、水箱供水裝置、控制及顯示裝置、空氣凈化裝置等。其中，真空發(fā)生裝置采用真空發(fā)生器，真空集便器采用“蹲便式真空集便器”系統(tǒng)，真空集便系統(tǒng)通過兩種沖洗模式，減少耗水量；盥洗室和高壓水通過增壓泵實現(xiàn)供水，盥洗水通過控制每次供水量實現(xiàn)用水控制；空氣凈化采用先進離子除臭技術(shù)，對衛(wèi)生間中硫化氫、氨等有害氣體進行分解，達到除臭效果；對衛(wèi)生間照明及取暖進行優(yōu)化，衛(wèi)生間的運行僅需要維持系統(tǒng)的水、電、氣，不需要額外的化學(xué)藥劑，維護簡單[3]。

2 系統(tǒng)組成

新型機車整體衛(wèi)生間系統(tǒng)的組成包括以下六部分：

2.1 污物箱

由于機車衛(wèi)生間內(nèi)空間狹窄，必須將污物箱和蹲便器設(shè)計成為一個整體結(jié)構(gòu)，不占用車下空間，蹲便器做了一定抬高，比地板高出約150 mm，以確保污物箱容積不減少，污物箱容積為60 L。改造后的污物箱如圖1所示。

圖1 污物箱

2.2 蹲便器

真空蹲便器安裝在污物箱頂部，通過管道和污物箱、水增壓模塊連接。蹲便器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 蹲便器

2.3 水增壓模塊

水增壓模塊采用氣動增壓方式，取消控制閥門，維修更方便，若損壞可直接更換模塊。

2.4 水箱

水箱主要用于儲水，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

2.5 上水及排污

機車衛(wèi)生間車下管道部分為上水和排污管道。

2.6 其他部分

衛(wèi)生間還包括控制模塊，加熱防凍設(shè)施，照明燈、排風(fēng)扇等。

3 工作原理

3.1 真空集便系統(tǒng)

新型機車整體衛(wèi)生間的集便系統(tǒng)采用真空保持式集便器。其工作原理為：污物箱始終保持在一定真空范圍內(nèi)。真空建立過程為：當(dāng)污物箱內(nèi)部真空值低于真空傳感器的設(shè)定值時，啟動真空發(fā)生裝置對污物箱抽真空，達到設(shè)定值時，停止產(chǎn)生真空[4]，如圖4所示。真空集便系統(tǒng)有以下四種狀態(tài)：

1.風(fēng)扇EV1 2.照明燈EL1 3.風(fēng)扇開關(guān) 4.照明開關(guān) 5.取暖器開關(guān) 6.取暖器 7.觸摸屏 8.控制板 9.進電源空開 10.空氣凈化器 11.大便沖洗按鈕B1 12.小便沖洗按鈕B2 13.防凍排空按鈕B3 14.緊急排放按鈕B4 15.調(diào)壓閥1 16.正常指示燈 17.報警指示燈 18.水箱15%液位燈 19.水箱正常燈 20.污箱90%液位燈 21.管道排空指示燈 22.水箱加熱棒 23.水箱15%液位開關(guān) 24.水箱溫度傳感器 25.水箱 26.出水口 27.注水口 28.溢流口 29.粗過濾器 30.臭氣過濾器 31.真空發(fā)生器 32.真空負(fù)壓表 33.兩位三通電磁閥/NC 34.兩位三通調(diào)壓閥/NO 35.兩位三通調(diào)壓閥/NC 36.水增壓罐液位開關(guān) 37.兩位三通電磁閥/NO 38.真空傳感器 39.真空排污閥 40.真空蹲便器 41.放氣電磁閥 42.電磁水閥(蹲便器) 43.精過濾器 44.水管伴熱線 45.洗手水閥 46.洗手按鈕 47.洗手節(jié)流閥 48.洗手盆 49.氣缸閥 50.排氣管道 51.手動放氣閥 52.排污管道 53.手動排污閥 54.排污管伴熱線 55.污箱90%液位開關(guān) 56.污箱溫度傳感器 57.污箱加熱棒 58.檢修口 59.氣缸閥 60.污箱 61.水增壓罐 62.兩位三通電磁閥/NO 63.氣控閥圖4 真空保持式機車衛(wèi)生間原理圖

3.1.1 待機狀態(tài)

系統(tǒng)處于待機狀態(tài)時，污物箱內(nèi)保持真空，沖洗閥、排泄閥處于關(guān)閉狀態(tài)，真空發(fā)生器處于非工作狀態(tài)；水增壓器內(nèi)充滿水處于非上水狀態(tài)。

3.1.2 沖洗循環(huán)狀態(tài)

按下沖洗按鈕(大便/小便)后，開始進行便器沖洗循環(huán)，沖洗閥打開，使加壓后的水通過沖洗閥進入便盆，對便盆進行沖洗。沖洗時序如圖5，圖6所示。

圖5 大便沖洗時序圖

圖6 小便沖洗時序圖

便盆內(nèi)的污水在真空的抽吸作用下直接進入污物箱內(nèi)；沖洗動作結(jié)束后，沖洗閥關(guān)閉，水增壓器內(nèi)開始上水；便盆排空動作結(jié)束后，排泄閥關(guān)閉，進行二次沖水，在便盆形成小水灣[5]。

3.1.3 防凍排空狀態(tài)

一般情況下(除低壓報警狀態(tài))，可以啟動一鍵排空功能，系統(tǒng)根據(jù)清水箱液位高度，自動將清水箱中水排盡；自動進行3次沖洗循環(huán)，將水增壓及管路中余水排盡。

3.1.4 報警狀態(tài)

當(dāng)系統(tǒng)檢測到污物箱內(nèi)真空度小于設(shè)定值時，系統(tǒng)自動進行抽真空動作，如果兩分鐘后，污物箱內(nèi)真空值達不到設(shè)定值，低真空指示燈亮，提示抽真空異常。污物箱達到100%液位后，系統(tǒng)自動停止便器動作，同時100%液位指示燈亮。系統(tǒng)處于停止使用狀態(tài)。

3.2 空氣凈化裝置

通過使用“強化活性氧”氧化滅活有害氣體和微生物。離子管的電極中間被不導(dǎo)電的阻礙介質(zhì)分開，接通高壓電后被迫產(chǎn)生釋放電能的過程。通過這個放電過程產(chǎn)生的能量被空氣中的氧分子和水分子所吸收就產(chǎn)生了“強化活性氧”，活性氧通過氧化異味空氣，同時發(fā)生化學(xué)變化，產(chǎn)生新的無味、無害的物質(zhì)，活性氧還可以破壞微生物(病毒、霉菌、酵母菌和細(xì)菌)內(nèi)部的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，達到滅活的目的[6]。

3.3 盥洗裝置

觸發(fā)洗手按鈕后，洗手水增壓泵和洗手電磁水閥同時打開，控制每次用水量。

3.4 取暖裝置

根據(jù)機車衛(wèi)生間空間及布局，優(yōu)化取暖器安裝位置及方式，提高空間利用率。

4 系統(tǒng)特點

新型機車整體衛(wèi)生間系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，滿足機車工況要求，具有如下特點：

(1)改善環(huán)境。整體衛(wèi)生間采用真空集便裝置，杜絕了臭氣外溢，通過空氣凈化裝置對衛(wèi)生間內(nèi)空氣進行凈化，對異味進行凈化及微生物(病毒、霉菌、酵母菌和細(xì)菌)滅活，改善了執(zhí)乘人員的作業(yè)環(huán)境。

(2)耗水量低。通過大小便沖洗的不同沖洗循環(huán)，降低耗水量，增加集便系統(tǒng)使用次數(shù)。

(3)結(jié)構(gòu)緊湊。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，使得機車衛(wèi)生間內(nèi)極為緊湊的空間得以充分利用，有效利用了有限空間。

(4)故障率低。與鐵路客車的公共環(huán)境相比，采用“真空保持式”技術(shù)使得系統(tǒng)的故障率大大降低。

(5)維護性好。維護工作簡單易行，可做到“即換即用”，直接將有故障的模塊拆除，更換為新的模塊即可。

(6)使用簡單。原理上的簡化，給實際的使用帶來了簡化，簡潔易懂的顯示面板給使用者以“所見即所得”的感受，使用者僅需簡單培訓(xùn)即可操作使用。

5 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

(1)采用嵌入式蹲便器。由于機車衛(wèi)生間內(nèi)空間狹窄，將污物箱和蹲便器設(shè)計成為一個整體結(jié)構(gòu)，不占用車下空間[7]。

(2)離子除臭技術(shù)。在電場效用下，離子發(fā)生器產(chǎn)生大量的α粒子，α粒子與空氣中的氧氣分子施行碰撞而形成正、負(fù)氧氣離子。正氧氣離子具備很強的氧化性，能在極短的時間內(nèi)分解甲硫醇、氨、硫化氫等污染因素，達到凈化空氣的目的[8]。

(3)兩種沖洗循環(huán)模式。當(dāng)使用者按下大便沖洗按鈕后，電氣控制系統(tǒng)打開真空排污閥，同時少量高壓水沖洗便池，污物通過真空排污閥及真空管道被吸入污物箱內(nèi)，真空排污閥關(guān)閉，繼續(xù)少量水沖洗，形成水封，等待下一個循環(huán)，整個工作周期7 s左右，耗水1 L以內(nèi)。小便沖洗時序中真空排污閥打開時間比大便沖洗時序時間短；如果在污箱建立真空的過程中按下沖洗按鈕，系統(tǒng)不會立即啟動沖洗過程，需等到真空達到設(shè)定值后再響應(yīng)這個沖洗動作，等待時間視污物箱內(nèi)的空氣容量而定，如果抽真空時間過長，系統(tǒng)控制箱會發(fā)出報警指示[9]。

(4)衛(wèi)生間功能模塊化、集成真空集便、盥洗、照明、除臭、電加熱。

6 結(jié)束語

新型機車整體衛(wèi)生間系統(tǒng)各項功能齊全且人性化，有效解決了目前各線路上機車衛(wèi)生間存在的異味大、故障多、不易清理、使用不便等一系列問題，改善了機車執(zhí)乘人員的工作環(huán)境。

[1] 劉宇奇,劉會巖,張磊，等.機車整體衛(wèi)生間結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析[J].內(nèi)燃機車，2006(9)：26-27.

[2] 徐強,張春云.HX_D3型機車整體衛(wèi)生間工作原理及常見故障處理[J]. 鐵道機車與動車，2015(1)：37-38.

[3] 歐陽國強,楊德良, 王英姿.基于PLC控制的機車整體衛(wèi)生間氣動沖洗系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 液壓與氣動，2011(2)：30-31.

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[5] 范青楊.集便器在中國軌道車輛上的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2008(5)：123-125.

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[7] 錢文偉.列車集便裝置發(fā)展的現(xiàn)狀及對我國開發(fā)集便裝置的建議[J].河南機電高等專科學(xué)校學(xué)報，2000(9)：41-45.

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[9] 張軼,李明崎.提速客車MONOGRAM真空集便器運用探討[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2009(11)：16-17.