鐵道客車電熱溫水器的研制及其改進(jìn)

王希亮

摘 要：本文簡(jiǎn)述了鐵道客車電熱溫水器的結(jié)構(gòu)原理，分析解決了研制過程中遇到的問題，詳細(xì)介紹了鐵道客車電熱溫水器的關(guān)鍵部件的功能。

關(guān)鍵詞：鐵道客車電熱溫水器;技術(shù)問題;研制過程

中圖分類號(hào)：U270.38+5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）20-0058-02

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路客車用溫水器被廣泛地應(yīng)用在各種車型上，提高了旅客乘車的舒適度。近期由于列車上使用的溫水器出現(xiàn)問題，我們對(duì)目前列車上使用的溫水器狀況進(jìn)行調(diào)研，通過對(duì)溫水器現(xiàn)場(chǎng)使用出現(xiàn)的各種問題，我們制訂了統(tǒng)一的溫水器技術(shù)條件和檢驗(yàn)方法，同時(shí)研制一種便于安裝、檢修方便，性能可靠，型式合理的新型溫水器。

首先我們查閱了大量國內(nèi)外有關(guān)溫水器的技術(shù)資料，走訪了許多車輛段和主機(jī)廠。對(duì)溫水器的生成、使用狀況進(jìn)行了初步了解，在此基礎(chǔ)上編寫了技術(shù)條件框架，并提出了調(diào)研報(bào)告，研制過程中遇到主要的技術(shù)問題和解決的方法如下。

1 主要的技術(shù)問題及解決方法

1.1 關(guān)于溫水器的結(jié)構(gòu)形式和電氣原理

關(guān)于溫水器的結(jié)構(gòu)形式，目前應(yīng)用的溫水器有儲(chǔ)水、過熱式兩種方式。儲(chǔ)水式溫水器體積大、安裝較困難、成本高、溫水效果好;而過熱式溫水器體積小、安裝方便，但存在頻繁加熱的缺點(diǎn)。根據(jù)在旅客列車上的使用環(huán)境條件，我們?cè)诜治鰞煞N結(jié)構(gòu)型式溫水器的優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，決定采用過熱式加熱方式，從加熱箱底部進(jìn)水，頂部出水。

溫水器的電氣原理如圖1所示主電路由三組電熱管（DR）組成，接觸器（KM）控制加熱器的接通和斷開，控制電路包括漏電檢測(cè)（ZXJC）、缺水保護(hù)（WG）、溫度保護(hù)（ATC）、超溫保護(hù)（CW）等保護(hù)功能，閥門控制器保證只有在打開出水閥時(shí)，接觸器才能吸合通電加熱;當(dāng)水箱缺水或閥門打不開時(shí)，KM不吸合，電加熱管不能通電工作。

1.2 電熱方式的選擇

在設(shè)計(jì)方案中，我們考慮過兩種方案：一是采用電熱管加熱方式，二是采用水電分離的高頻渦流加熱方式。后者的最大優(yōu)點(diǎn)是水電可以分離，但鑒于高頻加熱的技術(shù)難度大、成本高、電磁輻射嚴(yán)重、研制和生產(chǎn)的周期較長，故選用電熱管加熱的方式。電熱管的外型最終確定用U型管方式，U型管與直管加熱相比較在絕緣強(qiáng)度、耐高壓、壽命等方面有較大的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)初期，我們?cè)O(shè)計(jì)了直通式和迷宮式兩種型式內(nèi)膽，通過試驗(yàn)比較，發(fā)現(xiàn)兩種型式的內(nèi)膽加熱效果沒有太大的差別，甚至直通式結(jié)構(gòu)的加熱效果較好，最終選擇了加工工藝方便的直通式結(jié)構(gòu)。

1.3 閥門控制開關(guān)的研制

閥門控制開關(guān)是過熱加熱方式的關(guān)鍵部件，其功能為：只有打開出水閥門并有一定量的水流流出時(shí)（即只有正常使用溫水器時(shí)）才能接通加熱電源。但是目前客車上應(yīng)用的過熱式溫水器沒有這種閥門控制開關(guān)，僅僅依靠溫控器的控制來加熱和停止，從而造成電加熱管的頻繁加熱，不但浪費(fèi)電能、影響加熱管的壽命，也增加了溫水器的故障率。

在研制過程中，我們對(duì)這種閥門進(jìn)行了調(diào)研，英國邁克斯韋爾公司有這種類似的產(chǎn)品，但價(jià)格昂貴，而且供貨周期長，同時(shí)，由于此溫水器使用的缺水保護(hù)裝置存在結(jié)垢和電蝕等缺點(diǎn)，而溫水器又必須設(shè)置缺水保護(hù)裝置，也需要進(jìn)行研制。針對(duì)這種情況，我們決定自行研制和開發(fā)一種集閥門控制和缺水保護(hù)于一體的控制器，以滿足新的技術(shù)條件。經(jīng)過近一個(gè)月的試驗(yàn)，終于完成了達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品同等功能的閥門及控制電路，同時(shí)，增加了缺水保護(hù)裝置。這種裝置與閥體配合使用，安裝在我所新研制的溫水器上，通過型式試驗(yàn)證明能夠滿足技術(shù)條件的要求。

1.4 閥門控制器研制過程的主要技術(shù)問題

閥門控制器的主要功能是：只有打開出水閥門時(shí)，并有大于1L/min流量的出水時(shí)，閥門控制器發(fā)出信號(hào)，控制電加熱接觸器吸合，當(dāng)流量小于1L/min或關(guān)閉出水閥門時(shí)，或者水箱缺水時(shí)，閥門控制器均未發(fā)出信號(hào)，電加熱接觸器不吸合，切斷加熱電源。閥門控制器的控制電路原理是：當(dāng)閥門打開并有大于1L/min的流量時(shí)，閥門體上的水流傳感器感應(yīng)出信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大比較器后，有信號(hào)輸出，使控制繼電器吸合，當(dāng)關(guān)閉閥門或流量小于1L/min的流量時(shí)，閥體無感應(yīng)信號(hào)，放大比較器反轉(zhuǎn)，控制繼電器切斷接觸器的線圈電源，使接觸器釋放。

缺水保護(hù)裝置的主要功能是：以前溫水器上使用的缺水保護(hù)裝置大多采用直流電極式，這種電極在水中長期使用后，容易結(jié)垢和電蝕，使得溫水器的動(dòng)作性能不可靠，維護(hù)工作量大。首先要解決水流檢測(cè)問題，為此我們參考了某些國外水流開關(guān)和國內(nèi)同類產(chǎn)品的檢測(cè)機(jī)理，開發(fā)了體積小、安裝方便的水流檢測(cè)裝置，試驗(yàn)表明，這種裝置可靠而且有效，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。其次，我們開發(fā)了集閥門控制和缺水保護(hù)于一體的開關(guān)控制裝置。其基本原理為：水流的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過該控制裝置放大，與缺水保護(hù)電路串聯(lián)，驅(qū)動(dòng)主回路接觸器，控制加熱電源的通斷。通過試驗(yàn)證明開關(guān)控制裝置能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。溫水器安裝了閥門控制開關(guān)以后，不但節(jié)約了電能，同時(shí)大大增加了溫水器的可靠性。

1.5 加熱功率的確定

目前客車溫水器的功率范圍為2.1kW～4.5kW。參照主機(jī)廠過熱式溫水器的訂貨技術(shù)協(xié)議：要求進(jìn)出水溫度差為15℃時(shí)，水流量應(yīng)達(dá)到5L/min。通過理論計(jì)算，需要電加熱功率為5.23kW，功率顯然過大。新的技術(shù)條件要求進(jìn)出水的溫差在20℃時(shí)，水流量應(yīng)達(dá)到2.5L/min，通過理論計(jì)算，所需要的電功率為3.49kW，最終確定為每個(gè)電熱管的功率為1.2kW，三只電熱管的總功率為3.6kW。經(jīng)過試驗(yàn)表明，3.6kW的電加熱管能夠達(dá)到高效節(jié)能，且完全符合鐵路標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

1.6 缺水保護(hù)功能

采用閥門控制開關(guān)后，缺水后控制開關(guān)本身能夠保證電熱管不通電加熱;但是列車上水質(zhì)較差，萬一將水流檢測(cè)裝置堵塞，很可能造成電熱管干燒，為此有必要設(shè)缺水保護(hù)。缺水保護(hù)采用電子式電極水位檢測(cè)，在設(shè)計(jì)中著重解決電極電蝕的問題，用不銹鋼材質(zhì)做電極，使電極的壽命大大提高。為防止出水溫度過高而傷害旅客，出水溫度采用溫度控制器控制，同時(shí)，電熱管的干燒保護(hù)也由溫控器來控制。

隨著中國鐵路工業(yè)跨越式的發(fā)展，DC600V供電的列車越來越多，溫水器作為旅客使用率較高的洗漱設(shè)備，其安全性能直接影響著乘客的生命，這樣對(duì)DC600V供電的溫水器就要安裝漏電保護(hù)和超溫保護(hù)。而這兩種保護(hù)裝置以前從沒有在溫水器上使用，也沒有現(xiàn)成可直接使用的產(chǎn)品。我們立即開始調(diào)研，走訪用戶及主機(jī)廠，同時(shí)查閱國內(nèi)外資料，對(duì)既有的溫水器進(jìn)行改進(jìn)，研制新型具有漏電保護(hù)和超溫保護(hù)功能的溫水器。

1.7 漏電保護(hù)的研制

漏電保護(hù)器的原理是：當(dāng)溫水器內(nèi)因絕緣電阻下降而產(chǎn)生漏電時(shí)，電流傳感器立刻檢測(cè)到漏電電流并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，在線絕緣檢測(cè)裝置接到此電壓信號(hào)后，通過其內(nèi)部繼電器斷開控制電路，使溫水器停止加熱，并提示漏電有故障，使控制電路自鎖，從而保護(hù)設(shè)備和人身的安全，只有當(dāng)漏電故障排除后，才能重新上電，使溫水器加熱。根據(jù)這個(gè)技術(shù)要求，我們通過大量的研究試驗(yàn)后，又開發(fā)研制了可以在DC600V供電溫水器上使用的型號(hào)為LD-IIIG型直流在線絕緣檢測(cè)裝置。

1.8 超溫保護(hù)的研制

超溫保護(hù)的原理是：當(dāng)控制加熱的接觸器因機(jī)械故障或觸頭粘連不能釋放時(shí)，控制電路失效，使得溫水器干燒，此時(shí)必須自動(dòng)切斷供電電源，停止加熱防止繼續(xù)干燒。根據(jù)這個(gè)原理，當(dāng)初我們準(zhǔn)備了兩套解決方案，一個(gè)比較簡(jiǎn)單的辦法是在電熱管內(nèi)串接不可恢復(fù)的溫度保險(xiǎn)，經(jīng)過大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫水器干燒達(dá)到超溫保護(hù)值時(shí)，由于是直流供電溫水器，溫度保險(xiǎn)容易形成拉弧，不會(huì)立刻燒斷，因而起不到保險(xiǎn)，此方案雖然簡(jiǎn)單，但是存在危險(xiǎn)性。另一個(gè)是研制超溫保護(hù)器，當(dāng)溫水器干燒達(dá)到超溫保護(hù)值時(shí)，其內(nèi)部溫度繼電器的常開觸電閉合，利用中點(diǎn)接地保護(hù)系統(tǒng)，使超溫保護(hù)器產(chǎn)生漏電電流，在線絕緣檢測(cè)裝置檢測(cè)到有漏電電流，此時(shí)切斷供電電源，使溫水器停止干燒，此辦法雖然技術(shù)難度大，但是安全可靠。最后通過大量研究試驗(yàn)，又開發(fā)研制了可以在DC600V供電溫水器上使用的型號(hào)為WKQ-II超溫保護(hù)器。

2 結(jié)語

當(dāng)前隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新型材料、新技術(shù)的應(yīng)用，未來鐵道客車電熱溫水器一定具有體積小、質(zhì)量輕、高效率，能更好地為旅客提供舒適的服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1] TB/T 3125—2005，鐵道客車電熱溫水器[S].

Development and Improvement of ?Electric Bus Warmer for Railway Passenger Cars

WANG Xi-liang

（CRRC Qingdao Sifang Vehicle Research Institute Co.， Ltd.， Qingdao Shandong ?266031）

Abstract：This paper briefly describes the structural principle of the electric hot water heater for railway passenger cars， analyzes and solves the problems encountered in the development process， and introduces in detail the functions of the key components of the electric hot water heater for railway passenger cars.

Key words：Railway passenger car electric heater;technical problem;Development process