夾管閥在鐵路真空集便器中的應(yīng)用及故障分析

閆 凱，薛 強(qiáng)，沈 駿，周麗銘

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

集便裝置是鐵路旅客列車重要的衛(wèi)生服務(wù)設(shè)施，自2004年客車廁所直排改造實(shí)施以來(lái)，真空集便裝置的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了旅客列車衛(wèi)生污水集中收集、暫存和排放，改善了列車衛(wèi)生間使用環(huán)境和衛(wèi)生條件、列車車廂空氣質(zhì)量及鐵路沿線衛(wèi)生環(huán)境，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展和改進(jìn)，在我國(guó)鐵路普速旅客列車和高速動(dòng)車組列車都得到了廣泛應(yīng)用，并逐漸成為旅客列車衛(wèi)生間集便器的主流型式。夾管閥作為真空集便器的一個(gè)重要零部件，其結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便、適用性強(qiáng)，在不同型式、不同配置的真空集便系統(tǒng)中用以控制排污管路開(kāi)啟和關(guān)閉。夾管閥自身的密封性和可靠性等也直接影響真空集便器系統(tǒng)的使用和整體性能，有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)原理、功能性能、故障因素等進(jìn)行深入分析研究。

1 夾管閥結(jié)構(gòu)、原理及特點(diǎn)

夾管閥又名膠管閥、管夾閥，主要由閥體和閥芯2 個(gè)部分組成。根據(jù)使用要求，閥體材料可以采用不銹鋼等金屬材料或聚甲醛等非金屬材料，有法蘭連接、外螺紋、內(nèi)螺紋等連接方式與管道連接。閥芯部分為膠管，一般采用標(biāo)準(zhǔn)和全質(zhì)彈性體天然橡膠，也可選用三元乙丙橡膠、丁腈橡膠、丁基橡膠、氯丁橡膠等不同材質(zhì)，滿足不同工況使用要求。

夾管閥具有良好的密閉性、耐腐蝕性、耐磨性，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不受液體流向限制，安裝操作方便，即使污水有殘存顆?；蚣埥淼犬愇飼r(shí)，膠管仍可將其包裹實(shí)現(xiàn)零泄漏關(guān)閉；夾管閥全通徑無(wú)阻礙，流體介質(zhì)在富有彈性的膠管中流動(dòng)，不易結(jié)垢并能自清潔。檢修時(shí)只要更換膠管和密封膠圈，閥體不易損壞，維修方便，節(jié)約了使用成本。

夾管閥工作原理及不同工作狀態(tài)如圖1 所示。正常開(kāi)啟狀態(tài)下(見(jiàn)圖1 a)，閥芯膠管通道完全打開(kāi)，流體等介質(zhì)可在膠管內(nèi)通過(guò)。當(dāng)在閥體與閥芯之間施加控制風(fēng)壓時(shí)，閥芯膠管在壓力作用下彈性變形而關(guān)閉膠管通道，夾管閥處于正常關(guān)閉狀態(tài)(見(jiàn)圖1 b)。在實(shí)際應(yīng)用中，膠管內(nèi)流體等介質(zhì)都具有一定的流速和壓力，夾管閥在閉合狀態(tài)下受到控制風(fēng)壓和流體壓力的雙重作用(見(jiàn)圖1 c)。

圖1 夾管閥工作原理及不同工作狀態(tài)

2 夾管閥在鐵路真空集便器中的應(yīng)用

2.1 在普速旅客列車真空集便器中的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)發(fā)展，2014年普速旅客列車真空集便器完成統(tǒng)型管理，目前安裝使用的真空集便器大多為統(tǒng)型真空保持式集便器。在便器排空管路中安裝排泄閥，控制排空管路開(kāi)啟和閉合，通常狀態(tài)下夾管閥閉合，系統(tǒng)在污物箱內(nèi)保持一定真空度，當(dāng)便器沖洗排空時(shí)，夾管閥打開(kāi)，依靠污物箱與便盆間的壓差，將便盆內(nèi)污水抽吸排空至污物箱內(nèi)。普速旅客列車保持式真空集便器排空示意如圖2所示。

圖2 普速旅客列車保持式真空集便器排空示意

系統(tǒng)初始狀態(tài)時(shí)，污物箱內(nèi)為正常大氣壓，系統(tǒng)首先依靠控制風(fēng)壓關(guān)閉夾管閥，之后系統(tǒng)真空發(fā)生器開(kāi)始工作，在污物箱內(nèi)形成負(fù)壓，如圖3 a 所示，此時(shí)夾管閥受負(fù)壓和控制風(fēng)壓共同作用保持閉合，密封性能更好。

當(dāng)便器沖洗排空時(shí)，夾管閥控制壓力為0，夾管閥膠管依然承受真空負(fù)壓作用(見(jiàn)圖3 b)，當(dāng)膠管自身回彈張力大于負(fù)壓作用力時(shí)，膠管可回彈開(kāi)啟，使排污管路打開(kāi)完成便器排空。考慮真空開(kāi)關(guān)可能失靈，造成污物箱內(nèi)真空負(fù)壓異常過(guò)大，并且在運(yùn)行使用一段時(shí)間后，內(nèi)襯膠管疲勞老化、自身回彈張力降低等影響，夾管閥無(wú)法依靠回彈力順暢開(kāi)啟，因而集便器系統(tǒng)通過(guò)控制氣路電磁閥，在切斷夾管閥供氣壓力的同時(shí)，將污物箱與夾管閥供氣管路連通，使夾管閥膠管內(nèi)外側(cè)壓力平衡，膠管可順暢開(kāi)啟。

根據(jù)系統(tǒng)使用特點(diǎn)，考慮工作真空度，即夾管閥閉合狀態(tài)下所受負(fù)壓為25±2.5 kPa，該系統(tǒng)中控制壓力350 kPa[1]。

圖3 夾管閥受負(fù)壓關(guān)閉狀態(tài)

2.2 在動(dòng)車組列車真空集便器中的應(yīng)用

按照工作原理和結(jié)構(gòu)組成，可將動(dòng)車組真空集便系統(tǒng)分為保持式和中轉(zhuǎn)式真空集便系統(tǒng)2 種。夾管閥在2 種系統(tǒng)中均有使用，其控制管路開(kāi)啟、閉合的功能和性能因不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求而有所不同。

2.2.1 在保持式真空集便器中的應(yīng)用

動(dòng)車組保持式真空集便系統(tǒng)與普速旅客列車保持式真空集便系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)組成類似，主要由便器組件(坐式便器組件、蹲式便器組件、陶瓷便器組件3 種)、控制單元(電氣控制單元、沖洗按鈕)、顯示單元(車下液位顯示、電氣控制單元的液位顯示部分)、氣動(dòng)控制單元、水增壓?jiǎn)卧?、真空發(fā)生器組件、污物箱等組成。系統(tǒng)工作流程為由真空發(fā)生器組件在污物箱內(nèi)產(chǎn)生真空，按下沖洗按鈕后，水增壓器向便器內(nèi)沖水清洗，隨后便器組件排泄閥打開(kāi)，通過(guò)真空將便器內(nèi)的污物收集在污物箱中。

保持式系統(tǒng)中使用2 個(gè)DN20 夾管閥，安裝于真空發(fā)生器和分離器組成(見(jiàn)圖4)，一個(gè)用于控制抽真空管路開(kāi)啟閉合，一個(gè)用于控制分離器污水排空管路開(kāi)啟閉合。2 個(gè)夾管閥都連接到污物箱，閉合狀態(tài)下所承受的工作壓力均是污物箱的負(fù)壓，夾管閥處于受負(fù)壓關(guān)閉狀態(tài)，膠管受控制風(fēng)壓和真空負(fù)壓共同作用。為保證承受壓力不超過(guò)其自身最大允許風(fēng)壓值，該保持式系統(tǒng)夾管閥控制壓力設(shè)定值200±20 kPa[2]。

圖4 動(dòng)車組保持式真空集便器真空發(fā)生器和分離器組成

2.2.2 在中轉(zhuǎn)式真空集便器中的應(yīng)用

中轉(zhuǎn)式真空集便系統(tǒng)與保持式真空集便系統(tǒng)原理不同，區(qū)別在于中轉(zhuǎn)式系統(tǒng)增加污物暫存中轉(zhuǎn)箱，其污物箱為常壓。系統(tǒng)工作流程：首先在中轉(zhuǎn)箱內(nèi)產(chǎn)生真空，便器排空時(shí)通過(guò)真空將便器內(nèi)的污物收集在中轉(zhuǎn)箱中，待中轉(zhuǎn)箱內(nèi)污物達(dá)到設(shè)定液位或便器排空次數(shù)達(dá)到設(shè)定值，壓縮空氣便會(huì)進(jìn)入中轉(zhuǎn)箱，在壓力空氣作用下，將中轉(zhuǎn)箱污物排放到污物箱中。

中轉(zhuǎn)式真空集便器系統(tǒng)中夾管閥有2 種，如圖5所示。規(guī)格DN20 夾管閥1 個(gè)，用于控制中轉(zhuǎn)箱抽真空管路開(kāi)啟閉合；規(guī)格DN50 夾管閥2 個(gè)，一個(gè)安裝于便器與中轉(zhuǎn)箱的排污管路，用于控制便盆排污管路開(kāi)啟閉合，一個(gè)安裝于中轉(zhuǎn)箱與污物箱間的排污管路，用于控制中轉(zhuǎn)箱排空管路的開(kāi)啟與關(guān)閉。

系統(tǒng)工作循環(huán)開(kāi)始時(shí)，中轉(zhuǎn)箱入口閥和出口閥均閉合，DN20 夾管閥開(kāi)啟，真空發(fā)生器開(kāi)始工作，將中轉(zhuǎn)箱抽至工作真空度，之后DN20 夾管閥關(guān)閉，中轉(zhuǎn)箱內(nèi)保持負(fù)壓。當(dāng)便器沖洗排空時(shí)，出口閥保持閉合，DN20 夾管閥關(guān)閉，入口閥開(kāi)啟，便器內(nèi)污物在中轉(zhuǎn)箱與便器的壓差作用下，抽吸至中轉(zhuǎn)箱暫存。當(dāng)中轉(zhuǎn)箱內(nèi)污物達(dá)到一定量或經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的便器沖洗后，需要對(duì)中轉(zhuǎn)箱進(jìn)行排空，此時(shí)系統(tǒng)關(guān)閉中轉(zhuǎn)箱入口閥，打開(kāi)出口閥，DN20 夾管閥保持閉合，壓力空氣進(jìn)入中轉(zhuǎn)箱，將污物由中轉(zhuǎn)箱內(nèi)排放至污物箱。

在中轉(zhuǎn)式真空集便系統(tǒng)中，夾管閥有2 種工作狀態(tài)，在中轉(zhuǎn)箱為負(fù)壓真空時(shí)，夾管閥為負(fù)壓關(guān)閉狀態(tài)，而在中轉(zhuǎn)箱受正壓排空時(shí)，夾管閥為受正壓關(guān)閉狀態(tài)(見(jiàn)圖1 c)，此時(shí)，膠管同時(shí)承受控制風(fēng)壓與管道內(nèi)正壓的壓力差，若控制壓力過(guò)小或管道內(nèi)正壓過(guò)大，膠管均不能很好的閉合密封。

夾管閥受中轉(zhuǎn)箱正壓(120±10 kPa)關(guān)閉狀態(tài)時(shí)：控制壓力P控-130 kPa≥200 kPa，因而中轉(zhuǎn)式真空集便系統(tǒng)中轉(zhuǎn)箱連接的夾管閥控制壓力應(yīng)大于330 kPa。系統(tǒng)設(shè)定夾管閥控制壓力為420±20 kPa[2]。

圖5 動(dòng)車組中轉(zhuǎn)式真空集便器中轉(zhuǎn)箱進(jìn)污排空示意圖

3 夾管閥主要故障及影響因素分析

夾管閥依靠?jī)?nèi)部膠管的夾緊和回彈實(shí)現(xiàn)控制管路的閉合和開(kāi)啟，考慮集便裝置特有的應(yīng)用環(huán)境和使用特點(diǎn)，影響功能、性能及使用壽命的特性主要表現(xiàn)在密封性、耐疲勞特性、耐腐蝕性和內(nèi)襯膠管強(qiáng)度等方面。

3.1 密封性

密封性是指夾管閥在控制壓力作用下關(guān)閉流體通道，并保持通道密閉的性能。密閉性能受內(nèi)部膠管材質(zhì)硬度、彈性等，以及控制壓力和流體壓力的影響。通過(guò)耐疲勞試驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，因膠管材質(zhì)老化及反復(fù)開(kāi)閉導(dǎo)致材質(zhì)特性變化，夾管閥內(nèi)部膠管回彈力下降，夾管閥不易打開(kāi)或閉合，密封性不能保證，影響系統(tǒng)使用。

3.2 耐疲勞特性

耐疲勞特性是指夾管閥使用一段時(shí)間后仍能保持其密封性能等使用要求的特性。通過(guò)試驗(yàn)研究和實(shí)際運(yùn)用可以發(fā)現(xiàn)，夾管閥的各類故障大多發(fā)生在使用一段時(shí)間后，并且影響因素多與夾管閥耐疲勞特性有關(guān)，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，故障數(shù)量上升[3-4]。夾管閥的耐疲勞特性主要取決于內(nèi)部膠管耐疲勞性能，需要從膠管膠層結(jié)構(gòu)和橡膠材料2個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)。有研究[3]通過(guò)夾管兩端夾布纏繞提高膠管回彈性、膠管中部無(wú)夾布保證膠管柔性，同時(shí)采用天然橡膠和順丁橡膠2 種橡膠配比并用，可有效改善夾管閥的耐疲勞特性。

3.3 耐腐蝕性

夾管閥用于控制排污管路或抽真空管路的開(kāi)啟與閉合，閥體工作介質(zhì)是旅客列車衛(wèi)生間內(nèi)糞便污水及含有糞便腐蝕性成分的氣體。耐腐蝕性主要是耐糞便污水中的尿酸、尿堿及衛(wèi)生間保潔用的清潔用品酸堿性物質(zhì)。衛(wèi)生間集便設(shè)備在日常保潔維護(hù)及定期維修中主要使用弱酸性清洗劑，一般成分是4%草酸或檸檬酸，國(guó)內(nèi)有研究研制新型復(fù)合清洗劑[5]，主要成分包括污垢分解劑、絡(luò)合劑、緩蝕劑及芳香劑等，能夠快速分解尿堿等污垢，并降低對(duì)集便器部件的腐蝕。耐腐蝕性的提高主要依靠零部件的材質(zhì)特性，應(yīng)提高夾管閥部件自身，尤其是內(nèi)部膠管的耐腐蝕性。

3.4 膠管強(qiáng)度

在日常使用和故障維修中，還出現(xiàn)異物在夾管閥膠管中卡死導(dǎo)致夾管閥無(wú)法正常閉合或便器堵塞的情況，如打火機(jī)、鑰匙等異物，并且一般是在夾管閥膠管使用時(shí)間較長(zhǎng)、回彈力下降的情況下發(fā)生。分析此類故障，很大程度上與夾管閥膠管耐疲勞特性相關(guān)。

4 結(jié)束語(yǔ)

夾管閥在不同系統(tǒng)的功能、性能要求等各有不同，結(jié)合試驗(yàn)研究及實(shí)際應(yīng)用情況可以得出，決定性因素是由其膠管材質(zhì)性能決定的耐疲勞特性，應(yīng)不斷改進(jìn)膠管橡膠材料和膠層結(jié)構(gòu)等，保證夾管閥的綜合性能。