基于鐵路工程車的多水箱供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉麗君 鄭立志 馬 凱

(中車四方車輛有限公司 山東 青島 266111)

1 鐵路工程車簡(jiǎn)介

鐵路工程車是為鐵路線路施工、檢修和維護(hù)等工程作業(yè)人員提供生活活動(dòng)的移動(dòng)場(chǎng)所。傳統(tǒng)的工程車一般都是使用淘汰的22型客車改造而成，改造粗糙，生活設(shè)施簡(jiǎn)陋，應(yīng)用環(huán)境較差。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)多個(gè)客車檢修工廠均開(kāi)展了鐵路工程車專業(yè)化研發(fā)工作，實(shí)現(xiàn)就餐、宿營(yíng)、淋浴、洗衣等功能，極大改善了作業(yè)人員的生活環(huán)境。

鐵路工程車按照功能多分為餐宿車、食堂車、淋浴車(生活車)、發(fā)電車等。其供水系統(tǒng)均采用車下水箱和車頂水箱集中供水的布置形式。車頂水箱存在水箱容量小、車輛重心高等缺點(diǎn)；車下水箱存在占據(jù)空間大、單個(gè)水箱設(shè)備重等問(wèn)題。

2020年鄭州鐵路局(以下簡(jiǎn)稱“用戶”)委托中車四方車輛有限公司以RW25G型客車為原型車改造為工程生活車， 從而實(shí)現(xiàn)如廁衛(wèi)生、 洗衣晾曬和16人同時(shí)淋浴的功能。 為了避免傳統(tǒng)問(wèn)題的出現(xiàn)， 研發(fā)了多水箱、 大容量、 多點(diǎn)安裝布置、 同步供水的系統(tǒng)。

本文介紹了多水箱同步供水系統(tǒng)的原理及工程應(yīng)用情況。通過(guò)某工程生活車的總體布置和用水量需求的分析計(jì)算，重點(diǎn)研究實(shí)現(xiàn)6 000 L裝水量的多種供水系統(tǒng)的工作原理，通過(guò)對(duì)比分析得出該車供水系統(tǒng)的適應(yīng)性方案。最后基于總體布置完成給水系統(tǒng)的施工設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了供水系統(tǒng)的試驗(yàn)和驗(yàn)證，確認(rèn)供水系統(tǒng)能夠滿足用戶的需求。

2 生活車總體布局

工程生活車按照功能區(qū)劃分為衛(wèi)生區(qū)、洗衣區(qū)、淋浴區(qū)及設(shè)備區(qū)，如圖1所示。衛(wèi)生區(qū)設(shè)置4間生態(tài)衛(wèi)生間；洗衣區(qū)布置2臺(tái)25 kg工業(yè)洗衣機(jī)和6臺(tái)10 kg洗烘一體機(jī)；淋浴區(qū)布置可滿足16人使用的更衣室及淋浴室。

圖1 生活車平面布置圖

為了實(shí)現(xiàn)整車的均衡需求，車輛平面布置時(shí)將車輛的用水點(diǎn)均布置在車輛的中部位置，而重量較重的水箱、加熱設(shè)備布置在車輛四個(gè)角。

在優(yōu)先保證衛(wèi)生區(qū)、洗衣區(qū)和淋浴區(qū)有足夠的空間外，設(shè)備間的總長(zhǎng)度僅為4 200 mm，為了減少單個(gè)水箱容量，提高水箱的壽命，將設(shè)備間分別布置在2個(gè)車輛的兩側(cè)，共劃分了4個(gè)設(shè)備間。

3 用水量計(jì)算

衛(wèi)生間采用生態(tài)降解衛(wèi)生系統(tǒng)，故整車用水可分為淋浴用水、洗衣用水和洗手用水3個(gè)部分。

3.1 淋浴用水量

為滿足連續(xù)淋浴的需求，按照32人淋浴用水計(jì)算。淋浴花灑通過(guò)冷熱水管將熱水與冷水混合，達(dá)到38 ℃洗浴用水溫度。當(dāng)熱水溫度降至38 ℃時(shí)，所散發(fā)的熱量為Q放=C水m熱(tr-tc)；冷水溫度升至38 ℃時(shí)，吸收熱量為Q吸=C水m熱(tc-tl)，則：

Q吸=Q放

(1)

式中：C水為水的比熱容，為常數(shù)；m熱為熱水的質(zhì)量，kg；m冷為冷水的質(zhì)量，kg；tc為淋浴用水溫度，38 ℃；tr為初始熱水溫度，55 ℃；tl為初始冷水溫度，5 ℃。

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：

m熱=1.9m冷

(2)

根據(jù)GB 50015—2003《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中熱水用水定額可知：公共浴室?guī)Я茉⊙b置，每人每次最高日用水定額用水量為40～60 L[1]?？紤]工程車為特殊用水地點(diǎn)，取最小值40 L為計(jì)算依據(jù)。則32人每天用水總量為：

m熱=1 280 kg/天

m冷=2 432 kg/天

3.2 洗衣用水量

整車洗衣每天用水量具體如表1所示。

表1 洗衣用水量

3.3 洗手用水量

在衛(wèi)生區(qū)設(shè)4個(gè)洗手盆，淋浴區(qū)設(shè)1個(gè)洗手盆。則整車洗手盆的用水量為：

(3)

式中：d為每人每小時(shí)用水量，為1.2 L/次；z為整車的定員人數(shù)，為32人。

計(jì)算可得：m手=230 L/d

3.4 整車用水量

綜上所述，整車用水量如表2所示。

根據(jù)計(jì)算取整后設(shè)定車上水箱總?cè)萘繛? 000 L，即每個(gè)冷水箱容量為1 500 L；根據(jù)成熟設(shè)備選型確定每個(gè)熱水箱300 L。

表2 整車用水量

4 供水系統(tǒng)工作原理分析

根據(jù)需求，供水系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

(1)車上供水系統(tǒng)分為冷水供水系統(tǒng)和熱水供水系統(tǒng)。(2)具備4個(gè)冷水水箱同步供水的功能，且可以相互冗余，任何一個(gè)水箱供水系統(tǒng)故障時(shí)可以單獨(dú)隔離。(3)具備單個(gè)冷水水箱均有的熱水供水系統(tǒng)。(4)4個(gè)冷水水箱不能多于2個(gè)注水口，便于使用。(5)多個(gè)增壓設(shè)備同時(shí)工作時(shí)，應(yīng)避免因增壓壓力及揚(yáng)程不同造成的主管路管壓不均衡的問(wèn)題。(6)為了用水安全，每個(gè)水箱均需要設(shè)置獨(dú)立的排水裝置。(7)在滿足使用要求的前提下，管路施工簡(jiǎn)單，操作方便，便于維護(hù)。

4.1 供水系統(tǒng)原理一

將4個(gè)冷水水箱通過(guò)底部的貫通管串聯(lián)貫通，在兩側(cè)貫通管設(shè)置注水口，在遠(yuǎn)端水箱設(shè)置溢水口；每個(gè)冷水箱配備一個(gè)增壓泵，4個(gè)冷水增壓泵(M1)通過(guò)冷水主管路并聯(lián)；每個(gè)熱水箱配備一個(gè)增壓泵；4個(gè)熱水增壓泵(M2)通過(guò)熱水主管路并聯(lián)。

注水時(shí)，通過(guò)任意一側(cè)的注水口向貫通管注水，遠(yuǎn)端水箱通過(guò)水箱底部的貫通管溢水實(shí)現(xiàn)注水，當(dāng)遠(yuǎn)端水箱溢水時(shí)，表示4個(gè)冷水箱注滿。

供水時(shí)，4個(gè)M1水泵同時(shí)開(kāi)啟或開(kāi)啟任意一個(gè)時(shí)，均可以給冷水主管路供水，同時(shí)也可以給任意一個(gè)熱水器供水。4個(gè)M2水泵同時(shí)開(kāi)啟或開(kāi)啟任意一個(gè)時(shí)，均可以給熱水主管路供水，如圖2所示。

圖2 供水系統(tǒng)原理一

圖3 供水系統(tǒng)原理二

該工作原理的優(yōu)點(diǎn)為:(1)4個(gè)水箱充分連通，注水速度較為均衡。(2)每個(gè)冷熱水箱均配置一臺(tái)增壓泵，系統(tǒng)冗余大，提升系統(tǒng)的可用性。

該工作原理的缺點(diǎn)為:(1)4個(gè)水箱串聯(lián)，故障隔離時(shí)操作復(fù)雜，且容易阻斷底部串聯(lián)結(jié)構(gòu)。(2)冷、熱水主管路全車貫通，因各用水點(diǎn)距增壓泵的距離不同，會(huì)造成管路內(nèi)壓力不一致，會(huì)出現(xiàn)水泵無(wú)法同時(shí)工作。(3)全車使用8臺(tái)水泵，增加設(shè)計(jì)成本，且系統(tǒng)的故障率增加。

4.2 供水系統(tǒng)原理二

將4個(gè)冷水水箱通過(guò)底部的貫通管并聯(lián)貫通，在兩側(cè)水箱設(shè)置注水口，在遠(yuǎn)端水箱設(shè)置溢水口。每個(gè)冷水箱配備1個(gè)增壓泵，4個(gè)冷水增壓泵(M1)通過(guò)冷水主管路并聯(lián)；冷水主管路中部設(shè)置截?cái)嗳T(mén)，將淋浴區(qū)與洗浴區(qū)的用水分開(kāi)；每端熱水箱配備一個(gè)增壓泵。2個(gè)熱水增壓泵(M2)通過(guò)熱水主管路串聯(lián)熱水主管路中部設(shè)置截?cái)嗳T(mén)，將淋浴區(qū)的16個(gè)淋浴劃分為2個(gè)供水區(qū)。

注水時(shí)，通過(guò)任意一側(cè)的注水口向水箱注水，遠(yuǎn)端水箱通過(guò)水箱底部的貫通管溢水實(shí)現(xiàn)注水，當(dāng)遠(yuǎn)端水箱溢水時(shí)，表示4個(gè)冷水箱注滿。

冷水供水方式為：主管路中間截?cái)嗳T(mén)關(guān)閉時(shí)，當(dāng)一位端M1水泵同時(shí)開(kāi)啟或開(kāi)啟任意一個(gè)時(shí)，可以給冷水主管路半路供水，同時(shí)可以給該端任意一個(gè)熱水器供水；另一端工作亦然。當(dāng)任意一端的M1水泵故障時(shí)，可以將中間截?cái)嗳T(mén)打開(kāi)，整車?yán)渌鞴苈坟炌ǎ瑵M足用水需求。

熱水供水方式為：主管路中間截?cái)嗳T(mén)關(guān)閉時(shí)，當(dāng)兩端M2水泵同時(shí)開(kāi)啟時(shí)，可以給各自的熱水主管路半路供水。當(dāng)任意一端的M2水泵故障時(shí)，可以將中間截?cái)嗳T(mén)打開(kāi)，整車熱水主管路貫通，滿足16個(gè)淋浴位熱水需求，如圖3所示。

該方案解決了原理一的部分問(wèn)題，但是存在以下缺點(diǎn)：

(1)冷水箱并聯(lián)，4個(gè)水箱依靠連通管貫通，二位角水箱僅靠連通管及供水管與大氣相通。在注水壓力較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二位端水箱已經(jīng)滿水，而一位端水箱未注滿的情況。

(2)二位角水箱僅靠連通管及供水管與大氣相通，會(huì)出現(xiàn)排氣不暢現(xiàn)象。

(3)使用一側(cè)注水管注水時(shí)，另一側(cè)注水管可能會(huì)產(chǎn)生虹吸。

4.3 供水系統(tǒng)原理三

在原理二的基礎(chǔ)上，除了一位角水箱設(shè)置溢水管，其他3臺(tái)水箱增加排水管，并將一端兩水箱的頂部連接，形成高位連通。將各截至點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)的截?cái)嗳T(mén)或單向閥，如圖4所示。

圖4 供水系統(tǒng)原理三

該方案解決了注水過(guò)程中的排氣不暢問(wèn)題；緩解了注水不同步的問(wèn)題；避免了虹吸現(xiàn)象的產(chǎn)生。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 系統(tǒng)組成

供水系統(tǒng)由水箱、加熱設(shè)備、增壓設(shè)施、管路4個(gè)主要部分組成。

為保證水箱容積，冷水水箱設(shè)計(jì)為立式安裝結(jié)構(gòu)，底部與車體底架采用螺栓連接，側(cè)面與端側(cè)墻輔助螺栓固定(見(jiàn)圖5)。

圖5 設(shè)備間安裝剖視圖

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和安裝空間的需求，加熱設(shè)備選用了成熟的分體式空氣能熱泵產(chǎn)品，室外機(jī)安裝在底架下方，負(fù)責(zé)加熱。水箱安裝在設(shè)備間，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)熱水，并具有電加熱的功能。

所有車內(nèi)管路布置在頂板、側(cè)墻板內(nèi)側(cè)，提升室內(nèi)美觀效果。

5.2 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)工程生活車進(jìn)行了注水試驗(yàn)、水泵控制試驗(yàn)、水壓試驗(yàn)、給水加熱試驗(yàn)、淋浴試驗(yàn)、故障模擬試驗(yàn)等，所有工況注水可以實(shí)現(xiàn)同步注滿水箱，所有用水點(diǎn)的水壓均在0.03 MPa以上。

6 總結(jié)

多水箱同步供水系統(tǒng)采用了串并聯(lián)結(jié)合的方式?？梢蕴峁﹩蝹€(gè)水箱供水、2個(gè)水箱供水和多個(gè)水箱供水的方式?？梢詫?shí)現(xiàn)一個(gè)注水口多水箱同步注滿的功能?？梢越鉀Q多個(gè)增壓設(shè)備同時(shí)工作時(shí)主管路管壓不均衡的問(wèn)題。

通過(guò)車輛總體布置的再均衡分析和用水量計(jì)算，進(jìn)行了多個(gè)供水原理的論證，最終確定多水箱、同步供水系統(tǒng)的工作方案。通過(guò)在鄭州局工程生活車、上海大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用檢修段工程車等多個(gè)實(shí)際工程應(yīng)用和試驗(yàn)驗(yàn)證，確定供水系統(tǒng)滿足用戶需求，應(yīng)用效果突出。

本文介紹的多水箱同步供水系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)鐵道車輛中尚屬首例，填補(bǔ)了多水箱同步供水的技術(shù)空白。該設(shè)計(jì)在提高鐵路車輛水箱容積的技術(shù)上，有效降低了占用空間，為車輛的布置提供了極大的便利，具有較好的推廣意義?！?/p>