（环境工程专业论文）气动节水客车厕所的研制及相关问题的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘 要 卜怔文介绍了课题组开发的一种新型客车厕所气动推拉式环保节水客车厕所。 气动式环保节水客车厕所是从中国国情出发，属国内首创，对现有车辆的改造量小， 安装方便。) 浚厕所利用客车上固有的压力气源，采用无泵加压装置，给冲厕水加压， 达到节水的目的；实行全自动控制，操作简单、使用方便：采用集便式，利用集便箱， 1 1 1 i ) 4 f j , i k 集，集便箱采用了防振和保温措施，适用于在全国各地运行的提速和高速列 车上安装、推广使用。 研制出的气动推拉式环保节水客车厕所经过安装在武昌一深圳的客车上试运行， 性能稳定可靠，能达到以下性能指标6 客车固有气源( o 4 o 8m p a ) 和水源( 压力 为0m p a ) ，耗气量 6 升次，耗水量 o 5 0 9 升次。冲洗时间约为3 秒次，每个冲 洗循j 种- i j 隔时问 6 0 秒，系统f 常使用的气压范围宽( 为o 4 o8 m p a ) ，并目口径大， 密封性能好，能顺利排出象报纸、卫生巾等旅客废弃物。) 。 ，、 笫三章讨论了车辆系统在路面不平顺的平稳随机激励下的响应。并且通过计算机 软件m a t l a b 来进行振动分析，介绍了线性随机振动分析的具体方法和步骤，根据 控制原理，从时域和频域，利用m a t l a b 来进行振动分析和仿真。得出了客车车体 沉浮、点头振动最大加速度的曲线，通过比较安装气动推拉式厕所自后的曲线，得出 了气。力推拉式厕所的安装不影响客车运行平稳性等级的结论。为环保节水厕所的重量 限制，悬挂点和方式的选择对客车振动的影响提供了一种便捷的振动分析工具和方 法。 销四章针列+ 无泵增压装置中的压力气体给水加压产生气液混相流动的机理，运用 两相流理论，分别由初始条件，得出了气源压力与冲厕水压力、气源压力与耗气量之 。门关系式。为设计和改进此装置，提供理论指导。易7 r 建键词：气动推拉式厕所随机振动 m a t l a b 振动分析疑重复耍巧 无泵增压装置荫相流 f 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = # ；= = = = = = = # = = = ；= = = = = 一 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e san e wt y p ep a s s e n g e rt r a i nt o i l e 卜一a i 卜i m p e t u sp u s h a n dd r a u g h tt y p ee n v i r o n m e n t a lt o i l e tw h i c h c a ns a v ef r e s hw a t e r i ti sd e v e l o p e di nf i r s t t i n l c a n ds u i t st ot h es i t u a t i o no fo u rc o u n t r y i tc a l l b ei n s t a l l e do i lt r a i n sc o u v e n i e n t l y w i t l r o u tn l u c l lr e c o n s t r u c t i o n t h et o i l e tm a k e s u s eo f p r e s s u r i z e da i rs o u r c eo f t h et r a i na n d g u i d e si t i n t of l u s he q u i p m e n tt oi n c r e a s ep r e s s u r ew i t h o u tp u m p i n g ，t h u si tc a n s a v em u c h w a t e ri tw o r k s a u t o m a t i c a l l y , a n d i sc o n v e n i e n tt ob e o p e r a t e d b e l o n g i n g t o c o l l e c t i n g f e c e st y p e ，i t c o l l e c t sf e c e si l la f e c e sb o x ，w h i c hi sd e s i g n e dt o a l l e v i a t e v i b r a t i o n sa n dp e r s e v e r eh e a t s i tc a l lw o r kw e l lo nq u a s i h i g hs p e e do rh i g h s p e e dt r a i n s a n di sp r o m i s i n gt ob eu s e da l lo v e rt i l ec o t m t r y o u re x p e r i m e u t a la i r - i m p e t u sp u s ha n dd r a u g h tt y p ee n v i r o n m e n t a lt o i l e t sh a v e b e e ni n s t a l l e do nt h ep a s s e n g e rt r a i nb e t w e e nw u c h a n ga n ds h e n z h e n a f t e rr u n n i n gf o r s e v e r a lm o n t h s i ti ss t i l ls t e a d i l yi nw o r k w i t ho 4 0 8m p aa i rs o u r c ea n d0m p a w a t e r s o u r c e ，t b et r a i n sf i n dt i l et o i l e tw o r ks u c c e s s f u l l y ：t h ea i re x p e n s el e s st h a n6 lp e ru s a g e ， w a t e l i se x p e n s e d0 5 o 9 lp e ru s a g e t h ef l u s h i n gt i m el e s st h a n3s e c o n dp e ru s a g e ，t i l e i n t e r , r a lb e t w e e nt w ou s a g e sc a l lb es h o r t e di n6 0s e c o n do rl e s s t i l es y s t e mc a l lw o r kw e l l i nw i d ep r e s s u r es c o p e ( o 4 0 8 m p a ) ，i t so u t p u ta p e r t u r ei sb i ge n o u g ht od i s c h a r g ea s l a r g ea st r a s ho f n e w sp a p e r , s a n i t a r y t o w e l t h e3 “c h a p t e rd i s c u s s e st r a i nr e s p o u s e su n d e rt h es t e a d yr a n d o mi n p u to ft h e r o u g h n e s so fr a i l w a y t h ep a p e ra n a l y z e st h ev i b r a t i o ni nu s i n gm a t l a b ，i n t r o d u c e s t i l e a p p r o a c ha n dp r o c e s so fl i n e a rr a n d o mv i b r a t i o na n a l y s e s b ym e a n so fm a t l a b ，t h e m a x i n l u n la c c e l e r a t i o nc u r v e so ft r a i n b o d y su p sa n dd o w n sa n dn o d d i n gv i b r a t i o n i s r e s u l t e d c o m p a r i n gt h ec u r v e so f t r a i n sw i t ht i l et o i l e tt ot h o s ew i t b o u t ，w ec a nd r a wa c o n c l u s i o nt h a tt b ei n s t a l l a t i o no fa i r - i m p e t u sp u s ha n dd r a u g h tt y p ee n v i r o n m e n t a l t o i l e t sd o e sn o ta g g r a v a t et h eg r a d eo ft r a i nd y n a m i cs t e a d i n e s s t h i sp a p e rp r o v i d e sa 华中科技大学硕士学位论文 _ _ =目_ t ；= = = = = = ；= # = = = = = = = = = = = = = = = c o n v e n i e n tm e t h o da n dw a yt oa n a l y s i sv i b r a t i o n i tw i l lh e l pt od e t e r m i n et h ew e i g h to f e n v i r o n m e n t a lt o i l e ta n di t ss u s p e n s i o np l a c e m e n t t i l e4 mc h a p t e rd e d u c e st h ee q u a t i o n so fr e l a t i o nb e t w e e np r e s s u r e so fa i rs o u r c ea n d q u a n l i t yo f f l u s hw a t e r , a n db e t w e e np r e s s u r eo fa i rs o u r c ea n di t se x p e n s e i tp r o v i d e st h e t h e o r e t i c a lg u i d e l i n e st od e s i g na n d d e v e l o p t h ee q u i p r n e m k e yw o r d s ：a i r - i m p e t u sp u s ha n dd r a u g h tt y p ee n v i r o n m e n t a lt o i l e t r a n d o u lv i b r a t i o nm a t l a bv i b r a t i o ns i m u l a t i o na n d a n a l y s i s f l u s h i n ge q u i p m e n t t oi n c r e a s ep r e s s u r ew i t h o u tp u m p i n g t w o p h a s ef l o w 华中科技大学硕士学位论文 l 绪论 旅客列车( 以下简称客车) 的提速、环境污染问题同益突出、人们对环境意识的 增强呼唤环保客车厕所的诞生。国外已经普遍使用环保客车厕所，国内客车的厕所基 本上沿用直接排放式厕所，已经使用的环保客车厕所大都来自进口。为了保护环境、 发展民族工业，我们着手研制气动推拉式j ；i = 保节水厕所系统。并利用成熟的民用真空 删所技术，设粪便真空收运系统。2 0 0 1 年1 2 月，铁道部郑州铁路局武昌车辆段和 教听主签订合同，合作丌发气动推拉式环保节水厕所系统。2 0 0 2 年5 月，教研室完成 。实验室阶段的实验和研制工作，制备了2 套试制品，可安装在一节车厢。同年1 0 月， 完成厕所系统在客车上的安装，并丌始投入运行使用。经过在武昌至黄石段试运行后， 厕所系统性能稳定，能够到达合同中规定的要求。然后，把安装了此厕所系统的车厢 编挂刮武昌至深圳的客车，经过运行使用，此厕所系统能满足长途客车上运行的需要。 f 而淡陵丌发气动推拉式环保节水厕所系统的国内外背景： i 1 列车厕所的发展现状3 5 l 铁蹄客车厕所是应旅客的需要而设，是一个从无到有的过程。随着列车的提速和 人们对环境卫生的重视，铁路客车厕所由直接排放式( 简称直排式) 发展为集便式。 我国铁路客车厕所陋处于这个发展阶段，现在安装的集便式厕所几乎全部依赖于进 i = ：| 。闳外铁路客车厕所已经由集便循环式向集便真空式厕所过渡。 日f j i 国外集便式厕所可分为循环式和真空式。真空厕所大致分为真空保持式、真 窄推拉式阴种主要形式。 循朋：式是通过在污物中添加化学物品，利用污物循环冲便，可以节约用水。但我 国现在广深线运行的装用循环式厕所的列车，乘客反映臭气太大，无法接受。又因施 加了化学物品，给粪便的后期处理带来了不必要的麻烦。 汽。己式厕所具有节水( 每次冲厕用水为0 2 5 1 o l 左右，等同l 杯水量) 、卫生无 疑7 气( 育专门的阀防止下水管道的臭气窜进厕所) 等优点，但其阀件和管道内经较小， 华中科技大学硕士学位论文 + 需要：喂客文明用厕，勿将象报纸、卫生巾等大块废弃物扔入厕所内部。 旧外铁路客车厕所已经普遍采用真空厕所1 1 3 1 。我国几条铁路干线也已经引进一些 旧外列车真空厕所。其工作原理为污物通过排泄阀直接从便器抽到一个具有一定负压 的污物箱内，系统的一端接5 0 0 1 0 0 0 k p a 的压缩空气源，通过空气喷射器将污物箱抽 成3 0 一一4 0 k p a 的负压，压力调节器自动使污物箱保持正常的负压状念。每一节车厢的 厕所为一个系统，安装有集便箱和排泄阀。而且在地面需要配污物回收系统。当停车 时，几_ 把每节车厢的排污阀和地面排污管道连接，使车上的污物排泄。其对污物箱 制作f ”7 格、安装上较真空推拉式复杂、价格昂贵( 价格高达1 7 万元，台) 、污物地面回 l 恢系统需要在车站铺设大量的复杂的管道，占地面积大、初投资巨大、轰要配置大量 地| i i 人啦。优点在于单个部件在们置上较灵活，并易于维修。 内如果全部购买外国的设备会有巨大的经济压力，如进口水封系统中很多具体 特蛛结构的零部件，国内市场上几乎无处可购，而从原厂商处购买价格又相当昂贵， 这刈今后的维护及保养是个很大的障碍，也是急需解决的一个问题。如果模仿国外设 备，需要较长的研制过程，没有自己的独立的知识产权，而且粪便从罐中排放和处理 的汁多后续问题，没有技术保障，还得认真研究。 如粜购买因外技术，需要花重会来购买国外专利。仿制国外产。铺，这是有关知以 ，权叫腿，另外还需要花费大量的精力和费用来研究。 我们从中固国情出发，自行研制推拉式环保节水厕所，这在国内外尚属先例。 1 2 气动推拉式厕所系统研究意义 【乏= 圳以来我国列车上使用的是直接排放式厕所，粪便排放在路轨上，造成环境污 染。l q q 7 年底在环形铁道上作2 0 0k m h 及以上速度运行试验时，在不同的速度级下， 川川，i = f 【页f 到不同颜色的仿排泄物，在速度超过1 6 0 k m h 时，即发现仿排泄物被甩到破 j 离宵卜，甚至甩到车顶上1 1 1 。 “排式厕所，运行中产生的排泄物不经任何处理直接排向车外，随着列车高速运 行粪使呈雾状飞出，污染车厢表面，腐蚀车体及车辆走行部，使走行部的部件生锈、 脱渐，使用寿命缩短。同时也给车辆维修造成不便。排泄物污染线路及周围上不境，使 华中科技大学硕士学位论文 环境遭到破坏，隧道异味增加，给工务部门线路维护造成困难。尤其是站台上水设备 遭到粪便污染，使列车饮用水细菌总数及大肠杼菌严重超标，许多肠道致病菌借助火 车这一流动性载体而传播，严重危害了旅客健康。此外，直排式厕所是靠水箱中的水 冲洗污物，耗水量较大。由于水箱容量有限，车辆运行途中常因缺水不能冲沈，使厕 所异昧增大，直接影响了旅客的旅途环境。近几年，随着列车的提速高速列车即将 丌通，格直排式厕所改为集便式己势在必行【6 | 【7 1 。为了解决上述问题，我们从密封性 和环保卫生考虑，研制开发环保节水( 集便式) 厕所。 铁道部门不希望对厕所和车下的布局作较大改动，考虑到旅客列车的振动大、安 全性要求高等特点，推拉式厕所口径大，密封性能好，能顺利排出象报纸、卫生巾等 旅客废弃物，适合当前中国国情。旅客文明程度提高，将有利于集中真空式、喷射真 ，；! 式j q ：保节水厕所的丌发和使用。 当i u 列车普遍提速，迫切需要将列车上的直排冲水厕所改造成环保节水厕所。固 幽内现行提速客车的速度普遍在1 6 0k m h 左右，速度在2 0 0k m h 以上的客车，为高 速列年，国外高速列车速度普遍为3 0 0 k i ：r d h 左右。我国客车有很大的提速空间。在列 车止用环保节水厕所，粪便收集在集便罐内，保护了环境，每次用水量大为节省( 少。 j 二i 0 升次) ，并且克服了客车停站时厕所不能使用的弊端。随着旅客文明程度和人 们_ i 活质量的提高，环保节水厕所必然要取代现行的直排式厕所，并且浚系列坏保节 水删所还可以在轮船、长途汽车推广使用。 1 3 本文的主要工作及其创新 本文介绍了课题组与武昌车辆段合作研制的气动推拉式新型环保节水客车厕所。 因为客车垂直和横向的最大加速度是检验客车安全、舒适度的重要指标。对安装了环 保1 ，水厕所后的客车安全问题，铁道部门非常重视。本文就客车振动问题进行了分析： 该0 斤型节水厕所采用无泵增压装置给冲厕水增压，本文就其两相流问题进行了探讨； 下丽就在这几个方面的工作进行简要介绍。 i3l 气动椎拉式新型环保节水客车厕所 和真空厕所相比具有自身优点，同样适合在提速和高速客车上使用。该厕所和真 华中科技大学硕士学位论文 宁厕所性能比较见表1 一l 。 气动摊拉式厕所系统真卒劂所系统 川水量 05 09 l 次02 5 05 l 次 允许污物直杵1 2 0 r a m 4 5 r a m l t 造量使器可以沿用客币原有便瓣，改造羹小需要改用全新的便 | 、输送管道、真窄产生、 i ! = = 衙设备 | 圭稀成小低，牟部罔产化扁恭本依靠进u 冲水世箭用窖下州仃气源给冲洗水增骶增压水泵或水增压 | 拧制部分彻单需要增加对真空泵和水增j k 器的控制 e l u 遗无需动j j l u ， e i u 少机械真空泵，冲洗水增压泵耗j u 量人 次丌1 恻l e7 飞量 6 川气体喷射措产生真窄需2 5 州左右 【啪i 浊砧j t 下) _ 裂r 作蹙结构简单、尘驶方便、工作量小结构复杂、安漱困难、工作量人 1 巩f | l 漏问题要求小商对系统密封性要求j 荔，捡潺、胁漏t 作翳瑚 斑他钔容积( 每节6 0 0 8 0 0 升6 0 0 升左右，还需真空贮稀罐( 4 0 0 5 0 0 升) 乍m l 一个l i 生问) 1 ) 集便箱的设计 该厕所解决了集便式厕所基本技术难题：如集便箱的悬挂和防振，污物防冻等问 题。充分利用有限空问，既使集便箱容积能满足客车使用2 4 小时的需要，丽且使集 便箱的悬挂符合铁路技术管理规程对机车车俩下部限界的要求。 2 ) 咒泵增压装置的研制和完善 l 于列车水箱内无压力，水自流进入便器，速度低，不利于冲洗便器壁上的污物， 难以达到节水的目的。通常的方法是用增压水泵来提高冲厕水压力，达到较好的冲厕 效粜。增压水泵一般有机械泵和膜板式水泵两种。采用机械泵时，为了避免因频繁用 川，机械泵频繁启动，一般配有增压水箱。采用增雎水泵给冲厕水加压，通常机械运 动 ；= 部件多、结构复杂、占用空间大。 气动推拉式厕所采用无泵增压冲水装置，利用客车上固有的压力气源给水加压， 这样省去了水泵，并可以节省用电，减小故障率。 l 3 2 客车振动m a t l a b 仿真分析 车辆振动是多激励、多自由度系统的随机振动。本论文将讨论车辆系统在平稳随 4 华中科技大学硕士学位论丈 = # = = = = ；= = = = = = ；g = = ；= = 一一 机激励f 的响应。并且通过计算机软件m a t l a b 来进行振动仿真分析。文中通过分 析比较安装气动推拉式厕所前后最大加速度曲线，得出了气动推拉式厕所的安装不影 i 箨乍运行平稳性等级的结论。 1 3 _ 3 无泵加压装置的两相流问题的探讨 j 压力水冲麒i 单向阀2 主水管9 水拴霸 卧- t 无赢增压种水虢置转槐嘿理匝 无泵增压装置通过压力气体给水加压，使冲厕水 阱较高的速度来冲便，以达到节水的目的。压力气源 压力、贮水管的管径、贮水量、管材的选择将直接影 f 们到冲便效果。这几个参数的选择，它们与冲厕水水 量、含气率、压力之间关系，是复杂的气液两相流问 题。如图1 一l ，无泵增压冲水装置内的空气水的流动 属于垂直向下的气液两相流动。 文中通过对无泵增压装置中的两相流问题进行理 沦分析，由初始条件，分别得出了气源压力与冲厕水压力、气源压力与耗气量之间的 关系， 华中科技大学硕士学位论文 2 气动推拉式客车厕所系统 和武汉铁路昌茂工业公司联合研制的气动推拉式厕所，属于节水集便式厕所。经 过安装在武昌深圳的客车上试运行，性能稳定可靠，操作简单，维护方便，适合 、与胁1 _ i _ i 国国情。 2 1 气动推拉式厕所 2 1 1 作原理 如图( 2 - 1 ) ，在便器与集便箱1 3 之间安装推拉器1 2 ，利用列车上固有的动力源 ( 压力空气) 推动活塞运动，当活塞往左移时，污物进入推拉器1 2 ；当活塞1 2 b 往前 进叫，污物被推入集便箱1 3 中。 山于列车水箱内无压力，水自流进入便器，速度很低，不利于冲洗便器壁上的污 物，难以达到节水的目的。现设置水增压系统( 由单向阀、减压阀等组成) ，该水增 压系统的一端接车顶水箱的水源，另一端接压力空气，当踏下脚踏丌关( 图中未标出) ， 气控阀2 动作，压缩空气经气控阀2 ，分成二路： 1 ) 动气缸1 2 a ，使推拉器活塞1 2 b 向左移动，粪便由便器流入集便箱内； 2 ) 沈水经水增压系统加压，使其中的水- - g g 分经电磁水控阀1 1 、点式冲水装置 8 急速喷出，冲洗便器壁面( 由于单向阀的存在，高压水不会倒流水箱) 。用 水量完全取决于主水管的容积和电磁水控阀的延时时间，以达到节水目的。 无论踏下脚踏丌关多长时间，气控阀延时一定时间( 可预先设定) 后自动松开， 两路气流状况如下： 1 ) 动气缸1 2 a ，推出活塞1 2 b 右移，将污物推入集便箱1 3 ，即便器出口关闭； 2 ) 控阀2 断路时，电磁水控阀1 1 按设定的时间延时关闭水源，贮水管1 7 内的 水重力下降，使便器1 l 内保留少量的水，形成水封，有利于下一次便器排污、 隔离车内外空气、防集便箱1 3 的臭味回流；主水管9 与压力空气断丌，贮水 管17 内气压与外界相等，此时水箱内的水经单向阀8 自流充满主水管9 ，山 l i - b 完成一轮工作的循环。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 = = = = = = = 一一= = 气缸1 2 a 活塞进退的排出的余气均被引入推拉器1 2 前端气管，用以冲刷此处污物。 图2 - 1 系统 ：作原理图 2l2 系统组成 系统的组成：由蹲便器1 、推拉器2 、集便箱3 、真空抽吸器4 、脚踏开关5 、 粪便 真空抽吸 丽淮叫莉磊丁卜一 真空抽吸系统 l 藿甲 上三l - 一接列车水箱 哮烈挚黧瓣 l 乘客踏f 川十2 “1 “工ou 刈6 卅8 控制柜6 及气路、水路、电路等部分组成，如图( 2 2 ) 。 其h 1 、4 、5 均安装在厕所内，2 、，安装在列车厕所下方。真空抽吸系统另设 在车站内。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 ，1 ，3 系统的结构布置 系统的结构柿置，如图( 2 3 ) 。本系统为模块化设计，安装简单。下面分别介绍 系统的几个部件： 勿亡：_ ，溥格摊k 。 蓝ili 嗡毒嵛、 l t n 卜d 肼p i ) 一ll i1 _ 舴= - - 一 一盥l 控划拉 、塑垫匿鐾曼 _- 厕1 过 道 厕2 r 推拉器 上! ， 点式净球装量 新增檀铜 昕增槽钥、j 甚e ( 一便器 o _ 、，、岢 j 鞋照箱 1 u 厂p 工呵强掣厂1 h q 多婶弋 。卜扣节 彩一“镶轨“删嫡溢挲澜鞫 。，s s t l i l s s # i l j 鞋基篁 、 1 1 壁韭殛羞 惭舞 、括稿y 齐瞄 华中科技大学硕士学位论文 勾满足1 0 8 名旅客2 4 小时排便用量要求。计算集便箱容积为： v = ( o 2 7 + 0 8 ) 1 5 l 2 4 = 3 8 5 2 4 0 0 升 集便箱( 见图2 4 ) 的设计如下： 1 、集便箱尺寸1 0 5 0 r a m 7 5 0 m m x 6 0 0 m m ，有效容积为4 0 0 升，两个共8 0 0 升。 2 、两个集便箱用软管连接，每个集便箱一侧安装有排便口，并有盖封住，抽便时旋 丌蔬，接上抽吸管，即可将粪便吸入粪车内运走。两个箱子每次抽便时问为5 分钟。 i 芏| 2 4 集便箱结构图 3 、粢便箱内设有电加热管、温控器，低于l 时加热，高于i o 时，停止加热。+ 集便箱外加保温层，材料为聚乙烯发泡材料，厚度为2 0 咖，保温层外附上保护层。 箱体的内胆材质为不锈钢，6 = 2 i n m ， 箱体的外壳的材质为碳钢，6 = 3m i l l ，外涂防锈漆和面漆 4 、内胆与外壳之间用加强筋相连。吊耳固定在加强筋上。通过吊耳，用螺栓固联吊 装在新增槽钢上，这种方式方便安装和拆卸。 5 、集便箱内设防荡板，箱内分成四个腔，以控制粪便及污水的激荡和冲击。 华中科技大学硕士学位论文 6 、集便箱设有溢流管，当集便器装满时，可继续使用。 7 、集便箱设有冲洗器和排污口。可用于集便箱的清洗。 8 、安装符合铁路技术管理规程对机车车俩下部限界的要求。 铁路技术管理规程规定，客车中相互连接的车钩中心水平线高度差不得超过 7 51 1 i i l l ，同一车辆车钩中心线高度差不得超过1 0m m 。 静i j = 时，当2 个集便箱中装满水后，经测量，车钩比悬挂前下降1 0 m m 。 2 个集便箱满载时重为1 3 吨，而且悬挂在客车的端，车钩会对客车的动力学 性能产生一定的影响，第3 章将对该振动影响进行分析。 2 ) 无泵增压装置 对原有厕所改造工作量比较小。蹲便器和卫生设备基本上保留。只是把无压供水 改为平时无压，工作时加压，以便冲刷有力，达到节水目的。 无泵增压装置由气控阀、单向阀、主水管、电磁水控阀等组成，如图( 2 1 ) 。第 4 章剐其压力气体对水加压机理的两相流问题进行了探讨。 3 ) 点式冲水装置 4 i 用蹲便器内原有的环形多点式供水通道，由尼龙管道代替，改为点式冲水。蹲 便器总成幽不锈钢蹲便器、冲水环和点式冲水头等组成，如图( 4 2 ) 所示。它的作用 是集中加压后的水来冲厕。 4 ) 控制部分 采用气、电控制相结合，对冲水，排便过程实行控制，水、电、气控制装置都集 ，p ? 受装在控制柜内，控制柜布嚣在厕所的一角，结构比较紧凑。控制柜出气控阀、调 压阀、电控盒等组成，完成给水加压、控制水延时、推拉器工作、故障报警等工作内 容， 21 4 系统调试 涧试应在专业人员指导下进行，乘客不得任意调试。 1 ) 一次冲沈水量( 冲刷水) 的调节( 见图2 5 ) 且亘过调节控制板上的调压阀和电控盒上的“气控阀”来调节次冲沈水量。 华中科技大学硕士学位论文 i 、调大一次冲洗水量：顺时针调节调压阀，使冲水压力增大( 压力应小于 o 3 m p a ) 。逆时针调节“气控阀”，使冲水时间延长( 两次踏下脚踏开关时间问 隔应不小于3 0 秒) ； a 1 小一次冲洗水量：逆时针调节调压阀，使冲水压力减小。逆时针调节“气 控阀”，缩短冲水时间。 2 ) 二次冲洗水量( 水封水) 的调节( 见图2 5 ) 可以通过调节控制板上的调压阀和电控盒上的“水控阀”来调节一次冲洗水量。 i 、测人一次冲洗水量：逆时针调节“水控阀”，使整个冲水时间延长； 2 、凋小二次冲洗水量：顺时针调节“水控阀”，使整个冲水时间缩短。 卜述两次冲沈水量的最大容量只是管容积，当通过调节不能满足要求时，请与设 计部门联系。 水揎阏气控润 够函 生控盒正面匿量控盒监垂里 图2 5电控盒 2 ，1 5 系统使用 1 ) 乘客如厕完毕，踏下开关，推拉器活塞收缩，粪便随着加压冲刷水送入推拉器入 口，随即被推拉器推入集便箱内，完成一轮循环。两次冲水使用间隔时间约3 0 秒， 否则由于补水量不够，而影响冲洗效果。 2 ) 每次用水o 3 一o 5 升，开启时间3 一l o 秒，调节控制箱内的调节钮可将用水量柑 j 下启时问调节至所需要的值； 3 ) 乘客踏下放在门边的丌关，无论踏多长时间，都会按系统预设值冲水和排便，而 不i b 乘客的脚踏时间决定； 华中科技大学硕士学位论文 4 ) 指示器绿灯亮时，说明机构工作正常；若推拉器不能正常工作，则( 限位) 报警 器红灯亮，报警提醒暂停使用，应及时维修； 5 ) 便衍安装有保温层、加热器、温度传感器，保证罐内粪便不冻结，且用电少； 6 ) 车衲回到始发站，用真空抽吸器将粪便抽出。始发站上的真空收运系统设有快速 拔；，能与集便箱上接口快速连接，打开阀门，可将粪便快速抽出；抽空后，自动莞 闭粪便接口； 7 ) 禁止将报纸、卫生巾等难容于水的大块废弃物扔进便器中； 8 ) 在系统工作时，严禁将手脚伸入推拉器内，防止活塞运行时，切伤手脚，小孩上 厕j 万应由大人带好； 9 ) 集便箱的使用 i 、抽出粪便：将真空站抽便管通过快速接头接上集便箱的抽便口： 2 、清沈：用自来水管接集便箱的冲洗管，接通自来水，打丌排污阀，冲洗后排放 冲泐水。 2 2 厕所对列车用风的影响分析 1 目为客车的压力气源是用柬维持制动系统的砥常运行。当气源压力不足时，制动， 制动机构将自动抱闸，客车不能行走。转向架上装有空气弹簧，在减小客车振动时起 l 尼作j 1 j 。空气弹簧备有1 2 0 升的空气弹簧储风缸，可以为空气弹簧直接供风，可以 避免行：乍中因主风管的压力波动，影响空气弹簧的功能。下面回答气动推拉式厕所的 用风是否会影响客车的制动系统的正常运行的问题。 汁馆用厕时对列车用风的影响： 每次用厕时耗气量为5l ，冲厕时问为3 5 s 。设列车有1 8 节车厢，如用韶山4 型 l 乜j j j 【车，空压机的总生产能力为6 0 0 0l m i n l 2 4 1 。 1 ) 惶列列车所有厕所同时使用冲水的极限状念下： 1 、计算厕所总耗气量： 5l 3 5s x 2 个厕所1 节车厢1 8 节6 0s m i n = 3 0 8 6l m i n 2 、车辆总耗气量为： 华中科技大学硕士学位论文 厕所总耗气量+ 原空气总消耗量= 3 0 8 6 + 2 5 3 1 = 5 6 1 7l m i n 6 0 0 0l m i n 即小于机车空压机的总生产能力，而且这种情况出现的概率为： ( 3 5s 次1 5 次小时3 6 0 0s t , i , 时) 3 6 = 7 9 x1 0 ” 可以看出这种极限状态出现概率很小。 2 ) 在列车厕所平均使用状态下： l 、设l 小时内厕所使用1 5 次，即4 次m i n 。 所以每个厕所平均耗气量为：1 2 5l m i n 2 、全列列车平均用厕耗气量为： 1 2 5 l m i n 2 1 8 = 4 5l m i n 占机车空压机的总生产能力比例：4 5 6 0 0 0 = 0 7 5 可以看出，在厕所平均使用情况下，不影响列车空气系统的使用。 3 ) 计算每节车厢副j x l 缸的压降 通常每节车厢副风缸容积为1 0 0l ，压力为5 0 0 k p a l 2 4 1 。每节车厢的厕所同时 使用时： 1 0 0 5 0 0 1 0 3 = 2 5 1 0 1 1 0 5 + 1 0 0 p 所以用厕后车厢副风缸压力为：p = 4 9 0k p a ，压降为1 0 k p a 。 一玎见对车辆的制动功能影响很小。 ，j 外，国外封板式列车厕所耗气量为1 3 8 升次，喷射真空式列车厕所耗气量大 j 二2 5 刖次。故相比而苦，推拉式列车厕所大大的节省了耗气量，不影响列车的正常 运 】0 2 3 创新点及技术指标 木厕所系统属于节水集便式厕所系统。系统零部件全部国产化，易于购买和维修。 运用客车上固有气源( 0 4 0 8m p a ) 和水源( 压力为0m p a ) ，可靠性好，使用寿命 长。县有以下指标： 1 ) 侮次冲厕耗水量0 6 升； 2 ) 每次冲厕耗气量1 0 升； 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 气源压力：o 4 0 8 m p a ： 4 ) 水源压力：0m p a ： 5 ) 每次注水时问： 6 0 秒； 6 ) 每次冲水时问： 5 秒。每次自动冲洗延时，并可根据需要进行调节； 7 ) 集便箱容量为8 0 0 升，能保证客车2 4 小时的使用。 8 ) 集便箱设有电热装置及防寒保温层，保证污物不结冻； 9 ) 系统安全可靠，使用寿命为1 0 年，零部件耐腐蚀且易于更换； 1 0 ) 水封功能：冲水过程自动分二次，第一次为带压冲刷水，第二次冲水用于水 封便器排污口。 本系统便器排污口处装有推拉器，可以在每次排污后在便毓中保留一些水，为下 次顺利排放做好准备；同时还可以隔离卫生间内与车外污物通路，防止污物气味返回， 防i i 车外冷气从排污1 3 回流，保存旅客使用中不慎掉落在便器中的物品。从根本上解 决日n u 直排式便器的各种弊端。 2 4 经济分析 气动推拉式客车厕所系统主要包括：蹲便器、推拉器、集便箱、控制部分、无泵 增压冲水装置、点式冲水装置等部分。其各组成部分价格，见表2 1 表2 1 节列车气动推拉式厕所成本估算： 组成部分单价每列车厢数单位合计备注 ( 元)( 元) 蹲便器6 0 0 2个1 2 0 0 每列车厢 摊拉器 3 5 0 02套7 0 0 0具有两个 集便箱8 7 0 0 2个1 7 4 0 0厕所 悬挂装置 2 5 0 02套5 0 0 0 控制部分 5 5 0 02套1 1 0 0 0 厄泵增压冲水装置 2 3 0 02套4 6 0 0 点式冲水装置 7 3 02 套1 4 6 0 总计4 3 1 6 万元 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 安装调试费用：6 9 7 0 元 每节列车真空厕所系统总成本：5 0 1 3 万元 2 5 本章小节 本章着重介绍了气动推拉式客车厕所系统的工作原理、组成、结构设计和布冒、 调试及其使用；分析了厕所用风问题；在系统结构设计中提出了两个理论性课题：厕 所对客车动力学性能的影响和无泵增压装置的两相流问题。 华中科技大学硕士学位论文 3 气动推拉式厕所对客车动力学性能影响仿真分析 旅客列车对安全性和舒适性要求具有特殊性，特别是客车提速后，对客车的动力 学性能提出了更高的要求。环保厕所的安装对客车的振动影响，是铁道部门和旅客普 遍关心的问题，合作单位也十分关注。根据g b 5 5 9 9 - - 8 5 ，车体的运行平稳性通常用 车体振动加速度来评定。气动推拉式厕所的重量主要集中在集便箱，当集便箱装满污 物时重1 - 3 吨，且安装在客车的一端，其是否会使客车车体振动加速度超标，是否会 给客车运行造成隐患，这是本章重点分析的问题。 3 1 高频激励的简化模型 酋先利用机械振动原理，简单计算车辆在静止、动态下施加给心盘a 或b 的作 j = | _ j 大小及比较在悬挂集便箱前后的变化。 一辆客车具有多个自由度，简化之，假定车体为刚性体，其在纸面内运动。它包 括( 1 ) 车身的垂直运动；( 2 ) 车身绕质心在纸面内的旋转运动：( 3 ) 车轮的垂直运 动。此时，系统的自由度数目大于2 。 m 于轨道的粗糙度引起的激振是高频率1 2 6 i 的，所以，虽然车轮上下运动很快，但 这运动几乎不能传到车身。也就是说，车身的固有频率较低，只有路面的低频部分4 。 能传给车身。因车轮与车身的固有频率相差很大，忽略车轮不计，使问题简化，可得 饷化模型( 如图3 1 ) 。 已知：乍休重量：4 8 1t ，载重：6 4 t 满载时车体总重量：5 4 5t 集便箱重量：1 3t ，悬挂处位于离车体一端1 8 m 处。 假设：悬挂集便箱前车体重心位于车体中心，车体为刚体。 求斛：车辆在静止、动态下施加给心盘a 或b 的作用力大小及其在悬挂集便箱附后 的比较。 3 1l i 仵态下 汁算可得：悬挂集便箱后重心位置( 如图3 1 ) ，1 3 0 3 m 处。 华中科技大学硕士学位论文 、悬挂集便箱日“ f a = f n = g 2 = 2 7 2 5 9 t 上山 l l i b 弋。s a k 1 麓 疡易 男糍 幽3 i客下午身简化模型 2 、悬挂集便箱后： 以a 为支点( 如图3 - 1 ) f l f 2 1 8 5 9 t 难卣方向力平衡 【1 = 2 8 7 3 9 t 3 、a 、b 点在悬挂集便箱前后受力比较： 挺3 1a 、b 点在悬挂集便箱前后受力比较 f a ( - k n )f n( k n ) 悬挂集便箱前 2 7 2 5 92 7 2 5 9 悬挂集便箱后 2 8 7 3 92 7 0 7 9 变化率 十1 4 8 一1 4 8 叭表3 1 中可以看出在静态下，受力最大点：a 点受力为2 8 7 3 9k n ，即2 8 7 3 吨力，和没有悬挂集便箱比较，仅增加1 4 8 。 3 12 动态下 肥列车简化为三个自由度：( 1 ) 车身的垂直振动；( 2 ) 车身绕质心在纸平面内的 旋转运动；( 3 ) 车身的横向运动。 f 丽以上面前两个自由度简要分析： 1 怂挂集便箱i ；i 华中科技大学硕士学位论文 m = 5 4 5tk = 8 x 7 7 7 6 6k n m j 告圳郇。 敞振动方程为：x ( t ) = a s i n ( 1 0 6 8 4 t + v 1 2 悬挂集便箱后 幽3 - 2 安装集便箱后的简化模型 假定车身作微幅振动，若取x ( t ) 与f ( t ) 为其坐标，则运动方程式为 i l l x = ( 力) x ，咒x = - - k i ( x 一厶圆一如( x + 厶d 以及 ，。0 = ( 力矩) 。 j 0 0 2 女i ( x l 1 0 ) 一k 2 ( x + l 2 0 ) l 2 整理后得 叭 m ，0 0 - - f i x - 柏k l + k 厶2 吨2 ) 一磁瑚锄 | 1 | 上式可得频率方程为： = 惮k t + k 啪2 - c 0 2 m 描晰k 2 l 2 一- 劳k l 如l ll = o l8 华中科技大学硕士学位论文 求解方程可得 缸圭哗+ 学刮哗+ 蝴j o1 2 - 型m 巡j o 已知： 转向架：k i = k 2 = 4 7 7 7 6 6k n m m ， m l = 5 4 5 t m 2 = 1 3tm = r n t + m 2 = 5 5 8t l j = 9 2 7 i l l l 2 = 8 7 3m j o = l 1 2 x m x ( 2 l ) 2 + m x 么l 2 = 3 3 8 1 1 0 6k g m 2 ( a ) i b 已知条件得 生! 生：4 8 ， 坠= 生圭! ：3 0 1 0 4 ， 型4 些苣：1 4 9 1 8垫1 2 坠兰2 蔓：6 6 4 7 0 oo m d o 2 2 k ” 。，：= 1 0 ：5 ：弧度秒= 1 6 ：赫骜 ( 1 ) ) 两个模态的振幅比是 吾= 静譬糌= 8 加54k ，。米弧度 o ( 七i + 2 ) 一印i 2 l1 07 9 “一“ ( c ) 运动x ( t ) 与0 ( t ) 是 【； = ! l ， 7 9 】爿l is i n ( 1 0 5 4 t + 妙i ) + ：，8 s ，4 】彳1 2s i n ( 1 2 2 3 t + 2 ) 3 、悬挂集便箱前后比较 为了对比方便，不妨假设：初始位移为1 ，角位移为0 ，加速度和角加速度均为0 。 初始状念t - - 4 3 时 黜； ：【u 与隐 1g 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 悬挂集便箱前 x ( t ) = a s i n ( 1 0 6 8 4 t + 1 r ) t h 假发t = 0 时，x ( 0 ) = 1x ( o