新型客車上水單元設備水頭損失試驗分析

洪蔚，范英宏，林世華，侯世全

(1.中國鐵道科學研究院節能環保勞衛研究所，北京 100081; 2.北京中鐵科節能環保新技術有限公司，北京 100081)

以往，大多數鐵路車站和客車整備所的上水設備過于簡陋，通過橡膠軟管連接上水栓和客車注水口進行上水作業。此種上水方式作業程序多、工人勞動強度大，而且軟管在股道間胡亂堆置增加了員工作業的不安全因素，還造成視覺污染，影響鐵路形象。為此，多家公司研制開發了新型上水設備，該設備體積較小，可放置在地面或地下，具備自動或遙控器控制上水、自動排空余水、自動回收上水軟管、低溫時可自動加溫等功能，目前該類設備已在多條鐵路新線建設中得到應用。但是，為實現上述多種功能，新型上水設備增添了不少新部件，造成管路中水頭損失增加，進而使得上水流量變小，不能適應客車提速后整備時間減少、上水作業時間縮短的情況。

本文通過試驗，繪制了新型上水設備的水頭線，分析了壓力水頭、流速水頭和位能水頭的轉化關系，對管路各部分的水頭損失貢獻率進行計算，得出造成水頭損失的部件及原因，并提出了減少水頭損失進而增加上水流量的途徑和措施。

1 試驗裝置及試驗方法

1.1 新型客車上水設備

采用中國鐵道科學研究院節能環保勞衛研究所生產的 TKH GS-Ⅰ型半地下框架式上水設備(如圖1所示)，連接給水管和客車水箱注水口，該設備具備程序或遙控器控制上水和停止上水、自動排空余水、自動回收軟管、低溫時自動加熱、自動記錄上水流量和工作狀態并上傳至股道管理機等主要功能。設備主要部件有:框架、卷管器及電機、內部上水管路及上水電磁閥 、上水軟管及快速接頭、排水管路及排水電磁閥、控制箱等。

圖1 新型客車上水設備

該設備產生水頭損失的部件和相關參數為:內部上水管路采用PE管，進入上水軟管前管路長2 m;管路上設置網狀過濾器1個;流量傳感器1個;上水電磁閥1個;三通1個;90℃彎頭和變方向接頭各1個;旋轉接頭1個;進水壓力表1個;上水軟管內襯食品級橡膠，最小彎曲半徑115 mm，長度15 m;快速接頭采用金屬外套內襯橡膠芯;采用橫軸多層盤繞軟管卷管器，最小盤繞直徑250 mm;各部件內管徑均為DN25。

1.2 車上試驗裝置

此外還模擬動車水箱研制了車上試驗裝置(如圖2所示)，由壓力罐、變頻水泵、上水管及注水口、高位水箱和低位水箱組成。變頻水泵自低位水箱取水至壓力罐，壓力罐維持穩定水壓，出水接至上水設備，上水設備通過上水接頭和上水軟管向高位水箱內注水，高位水箱向低位水箱排水。

圖2 車上試驗裝置示意圖

試驗裝置中與水頭損失有關的部件和相關參數為:壓力罐最高靜水壓0.6 MPa;給水管與上水設備連接的鍍鋅管長度0.5 m;球閥1個;設置壓力表1個，觀測壓力模擬給水管動水壓;通至高壓水箱的上水管為鍍鋅管，垂直設置，長度2 m，末端安裝注水口，注水口形狀和TBT112/74注水口型式“客車用注水(A、B型)型式與尺寸”相符合，安裝高度距地面1 m，;注水口上方安裝壓力表1個;管路及接頭內管徑均為DN25。

1.3 試驗方法

將上水設備的上水軟管拉出2 m;和注水口連接;啟動變頻泵，開始上水;通過開啟旁通閥調整進水管路動水壓至25 m水柱;記錄給水管壓力表讀數(即給水管出口動水壓)、設備進口處壓力表讀數(設備進口動水壓)、設備注水口處壓力表讀數(設備出水口動水壓)、上水管出口處壓力表讀數(上水管出口動水壓)和上水流量。

2 試驗結果及分析

2.1 總水頭線

以設備進水口為基準面，試驗數據見表1，繪出的總水頭線見圖3。

表1 試驗數據

圖3 總水頭線示意圖

給水管出口總水頭為 25.5 m水柱，滿足TB10010—2008《鐵路給水排水設計規范》表5.3.2［2］中的規定:“通過式旅客列車給水站、線端式旅客列車給水站最小服務水頭25 m;客車整備所(庫)、動車段(所)檢查庫最小服務水頭20 m?！眽毫λ^為25 m水柱，流速水頭很小，僅為0.5 m水柱，位能水頭為0。

因為設備進口和給水管出口同標高，故設備進口處位能水頭仍為0;管徑無變化，故流速水頭仍為0.5 m水柱;壓力水頭減少為23.2 m水柱，自給水管口至設備進口損失了1.8 m水柱。

設備出口為與注水口連接的快速接頭處，因注水口距離設備進口處的垂直距離為1 m，故位能水頭為1 m水柱;管路管徑無變化，故流速水頭仍為0.5 m水柱;壓力水頭減少至5 m水柱;自設備進口至設備出口損失水頭17.2 m水柱。

出水管口距離設備進口處的垂直距離為3 m，故位能水頭為3 m水柱;管路管徑無變化，流速水頭仍為0.5 m水柱;出水管口為自由表面，故壓力水頭為0。

2.2 各段水頭損失分析

管路中任意兩個符合漸變流條件的斷面滿足伯努利方程［1］:

式中:Z為位能水頭，m;

p/γ為壓力水頭，m

ν2/2g為流速水頭，m;

因上水系統內各部件內管徑相同，故流速相同，ν1=ν2=ν，式(1)可改寫為:

從式 (2)可得兩斷面位能水頭差和壓力水頭差之和等于總水頭損失，總水頭損失與局部水頭損失系數ξi、流速ν、沿程摩阻系數λ、管長l和管徑d有關，在水力光滑區和粗糙區范圍內、流速不變的情況下，局部水頭損失系數越小、流速越小、兩斷面距離越短、管徑越大，水頭損失越小。

取給水管口為Ⅰ斷面，水箱出水管口為Ⅱ斷面，Ⅱ斷面為自由斷面，故p2/γ=0。

將式(2)改寫成式(3):

由式(3)可見，其它條件不變時，在降低局部水頭損失系數ξi及管長 l后，因方程左邊為一常數，流速必然增加，從而上水流量提高。

給水管出口至上水設備的鍍鋅管長度僅為0.5 m，設1個球閥和1個壓力表，球閥開啟度為全開，故局部和沿程水頭損失均較小，總水頭損失僅為1.8 m水柱，占整個管路損失的8.2%;上水設備進口和出口間產生局部水頭損失的部件最多，為2 m長PE管和15 m長橡膠軟管，另外還設有過濾器、電磁流量計、電磁閥、旋轉接頭、彎頭等，Σ ξi較大，管路長。尤其是軟管在卷筒上纏繞，水流隨纏繞的軟管做圓周運動，流速方向不斷發生變化，有時軟管在卷筒上纏繞過緊，軟管受壓，過水通徑變小，大大增加了局部損失和沿程損失。綜合以上因素，水流經過設備后水頭損失很大，為 17.2 m水柱，占全部管路水頭損失的78.2%;設備出水口至水箱出水管口局部水頭損失僅在A、B型接頭的漸變徑處發生，鍍鋅管管長較短，沿程水頭損失不大，故總水頭損失較小，僅為3 m水柱，占整個管路水頭損失的13.6%。

2.3 減少水頭損失的途徑和措施

為增加上水流量，可采用以下措施減少水頭損失。

2.3.1 減少局部水頭損失

在保證設備主要功能的前提下，管路設計中盡量減少能產生局部水頭損失的彎頭、三通、閥門、電磁閥的數量，在設備部件采購時，注意選擇水頭損失小的元部件，如在選擇閥門時盡量避免選擇碟閥。

2.3.2 減少沿程水頭損失

在管路設計時應盡量減少管路長度;設備內部管路應選擇內管壁粗糙度較小的PE管或不銹鋼管。

2.3.3 減少軟管盤繞引起的水頭損失

在全部水頭損失中，上水設備所占比例最大，其中軟管盤繞引起的水頭損失是重要因素。比較拉出不同長度軟管進行上水作業的上水流量(拉出全部軟管和僅拉出1 m軟管)，在其他條件相同的情況下，軟管全部拉出時的流量比拉出1 m時增加了8%，因此為了增加流量，在使用帶卷管器的上水設備進行上水作業時，應盡量多拉出軟管并使其順直。另外，為避免軟管纏繞時受擠壓造成過水通徑變小從而影響上水流量，應在軟管生產加工時，使其最小彎曲半徑盡可能小，以保證彎曲后的過流面積不小于原面積的80%;為減少水流作圓周運動產生的水頭損失，應盡量加大卷筒直徑并減少軟管纏繞圈數。

2.3.4 增大管徑

在其它條件不變時，增大上水管內徑是減少水頭損失、增大流量最直接的辦法。TB10010—2008《鐵路給水排水設計規范》8.1.5條［2］規定:旅客列車給水栓宜按一室雙栓設置，栓口管徑應為32 mm，上水軟管應采用Φ32 mm;客車整備所(庫)、動車段(所)檢查庫上水軟管應采用 Φ32 mm。但因目前鐵路客車水箱注水口管徑均為DN25，因此一般采用 DN25上水軟管與之對應。在不對客車注水口進行改造的前提下，可將上水設備內部管路及軟管內徑設計為DN32，在上水軟管的端部設置一個變徑的接頭與注水口相配。雖然設備造價和尺寸會因此增加，但上水流量將大大提高，從而減少上水作業時間。

3 結論

(1)本文通過研制的試驗裝置，對新型上水設備進行了試驗，根據試驗結果繪制了整個上水系統各部位的總水頭線?？偹^線能準確反映位能水頭、壓力水頭和流速水頭之間的變化關系，適應給水管、上水設備、注水口和上水管出水口不同高程的位置關系。

(2)根據總水頭線分析了系統各部位產生的水頭損失對整個系統總水頭損失的貢獻率，結果表明，上水設備水頭損失最大，占全部水頭損失的78.2%。

(3)分析了各部位產生水頭損失的部件，得出軟管盤繞是造成設備內部水頭損失的重要因素。

(4)在上水系統設計、設備制造和運行中可采用減少局部水頭損失、減少沿程水頭損失、減少軟管盤繞次數和增大系統管徑的方法來減少總水頭損失、提高上水流量。

［1］ 陳禮.流體力學及泵與風機［M］.北京:高等教育出版社，2005.41－44.

［2］ TB10010—2008，鐵路給水排水設計規范［S］.