一種高速動車組污物箱的設計與驗證

劉厚文，戰國璋

一種高速動車組污物箱的設計與驗證

劉厚文1，戰國璋2

（1.中車山東機車車輛有限公司，山東 濟南 250021；2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

以高速動車組真空集便系統的污物箱為研究對象，設計一種吊裝真空保持式污物箱，設計過程包括有效容積設計、結構設計、防凍保護、液位檢測等，其結構包括吸污管、通氣管、檢修口、清洗管、抽真空管等。通過SolidWorks軟件對已設計的污物箱進行三維建模，之后用ANSYS軟件進行模型處理及計算分析。按照標準對污物箱在不同工況下進行靜強度和疲勞強度評估，并考慮不同液位下的影響。仿真時，考慮箱體內的負壓和外部的氣動載荷。同時對污物箱進行振動沖擊試驗驗證。結果表明，設計的污物箱在理論分析計算和實際試驗中，均滿足強度要求。

高速動車組；集便系統；污物箱；振動；沖擊

高速動車組中安裝的集便系統是保證乘車旅客方便如廁不可缺少的重要設備[1]，污物箱則是集便系統的重要組成設備之一。污物箱吊掛在車體下部，如果其吊裝結構或其他部位出現失效，會危害行車安全，甚至造成人員傷亡。因此，在設計污物箱時，除了滿足應用的功能需要，更要滿足結構強度需求。本文針對一種高速動車組污物箱進行設計，并對其進行強度和疲勞計算分析，同時對污物箱進行振動沖擊試驗，從而證明設計的污物箱滿足動車組高速運營的需求，保證其使用的安全性和可靠性。

1 污物箱設計

1.1 有效容積設計

高速動車組運營中，污物箱存儲衛生間集便系統中的排泄污物和沖洗水，以及洗面間、洗手盆中的洗手水[2]。當污物箱滿時，集便系統不能再使用，因此，污物箱需要有足夠的有效容積，計算為[3]：

式中：為污物箱的有效容積；為車廂定員；為高峰期的超員系數，根據列車運行線路乘客情況而定，建議取1.0～1.5；為每人每小時使用廁所的平均次數，取0.25次/h；為一個卸污周期內客車及動車組的運行時間；為沖洗一次便器使用的水量；為每次使用廁所的排泄物平均排放量；為每次使用洗手盆的平均用水量。

根據高速動車組的一般運營情況，載員量不大于80人/車，單程運營時間不大于12 h，按照便器沖水量不大于0.5 L/次、排泄物不大于0.3 L/次和洗手用水量不大于0.2 L/次計算，高峰超員系數取1.1，則污物箱有效容積為264 L。因此，550 L以上的污物箱有效容積能夠滿足動車組一個往返周期的使用要求。本文設計的污物箱有效容積為600 L。

1.2 結構設計

本次設計的是真空保持式污物箱。為了保證污物箱內的污物在動車組停運時能夠正常吸污、檢修以及清洗等，如圖1所示，污物箱設置吸污管、通氣管、檢修口、清洗管和抽真空管等。

（1）吸污管。用于排空污物箱內的污物。吸污管延伸到污物箱底部的吸污槽內，保證每次吸污時，僅吸污槽內有少許污物，污物箱其余處無污物殘留。

（2）通氣管。通氣管延伸至污物箱頂部，保證在污物箱吸污時箱內的正常排氣，便于吸污設備的正常吸污。

（3）檢修口?？赏ㄟ^打開污物箱檢修口處的檢修門，對污物箱內部進行清潔和檢修。

（4）清洗管。用于對污物箱內壁的清洗。在清洗管路上設置多個扇形豁口，當清洗管注入高壓水時，水通過扇形豁口噴出，對污物箱的側壁和底部進行沖洗。

（5）抽真空管。連接至真空發生裝置，是污物箱內建立真空的通道。

其中通氣管、清洗管和吸污管在污物箱的兩端各設置一處，并各設置一個手動球閥，需要時可以手動將球閥打開、關閉。當列車?？繒r，在任意一側都能對污物箱進行排污操作。

圖1 污物箱結構示意

除上述描述的結構外，污物箱的結構強度主要取決于自身的箱體鋼結構部分。鋼結構主要包括10 mm厚吊耳、吊臂，3 mm厚膽箱體和加強筋。

因此，為保證污物箱的結構強度滿足設計及實際使用要求，本文在材料選擇、加強筋結構和焊接方式等方面做如下考慮：

（1）材料選擇：污物箱與污物接觸的部分必須是防腐性能好、結構強度高的材料，因此，本設計的污物箱內膽等與污物接觸的部分采用316L（022Cr17Ni12Mo2）不銹鋼，吊耳和加強筋等外部結構采用304（06Cr19Ni10）不銹鋼。

（2）加強筋設計：由于設計的是真空保持式污物箱，在使用時，污物箱內時刻保持一定的負壓，在衛生間使用時，箱體內的負壓會降低，通常是在-35～-20 kPa之間變化。同時，在污物箱使用時，可能出現真空發生裝置故障，導致箱內出現正壓的情況，因此，污物箱需既能夠承受反復變化的負壓，又能夠承受正壓。另外，為了保證污物箱的防寒功能和良好外觀，污物箱的加強筋高度應不大于防寒材的厚度。因此，污物箱采用高40 mm、寬50 mm的U型圈筋，圈筋之間的縱筋采用高30 mm的L型角筋?？紤]到重量要求和盛污物后的受力情況，污物箱上下面中U型筋的厚度可大于立面U型筋的厚度。如圖2所示。

圖2 污物箱鋼結構示意

（3）焊接方式：由于箱體盛裝污物，因此，箱體采用滿焊方式，保證箱體的密封。為了減少應力集中，U型圈筋和縱筋采用段焊方式。吊耳、吊臂等采用滿焊方式，以滿足吊裝結構的強度。

1.3 防凍保護

冬季運營時，為了防止高速動車組污物箱內的污物結凍，造成箱內污物不能正常排出，甚至損壞污物箱，污物箱需設有防凍措施。防凍設計采用箱體外部包覆防寒材料，其導熱系數在-20℃時不大于0.034 W/m·K，以減少箱體的內部散熱。同時在箱體底部設置電加熱裝置，通過溫控器來控制加熱裝置的啟停[4]，使箱內污物始終保持在0℃以上，防止箱內污物結凍。本設計選用的加熱裝置功率為1600 W，溫控器為機械開關式溫控，溫控開關設定值為3～8℃，當箱內溫度低于3℃時，溫控器閉合，加熱裝置啟動，開始對污物箱進行加熱；當箱內溫度高于8℃時，溫控器斷開，加熱裝置停止加熱。經試驗，當污物箱所處外部環境為-25℃時，污物箱內部水的溫度時刻保持在8℃左右。

1.4 其他裝置

液位檢測：為便于觀察污物箱內存儲污物量狀態，在污物箱上設置液位檢測開關和液位顯示裝置，其中液位顯示裝置在污物箱的兩側各設置一個，用于識別污物箱內污物的當前容量狀態。當污物箱滿時，集便系統禁止使用[5]；當污物箱即將滿時，提示維護人員及時對污物箱進行吸污操作，保證污物箱能夠正常使用。

灰水收集箱：設置在污物箱上，用于存儲車上洗手盆和洗面間的洗手水?；宜占湎潴w上設置液位開關，在灰水收集箱箱體和污物箱之間設置一個灰水閥，當灰水收集箱內的洗手水滿時，灰水閥打開，洗手水可通過灰水閥被吸入到污物箱中。

2 污物箱強度計算分析

本文通過SolidWorks軟件對設計的污物箱進行三維建模，之后用ANSYS軟件進行模型處理及計算分析[6-7]。

2.1 污物箱建模及網格劃分

為簡化計算，不考慮對結構剛度貢獻較小的部分水管及附屬件，忽略小孔、小倒角等局部結構。將污物箱結構采用殼單元進行網格劃分，網格平均尺寸10 mm，劃分271376個單元，共計270619個節點。

2.2 材料參數

各部件材料的基本力學性能如表1所示。

2.3 約束和加載

污物箱通過螺栓連接固定在車體上，故螺栓安裝面采用固定約束。污物箱中液體對箱體的壓力采用靜水壓的方式加載，從自由液面開始線性加載面壓力?？障錉顟B下沒有靜水壓力，液位0%、25%、50%、75%、100%時的區別在于自由液面的位置不同。正壓與真空負壓分別均勻施加在內膽上。

裙板、底板的重量通過質點方式簡化，加載于吊耳和底部支架的連接處。氣動載荷分為正負兩個方向，通過氣壓和壓力面換算成力，加載于吊耳和支架連接處。其中，兩側裙板氣動載荷為6 kPa，底板氣動載荷為3 kPa。

2.4 靜強度計算分析

根據EN 12663-1:2010[8]中6.5.2規定，按照P-II級分類的設備及部件，將其三個方向的沖擊合成[9-10]，加載規則為：

向（縱向）：±3

向（橫向）：±1

向（垂向）：(1±)

為垂向動載荷系數，在車輛端部時取2，呈線性下降到車輛中部時為0.5。保守?。?進行簡化計算。同時，對污物箱進行正壓25 kPa和負壓50 kPa的測試壓力的計算。計算工況如表2所示。

計算求得污物箱在各狀態下各工況的最大等效應力值。由結果可知，各工況下的最大等效應力值均小于許用應力，滿足靜強度設計要求。其中，母材的許用應力按照材料力學中的屈服強度選取，如表3所示，考慮到焊縫削弱，按照EN 12663-2:2010[11]第2部分，取安全系數為1.1。

表1 材料力學性能

表2 靜強度計算工況

表3 材料的許用應力

在液位100%狀態下工況1～工況7以及空箱狀態下工況8的最大等效應力值最大，評估結果如表4所示。其他液位狀態的應力結果不再贅述。

污物箱在工況1和工況2下的等效應力云圖如圖3所示，其他工況不再贅述。

圖3 工況1和2下污物箱等效應力云圖

2.5 疲勞計算分析

在集便系統中的便器使用期間，污物箱內的負壓一般會從-35 kPa降低至-20 kPa，使用結束后系統再建立真空，污物箱內的負壓又會升高至-35 kPa，如此反復。因此，結合污物箱的實際使用情況，并依據EN 12663-1:2010[8]中P-II級分類的設備要求，在進行污物箱的疲勞強度評估時，歸納如表5所示的幾種工況。

表5 疲勞強度分析工況

根據計算結果選取應力較大的4個部位作為污物箱疲勞評估的熱點，如圖4所示。各熱點的應力范圍如表6所示。最后根據BS7608《鋼結構疲勞設計和評定實用規范》標準中的-曲線，擬合出污物箱的疲勞壽命次數，如表7所示。

表6 各個熱點的應力范圍

注：空箱應力為4-1工況與4-2工況的應力差。

假設每5 min用一次衛生間，則一小時循環12次。列車每天運行12 h，一年365天，按照目前動車組30年的全壽命周期估算，污物箱的壽命次數至少需要滿足12×12×365×30＝157萬次的要求。由表7可知，各熱點的疲勞評估次數均大于157萬次，因此本污物箱壽命符合設計要求。

圖4 污物箱疲勞熱點位置示意

表7 各個熱點的疲勞壽命評估

3 振動沖擊驗證

前文所述的設計描述及計算分析只是理論上的，缺乏實際驗證，因此，接下來對污物箱進行振動沖擊驗證。按照IEC61373-2010《鐵路應用－機車車輛設備沖擊和振動試驗》中I類A級的要求[12-13]，對設計的污物箱依次進行三個方向的模擬長壽命振動試驗、沖擊試驗和功能振動試驗。如圖5所示，將箱體按照實際與車體連接的方式固定在實驗臺上，按照表8～10的試驗工況進行試驗。試驗時，用水模擬污物，且污物箱為滿水狀態。

表8 模擬長壽命試驗工況

注：ASD（Acceleration Spectrum Density）為加速度頻譜密度。

在三個方向的模擬長壽命振動試驗、沖擊試驗和功能振動試驗的試驗過程中及試驗后，污物箱未出現變形、斷裂、漏水或其他性能失效等現象，污物箱結構良好，無損壞。

圖5 污物箱振動沖擊安裝示意圖

表9 沖擊試驗工況

注：沖擊波形為半正弦波。

表10 功能性隨機振動試驗

4 結論

根據高速動車實際的運營環境及工況，本文從箱體結構、材料、使用功能等方面完成了一種真空保持式污物箱的設計，并對其進行靜強度計算分析。分析結果表明，該污物箱在各工況下的最大應力均小于相應材料的許用應力，靜強度滿足BS EN 12663-1:2010[8]的要求；疲勞強度計算分析中，該污物箱在疲勞載荷作用下，擬合出滿箱和空箱狀態下的循環次數分別為412和477萬次，滿足實際使用中的壽命要求。最后進行實際的振動沖擊試驗驗證。在進行三個方向的模擬長壽命試驗、沖擊試驗、功能性隨機振動試驗后，污物箱無開裂、漏水或變形，機械結構良好。

通過對污物箱進行設計、強度和疲勞計算分析，以及污物箱實際的振動沖擊試驗，表明設計的污物箱能夠滿足動車組高速運行的要求，具有高安全性、高可靠性和長壽命的優點。

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Design and Verification of a Waste Tank for High-Speed Train

LIU Houwen1，ZHAN Guozhang2

( 1.CRRC Shandong Co., Ltd., Jinan 250021, China; 2.CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd., Changchun 130062, China )

Taking the waste tank of the vacuum toilet waste collection system of high-speed train as the research object, a kind of lifting vacuum holding waste tank is designed. The design process includes effective volume design, structural design, antifreeze protection, liquid level detection, etc. The structure includes suction pipes, ventilation pipes, maintenance ports, cleaning pipes, vacuum pipes, etc. The SolidWorks software is used to create a three-dimensional model of the designed waste tank, and then the ANSYS software is used for model processing and calculation analysis. The static strength and fatigue strength of the waste tank are evaluated according to the standard under different working conditions, and the influence of different liquid levels is considered. In the simulation, the negative pressure inside the box and the external aerodynamic load are considered. At the same time, the vibration impact test of the waste tank is conducted. The results show that the designed waste tank meets the strength requirements both in the theoretical analysis and calculation and in practical tests.

high-speed train unit；toilet waste collection system；waste tank；vibration；impact

U270.38+5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.10.007

1006-0316 (2023) 10-0038-07

2023-01-06

劉厚文（1986－），男，山東滕州人，碩士研究生，高工，主要研究方向為鐵路集便裝置，E-mail：liuhouwen503@163.com。