高速列车排水系统实车试验方案和结果分析

南 玲 李晓龙 / 同济大学铁道与城市轨道交通研究院

0 引言

自1964年日本首次开通高速列车以来，历经了50余年发展，逐渐形成了以日本新干线、法国TGV和德国ICE为代表的先进高速列车技术。目前，世界发达国家的高速铁路进入了新一轮的快速发展期。我国高速铁路历经五次大提速，引进消化吸收了国外高速动车组技术，通过以创新为主的研发，目前已经拥有全世界最大规模和最高运营速度的高速铁路网。

列车给排水系统是列车必不可少的重要组成部分。基于高速列车的特点和要求，高速列车生活污水的排放主要分为两种情况：对于人体排放物，通过真空集便系统进行收集；对于清洗产生的废水，采用直接排放或者真空收集。直排形式的排水系统，在设计时需要设计特殊结构以阻止高速运行列车进出隧道和会车时产生的压力波动，国内设计参数的选择都是根据经验值。本文对目前我国某型动车组列车的排水系统压力波动范围进行现场的实车测试，得出一些对于设计研究有价值的结论。

1 排水系统与测试方法

1.1 某型高速列车排水系统介绍

某型高速动车组采用保持式真空集便系统，其清水箱位于天花板上方，通过重力给车上便器和洗手盆供水。其中洗手盆的供水通过光电感应开关控制。经过使用后的灰水经过管道直接排放到轨道上。图 1为该型高速列车的水系统原理图。

当列车运行过程中穿越隧道和两车交会时，在列车外表面差生压力波动，该压力波动传入车辆内部会引起车内乘客的不舒适感。因此要在车辆设计上阻断压力波向车内的传递。若列车排水系统与外界相通，则压力波动会通过列车排水管路迅速传递到车体内，同时该排水系统为重力排水方式，利用重力将灰水通过灰水单元排放至轨道。灰水单元是为了阻断列车高速运行时进出隧道和会车造成的压力变化所采用的一个特殊部件。图 2为洗手盆水单元的基本原理图，图 3为茶水炉灰水单元的基本原理图，从图3中可以看出该灰水单元通过两个单向阀的组合起到防止正负压力变化的功能。为了评估该组件所承受的正负压力变化的范围，对该组件在列车运行过程中所承受的气体压力进行了测试。

1.2 测试方案

当列车运行过程中穿越隧道和两车交会时，都会引起与大气相通的列车排水管路内的压力波动。因此本次测试选择具有代表性的武广高速铁路进行测试，该线全长约1068.8km，途经200多座隧道。列车设计时速350km/h，能够典型地反映出列车通过隧道时压力的变化情况。

该车型由8节编组构成。一节车厢内部共有两处排水点，将灰水直接排放到轨道，分别是盥洗室洗手盆排水管路和茶水炉排水管路，两个管路各安装一个灰水单元起到防止压力波动影响。考虑到这两处排水管道在列车上的不同位置，因此选取第六节编组标准卫生间模块和开水炉单元作为测点，分别进行测试。测试线路选择图 4为车载测试系统的原理框图。

本测试选取CYG1202差压变送器，该压力变送器采用硅压力敏感片，为动态压力传感器，无应力封装，具有良好的稳定性。压力量程为-10～+5 kPa，介质温度-25℃～85℃，准确度级别为0.25%FS，输出信号电流4～20 mA/电压0～5 VDC。数据采集卡采用NI USB-6008S设备，该数据采集卡可提供12个数字输入/输出（DIO）通道以及一个带全速USB接口的32位计数器。单个通道最大采样频率10 kHz。

图1 某型高速列车水系统原理

图2 洗手盆水单元基本原理

图3 茶水炉灰水单元的基本原理

图4 测试系统框图

2 试验数据分析

2.1 盥洗室灰水排水管测试

图5为列车300km/h时速运行时所记录的盥洗室内排水管压力随时间变化波形，试验包含列车高速进出隧道的过程。通过图5可以看到列车在高速运行过程中该排水管路承受正负压力变化的情况。最大正压力为1924Pa，最大负压为- 4571Pa。为了更清晰地反映列车进出隧道过程引起的压力波动，选取上述过程中的进出隧道的时间段具体进行分析。图 6为列车连续进出隧道时盥洗室排水管的压力波形图。通过图6可以发现列车高速运行过程中测试点主要承受来自外部的负压力约为500Pa。当列车进入隧道时负压明显增大约1500Pa，最大值约为4500Pa，随着列车驶离隧道，测点压力逐渐上升变为正值，最大值约为1500Pa。

图5 300km/h盥洗室排水管压力波动

图6 300km/h进出隧道盥洗室排水管压力波动

2.2 茶水炉排水系统测试

图7为列车从零起步加速至300km/h时茶水炉排水管内压力变化的波形图（本过程包含了列车进出隧道）。随着列车速度的增加，排水管内的负压逐渐增大，当列车恒速运行时，该压力值也逐渐稳定在约500Pa左右。本过程中最大正压力值1297Pa，最大负压力值-2875Pa。为了更清晰的分析，选取其中两段波形进行对比。图 8为列车200km/h通过隧道时茶水炉排水管路压力波形图，可以发现当列车进入隧道时负压明显增大至最大值，约为-1200Pa，随着列车驶离隧道，测点压力逐渐上升变为正值至最大值约为300Pa。

图7 列车起步加速过程茶水炉排水管压力波动

图8 200km/h进出隧道茶水炉排水管压力变化

图9为列车300km/h 进出隧道时茶水炉排水管压力波形图。对比列车200km/h通过隧道可以看出，随着列车速度的增大，所引起的排水管路中的压力波动范围也逐渐增大。图9所示列车穿越隧道过程中，最大正压力值约1000Pa,最大负压力值约-3000Pa。

3 结语

通过针对高速列车排水系统的实车测试过程，可以得到以下几点：

1）高速列车通过隧道及会车时所引起的压力波动是十分明显的，本车型列车300km/h压力波动范围在+2500～-5000Pa之间。对于其他列车由于不同的排水管路布置，参考上述数值，应有微小波动。

2）列车运行速度越高所产生的压力波动范围就会越大，因此对于列车上安装的防止压力波动的设备要求也就越高。尤其是针对更高速度列车设计时，需要重点考核防止压力波动的设备功能。

3）本车型所安装防止压力波动的部件有效防止了压力波动对列车内部的影响，但该部件的结构形式不能很好地隔离噪声。在新车型的设计中可以考虑使用水封等其他的防止压力波动设备。

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