铁路客车上水栓水力计算模型的建立与分析

2014-11-27 12:13史义雄

铁道标准设计 2014年2期

史义雄

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 概述

客车上水系统的设计是铁路给水站设计的一项重要内容。铁路经过6次大提速后，运行速度和路网结构已发生了很大变化。为了适应铁路旅客运输发展需要，铁路运输组织逐步压缩了客车到站后的停车时间，对客车给水站的设计和车站上水工作带来很大压力。为保证客车的正常供水，合理地进行客车上水系统的设计就显得非常重要。由于客车上水栓的间距一般为25 m，显然不属于长管的水力计算范畴，为合理确定客车上水栓的给水管管径及供水水压，需要逐段进行详细的水力计算，设计人员利用Excel的计算功能，建立数学模型可提高设计效率。

2 客车上水栓的布置形式

客车给水站应有专供客车给水栓用水的给水干管，每排栓管应按两端进水或环状布置，也可从中部与给水干管连接成T形，每排客车给水栓管均应设置控制闸阀和计量装置［1］。客车上水栓的布置形式会直接影响客车上水的速度。客车上水栓宜布置成环状，以利于客车上水时互相调节水压和流量，加快上水的速度，通常有以下3种布置形式，如图1～图3所示，目前新建的站段一般以图3所示的栓管从两端接入较为常见。

图1 栓管从一端接入

图2 栓管从中部接入

图3 栓管从两端接入

3 水力计算模型

3.1 模型的准备

客车上水单元是由注水管接头、软管、附属管道及阀门、软管收放装置、控制装置等组成的整体。上水单元进水管直径为DN40，上水单元软管长度不大于15 m，公称直径为DN32或DN25。向客车上水栓配水的给水管道为栓管，向栓管供水的给水管道为干管。客车上水栓25 m的服务水头包括有进水管、阀门、上水软管、客车上水栓接头及车体内上水钢管的水头损失。进行客车上水栓水力计算要详细计算上水干管的沿程水头损失以及上水干管向客车上水栓配水三通的局部水头损失［2，3］。

按《铁路给水排水设计规范》(TB10010—2008)规定，客车给水栓最小服务水头25 m(从轨顶算起)，当两线路间的双头栓同时给两列客车上水时，其每个栓口的设计流量不小于2.0 L/s，当使用一个栓头时，其栓口的设计流量不小于2.5 L/s，上水软管采用DN32，长度不大于15 m。客车到发线的一侧应设置客车给水栓及栓井，栓井的距离宜为25 m，每排栓井的数量不应少于客车的最大编组辆数，并宜加设1～2座栓井，加设的栓井不计入设计流量［1］。

给水栓25 m的最小服务水头由3部分组成:①车辆水箱的入水口与轨顶面的几何高差3.6 m;②水流通过上水胶管的水头损失;③车辆注水管的水头损失［4］。

事故时设计水量为正常时的70%。事故时，按右侧干管损坏，上水栓用水全部从左侧干管流入，栓口每处出水2.5×70%=1.75 L/s，栓口处水压相应比正常工作时要低，水压与流速的平方成正比。正常时，扣除车辆水箱的入水口与轨顶面的几何高差3.6 m，水流通过胶皮管及客车注水管的水头为25－3.6=21.4 m，事故时的服务水头为3.6+21.4×0.72=14.1 m。从轨顶与栓管高差取1.0 m，栓管处最小服务水头为14.1+1=15.1 m。

以图3所示的布置形式为例，客车上水栓两端进水，正常供水时，栓两端的流量大，由两端向中间，流量递减，流速也递减，理想状态下，栓管管径也可以采用由两端向中间递减的配管方式。但当一侧干管事故时，上水干管从一侧进水，供水方即变为图(1)所示的布置形式。因此，在设计时一般栓管采用同一种规格，不考虑栓管管道变径。

(1)管道总水头损失［5］

式中 hz——管道总水头损失，m;

hy——管道沿程水头损失，m;

hj——管道局部水头损失，m。

(2)管道沿程水头损失

式中 l——管道长度;

q——设计流量，m3/s;

Ch——海曾-威廉系数，塑料管140 ～150，取140，普通钢管及铸铁管取100;

dj——管道计算内径。

(3)管道的局部水头损失

式中 ζ——管道局部水头损失系数。

3.2 模型的建立

客车上水栓安装一般如图4所示。

图4 客车上水栓安装示意

由图4可知，客车上水栓上水时的局部水损为1个异径三通(单栓)，局部阻力系数为等径三通与突缩阻力系数之和［6］，即异径三通 ξ0=等径三通 ξ1+突缩之ξ2，局部水损计算图如图5所示。

图5 异径三通局部水损计算简图

3.3 模型的应用

以某大型给水站高速车场为例，共设有6排列车上水栓，上水栓间距25 m，每排18座，动车长编组16列，2列为备用，备用的栓室不计入流量，列车上水栓均为单栓，上水供水主管直径DN200，两端客车上水栓距离环网给水主管距离35 m，上水供水主管长35×2+25×(18－1)=495 m，单排栓计算简图如图6所示，其中1号及18号客车上水栓为备用。

正常供水时，两侧均能进水，栓口每处出水2.5 L/s，《铁路给水排水设计规范》(TB10010—2008)规定，客车给水栓最小服务水头从轨顶算起25 m，从轨顶与栓管之间还有一定高差，不同工程客车上水栓安装方式的不同，这一高差不尽一致，为简化计算这里取1.0 m，栓管处最小服务水头为25+1=26 m。

假设左右两侧同时供水，1号、18号客车上水栓不出水，下面详细计算9号至2号客车上水栓的水损及流量。给水用 PE80聚乙烯(PE)管材，SDR17，PN0.8的规格见表1。

表1 给水用HDPE管尺寸 mm

假定栓管采用DN150的PE管，计算内径Dj=141 mm。计算起点9号栓流量q3=2.5 L/s，管段9－8的流量q1=2.5 L/s，管段9－10的流量q2=0，栓口处为DN150×DN40三通，经计算得v1=0.16 m/s，v2=0，v3=1.62 m/s，v4=0.16 m/s，三通处局部水损 hj=0.06 m，管段9－8的沿程水损hy=0.01 m，则8号栓处压力p=26+0.06+0.01=26.07 m。

工程上水力计算时，水压与流速的平方成正比，即管径一定的条件下，流量与水压的平方根成正比。由于每个上水栓栓头处服务水头不同，造成每个上水栓流速和出流量也不尽相同。8号栓流量q3=2.5×2.504 L/s，依此类推，分别算出8号栓至2号栓的水力计算参数，计算结果汇总见表2。

2号栓处压力27.17 m，栓管与干管接口处压力为27.95 m，其中沿程水损合计1.37 m，局部水损合计0.58 m。由于客车上水栓对称布置，右侧客车上水栓计算与左侧相同。

按照前述计算步骤，编制Excel水力计算表，可以推导出事故时，栓管与干管接口处压力为20.10 m，其中沿程水损合计4.25 m，局部水损合计0.75 m。

图6 单排客车上水计算简图

表2 正常供水单栓水力计算

以上计算过程是按照栓管管径为DN150，如果栓管采用DN100或DN200，重复上述步骤，水损及水压计算结果见表3。

从表3可以看出，栓管管径不宜小于DN150，管径由DN150增加至DN200，水压要求变化不大，管径为DN100时，水压有大幅增加，以事故供水时为控制工况，水压过高，管道起端流速过大，不宜采用。栓管管径为DN150时，局部水损为沿程水损的42.34%，栓管管径为DN200时，局部水损为沿程水损的117.39%，远大于常规的10% ～20%，与栓管管径密切相关，不能简单估算。

对于“T”形的供水方式，正常及事故时栓管都是从中间往两侧供水，与干管从两端接入供水方式相同，栓管管径不宜小于DN150。

栓管从一端接入的供水方式，正常及事故时栓管都是从一侧往另外一侧供水，选取栓管管径为DN150、DN200、DN250 3种工况进行计算，计算结果汇总见表4。综合比较，栓管管径不宜小于DN200。