铁路客车上水溢流控制技术进展

洪蔚

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

铁路客车上水溢流控制技术进展

洪蔚

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

多年来，铁路客车上水溢流现象一直存在，浪费了宝贵的水资源，为解决此问题，虽然相关的研究较多，但简单适用的成熟技术尚未问世。本文对目前公开发表的多种客车上水溢流控制技术的研究成果进行了分析和总结，研究提出了客车上水溢流控制技术下一步的发展方向。

客车上水； 溢流控制； 上水管路； 水压

1 概述

一直以来，在铁路客车上水作业过程中，需要上水工人随时密切观察溢水管是否有水溢出，当发现水箱上满水开始溢流时，再关闭上水栓阀门停止上水。因为视线受限、作业人员需监管多节车厢而无法兼顾等多种原因，屡屡出现客车水箱上满水后不能及时关闭上水阀的现象，造成了水资源的浪费，特别在近年来上水作业人员不断减少、个人需要监管的车厢增多的情况下，水资源浪费的现象变得更为严重。另外，北方地区冬季溢流出水还会在站场结冰，可能影响行车安全及作业人员人身安全，有些车站不得不组织除冰作业。

为解决此问题，有必要对既有的上水系统进行改造，以实现水箱上满水后自动停止上水。多年来，很多研究者对此进行了研究，也取得了一些成果。按照改造部位不同，客车上水溢流控制技术大致可分为仅改造车下的上水管路系统和同时改造车上车下系统两大类。对该项技术的最早的研究是从仅改造车下的上水管路系统开始的，目前这方面的研究成果较多，一般多采用在车下上水管系统中增加一些特殊的装置，进而实现溢流控制，但因不同车型的车上上水系统存在较大差异，故此类技术一般不能同时适应各种车型。之后也有研究者考虑对车上和车下系统同时进行改造，在车上和车下均增设了专门的装置，较之仅改造车上系统提高了溢流控制技术的可靠性，一般可适用于不同的车型。就车上水满信号传递到车下的途径而言，溢流控制技术又可分为利用变化的水流信号和车上发射、车下接收无线信号两大类，这两类方法各有优缺点，变化的水流信号可保证车上上水水箱和车下上水栓的一一对应，但当水流水力学要素变化小时不易采集到水满信号，且需要考虑排除水流紊动的影响；无线信号方法则不受水流变化大小影响，但除了需要设置发射和接收装置外，还需解决发射的信号被其它上水栓井接收产生的误操作问题。

调研结果表明，虽然相关研究成果较多，但均存在一些问题，故到目前为止，适合现场情况且适用的溢流控制技术，尚未见应用。本文在资料调研的基础上，对目前公开发表的多种客车上水溢流控制技术进行了分析和总结，并结合我单位的研究成果和工作经验，提出了客车上水溢流控制技术下一步的研究方向。

2 仅改造车下上水管路系统

2.1 设置遥控器

采用遥控器控制溢流技术较简单，仅需给水作业人员配备手持遥控器，同时给每个上水栓增设信号接收装置、控制装置及上水电磁阀，遥控器可控制多个上水栓。作业人员发现某节客车水箱溢流管开始溢流后，即可通过遥控器远距离关闭对应上水栓井内的上水电磁阀，进而停止上水。该系统首先需要依靠人工肉眼观察溢流是否产生，再利用遥控器射频信号传递水满信息，信号被接收装置接收后传至控制装置，控制装置关闭电磁阀。目前新型给水单元机多具备此功能，也得到了广泛使用。文献[1-3]分别介绍了三个不同给水系统，在各系统均采用了遥控器，通过遥控器，作业人员既可在观察到溢流后立即停止上水，也可在上水快速接头与客车注水口对接后开启上水开关，减少了在上水栓与客车注水口来回走动的时间及工作量。

此方法存在着夜间无法观察到溢流、监管多节车厢困难、手持遥控器不方便作业等问题，特别是属于溢流产生后的事后控制，减少的溢流水量有限。实际上对现场工人来说，采用遥控器更重要的作用是可减少作业人员的走动距离，降低劳动强度。

2.2 设定上水时间

随着铁路建设的发展，多种型号新型给水设备陆续投入使用，在这些设备中，部分设备的控制系统中设置了PLC或数控模块，做到了上水程序化，除了人工连接上水软管和取下上水软管外，其他的工序都可由程序控制，其中也包括设置上水时间。上水工可根据经验或液位显示仪的读数设定上水时间，按下启动按钮或遥控器上水开关，开启上水电磁阀，开始上水，到达程序预先设定的上水时间后，上水电磁阀关闭，停止上水。武汉工程大学杨帆[4]等人设计研制的“基于PLC的列车给水监控系统”中通过预先设定上水时间，来实现进水阀的关停，该系统在车站给水网络中设末端上水支阀，当列车到达时，连接上水软管后，上水支阀开启，列车开始上水，到达PLC预先设定的时间(一般设置为60sec)时，上水结束。中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所研制的上水设备[5]中也具备根据预先设定的上水时间停止上水的功能。

该方案存在的主要问题是难以设定合适的上水时间，若设定时间过短，水箱上不满水，设定时间过长，则溢流仍会产生。目前设定时间主要由给水作业人员根据液位显示仪显示的水箱液位确定，但由于存在着不同车型的水箱容积不同、液位显示仪显示的是阶段性液位而非连续性液位等多种原因，现场很难确定准确的需要上水的体积；此外，由于车上车下上水管路系统各异、上水管网水压波动等因素影响，上水管中的流速也很难确定，因此无法设定适宜的上水时间，水箱上不满水或者产生溢流浪费水的现象仍时有发生，故采用此方法仍无法实现溢流控制。

2.3 检测水箱满水前后的压力变化

郭厚焜等[6]认为在不对车上进行任何改动的情况下，在车下采集水箱上满的数据是解决溢流控制问题的关键。在对列车水箱的结构和管路的布局进行了调研和分析后认为，水箱在水位达到水满水位线之前，车下上水管进水口处的压力一直保持不变。但在水箱水位达到水满水位线并开始溢水之后，进口处的压力会发生变化，找出此时的变化规律，设定合适的判断阈值，据此可判断水满与否。

蔡体健[7]针对列车上水自动控制系统中电磁阀关断的阈值(水箱水满判据)不能准确确定的问题，开发设计了一个自动控制系统。系统的工作分为手动训练阶段和自动控制阶段：在手动训练阶段，电磁阀的开断由人工手动控制，系统自动记录当时的水压数据，找到不同车型、不同供水水压情况下上满水时的水压；经过一定时间的训练，系统可进入自动控制阶段，此阶段可采集不同复杂环境下水压数据，并不断与数据库中所存放的同样条件下(同类型车体、同样供水水压)的水压数据比较，若当前水压等于此条件下的关断水压，则系统自动关闭电磁阀停止上水。

以上的研究都是基于客车水箱上部上水管口和溢水管口距离顶部有一定的距离为基础的，故当水箱上满水后，上部空气受到压缩，使得车下上水管中压力增加。但据调研，目前使用的水箱顶部都有凸起，上水管口和溢水管口均设置在其中，高于水箱顶部，故不存在压缩空气情况；且当水箱上满水后，溢流水经过另一根上水管和溢水管排泄，虽然流程变长，增加了水力摩阻，但由于另一根上水管和溢水管出口远低于水箱顶部，客观上形成虹吸作用，使得车下上水管中压力增加很小，以至于很难将其和水流紊动分开。同时考虑车上和车下给水管路系统的水力学分析和实验室试验检测结果[8]均证实了这一点。另外，不同车型的水箱型式、内部管路布置、管径和材质等均存在差异，不同的车下给水干管水压、上水管管径、管路长度、材质、可能引起局部水头损失的部件等亦不同，这些因素中任何一个发生变化都会影响到整个管路系统各部位的水压，因此无法确定适合各种车型、同时适应车下上水系统水压变化的阈值。多次现场试验结果表明，仅在车下采用压力传感器进行检测的溢流控制系统往往不能适应所有的车型，且受车下供水系统水流变化的影响较大。

3 车上车下同时改造

3.1 通过无线信号传递水满信息

专利《客车上水自动控制装置》[9]对车上和车下上水系统同时进行改造，利用无线信号传递水满信息。在车上安装满水控制模块、压力传感器和发射天线，在车下安装接收器、上水控制模块和电磁阀。压力传感器安装在水箱内，压力传感器的数据线与满水控制模块连接，当水箱上满水，压力达到阈值时，满水控制模块通过设置的发射天线向车下发射信号，安装在车下的接收器通过天线接收信号后，通过给水控制模块关闭电磁阀。

专利《铁路列车上水自动关闭装置》[10]同样利用无线信号传递水满信息。其关键部件是信号发射器和接收器，信号发射器安装在车上溢流管口，包括由支架和与支架轴连接的板体组成的跷跷板，底端设置有控制触点的无线发射模块；当客车水箱上满水发生溢流时，跷跷板绕轴旋转，触发控制触点，发射器发射无线信号，安装在车下的接收器接收信号后，控制模块关闭电磁阀，从而实现满水自停。

通过无线信号传递水满信息的方法存在的主要问题是难以做到车上水箱和上水栓的一一对应，可能出现与发射信号的水箱不对应的上水栓误接收信号而停止上水的状况，此外这两种方案均属于事后控制，会产生短时溢流，未完全杜绝水的浪费，而且需要加装的部件较多。

3.2 机械型防溢流装置

谢斌、顾长春[11]研制了一种安装在车上上水管路系统上的装置，在两根上水管和一根溢流管上均加装了防溢流装置，它包括活塞套筒和弹簧，其结构特点是与活塞套筒内周相应地保持间隙的双向活塞组件。当列车上水时，有压力的水自下而上通过该装置流动，当水箱注满水后，除上水管外其他两根管路就由排气管变为了溢流管，安装在这两根管上的防溢流装置自动关闭阀门止流，逐渐使水箱增压的上水管产生反冲力，使列车上水管自动滑脱，车下在上水软管前部安装的专用的上水接头自动关闭地面上水的水源。该方法存在如下问题：(1)需要采用专用接头，该接头利用水压实现不上水时自动关闭，无法排空管内余水，使得上水工来回拖曳水管吃力，同时也不适合北方站区冬季使用；(2)当水箱上满水时，安装于溢流管的防溢器仍然流水，直到弹簧被压紧，故采用本方法亦为事后控制，并不能完全做到防止溢流现象发生；(3)当水箱上满水后，必须继续上水，直至接头处的水压大于该接头所能承受的最大水压，此时注水口处的压力一般大于200 kPa，这样水箱内压力过高有可能超过标准TB/T 1720—2010《铁道客车给水装置》[12]规定的“水箱内部的剩余压力不大于25 kPa”的要求。

赵自然等人发明的铁路客车车厢上水装置[13]利用变化的水流传递水满信息，其关键部件是特制的截止阀和联结器。安装在车上两根上水管路上的截止阀模块为一双通道单向阀，一个方向常通，另一个方向空气流通时开，有水经过时关闭；安装在车下上水管前端的联结器和截止阀对接时上水管路畅通，断开时停止上水。水箱上满水后，截止阀模块停止排气及排水，水箱内和上水管内压力增高，此时车上上水管路压力也增高，直至注水口处联结器脱落，系统自动停止上水，利用联结器和虹吸的共同作用，排空管内余水。此方案未考虑到水箱内还有一根溢流排水管，该水管上水时排气，水满后排水，受其影响，或因水箱压力不增加而导致不能实现水满自停，也可能因水箱压力增加缓慢使得溢流水量大；另外，联结器处的压力需要达到一定值后方可脱落，和前述的防溢流装置一样，可能造成水箱内压力过高而超过标准[12]的要求。

中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所提出的在车上加装排气排水阀[14]方案，是在两根上水管和溢流管上均安装排气排水阀，在给水栓井内安装压力传感器、控制装置和电磁阀。上水时，上水管路上的排气排水阀上水，另一根上水管和溢流管上的排气排水阀排气；在水箱上满水后，另一根上水管和溢流管上的阀封闭，通过排气排水阀干扰流场，水箱和管路压力增加，再经过设置在地下上水栓井内的压力传感器感知到水满前后的变化，利用控制装置关闭电磁阀，实现水满自停。该方案的优点是改造较简单，不需要使用车上的电源；接头非正常脱落也能自动停止上水；但仍属于溢流事后控制；且水箱内剩余压力仅满足TB/T 1720—1998《铁道客车给水装置通用技术条件》规定，故该方法仅适用于普速车的旧车改造，不适合动车等执行新标准TB/T 1720—2010《铁道客车给水装置》[12]的车辆。

综上，采用机械型防溢流装置的优点是改造简单，无需使用车上电源；但均属于事后控制，无法完全避免溢流的产生，同时水箱内剩余压力无法满足TB/T 1720—2010 《铁道客车给水装置》[12]对水箱内部剩余压力的要求。

4 结论及建议

4.1 结论

通过对现有溢流控制技术的分析可以看出，虽然目前研究成果较多，但尚未见适合于各种车型、不受车下上水系统影响、改造简单、稳定可靠的溢流控制技术，客车上水溢流浪费水的现象依然存在，有必要进行深入的研究。

4.2 建议

(1)因为无线发射信号存在着易受干扰、易产生误操作、安装较麻烦等问题，应重点研究水流传递水满信号的技术方案，并针对上满水前后水力学要素变化较小的情况，研究适宜的干扰流场技术。

(2)仅在车下进行改造难以适用于各种车型且受车下上水系统干扰较大，应采用车上车下一起改造的技术方案，车上改造内容应尽量简单、体积小、易维修。

(3)必须考虑车上水箱剩余压力标准问题，研究提出适用于旧标准的既有普速车改造和适用于新标准的动车改造技术。

[1] 熊艳根.铁路客车上水监控系统[J].上海铁道科技，2006(2)：37-38.

[2] 华开林，阎松林.铁路旅客列车节能上水系统的应用研究[J].铁道运输与经济，2006，28(12)：95-96.

[3] 李亚伟.智能管路控制装置及其应用[J].铁道标准设计，2006(2)：107-108.

[4] 杨帆，李国平，黎会鹏，等.基于PLC的列车给水监控系统[J].华中科技大学学报(自然科学版)，2006，34(8)：29-31.

[5] 陈晓帆，侯世全.铁路客车新型自动上水设备的研制[J].中国铁路，2008(6)：52-54.

[6] 郭厚焜，官海兵，李骏.基于数据处理的列车水箱水满判据研究[J].华东交通大学学报，2007，24(2)：92-95.

[7] 蔡体健.列车上水自动控制系统设计[J].华东交通大学学报，2008，25(3)：103-105.

[8] 张敏.铁路客车上水过程中水箱内压力变化的研究[J].铁道标准设计，2016(12)：153-156.

[9] 刘强.客车上水自动控制装置：中国，201320169114.X[P].2013-08-14.

[10] 苗成玺.铁路列车上水自动关闭装置：中国，201310319956.3[P].2016-03-02.

[11] 谢斌，顾长春.列车水箱防溢器的研制与应用[J].机械设计与制造，2007(9)：93-94.

[12] TB/T 1720—2010 铁道客车给水装置[S].北京：人民铁道出版社，2010.

[13] 赵自然，徐惠康，等.一种用于铁路客车车厢上水的装置：中国，200620133993.0[P].2007-10-10.

[14] 白晓军，侯世全，等.铁路客车上水溢流自动控制装置：中国，ZL201520124182.3[P].2015-03-03.

[15] TB/T 1720—1998 铁道客车给水装置通用技术条件[S].北京：人民铁道出版社，1998.

Progresses and Perspectives of Overflow Control in Railway Water Supply System

HONG Wei

(EnergySaving&EnvironmentalProtection&OccupationalSafetyandHealthResearchInstitute,ChinaAcademyofRailwaySciences，Beijing100081，China)

The Phenomenon of Overflow in Railway Water Supply System is very common.Although there are a lot of related researchs, but the simple and mature technology has not yet come out.The related research achievements of overflow control technologys in railway water supply system were analysed and summarized, and the technical development trend was proposed in this paper.

water supply system; overflow control; water pipes; hydraulic pressure

2016-09-09；

2016-10-27

中国铁路总公司科技研究开发计划课题《旅客列车上水综合技术研究》(编号：2015Z005-E)。

洪蔚(1986—)，女，浙江人，硕士，从事节能环保工作。

2095-1671(2016)06-0271-05

U291.1+<8 class="emphasis_bold">8 文献标志码：B8

B