新型机车整体卫生间系统技术研究

沈骏，水春雨，薛强，龚圣阳，萨姝君，武满巨

(1.中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所,北京 100081；2.中国铁路呼和浩特局集团有限公司集宁机务段，内蒙古 集宁 012000)

1 概述

当前，我国和谐型电力机车，已经普遍安装有机车卫生间，主要有“干粉生化式”和“高压水冲式”两种。其中，“高压水冲式”卫生间占据了绝大多数。各路局机务段的机车卫生间在实际运用过程中，反映出不少问题，大量的机车卫生间无法投入实际使用，给执乘人员带来了不便，执乘人员的如厕问题，一直没有得到有效解决[1]。这些突出问题，主要反映在以下四个方面：

(1)厕所异味大。“高压水冲式”卫生间，异味不可能通过盖板方式彻底屏蔽，加之机车卫生间的空间狭小，异味很难消除。尤其是“干粉生化式”卫生间，几乎到了恶臭难闻的地步。

(2)使用成本高。“干粉生化式”卫生间，不仅维护困难，作业环境恶劣，更换卫生间内部的微生物及耗材的间隔时间短，而且每次更换的采购成本高，使得运营成本过高。

(3)水箱及污箱容量小。机车出库后，中途无法上水及卸污，“高压水冲式”卫生间单次冲洗耗水量仍然偏大，且无法一次冲洗干净，需多次冲洗，增加了耗水量，难以满足机车的实际运行需要。

(4)坐便器不符合使用习惯。原有的机车卫生间内部，均使用的是坐便器，不符合亚洲人种使用习惯。执乘人员或者不使用，或者双脚踩踏在坐便器上使用，存在安全隐患。同时，坐便器给卫生间内部带来了卫生死角，容易积淤，清理不方便。

随着真空集便器技术越来越广泛地应用在我国铁路的客车、动车、高铁等领域，真空集便器已经得到了业界的广泛认同。新型机车整体卫生间采用真空集便技术，但与客车真空集便器有所区别，由于机车卫生间放置在机车内部，需符合更高的技术指标要求，如：冲击振动、疲劳寿命、电磁兼容、高低温、高湿度、保温隔热、隔音等[2]。

新型机车整体卫生间集成照明、取暖、盥洗、真空集便、空气净化等功能，主要包括气动或电动真空发生装置、水增压装置、车载真空集便器、污物收集装置、水箱供水装置、控制及显示装置、空气净化装置等。其中，真空发生装置采用真空发生器，真空集便器采用“蹲便式真空集便器”系统，真空集便系统通过两种冲洗模式，减少耗水量；盥洗室和高压水通过增压泵实现供水，盥洗水通过控制每次供水量实现用水控制；空气净化采用先进离子除臭技术，对卫生间中硫化氢、氨等有害气体进行分解，达到除臭效果；对卫生间照明及取暖进行优化，卫生间的运行仅需要维持系统的水、电、气，不需要额外的化学药剂，维护简单[3]。

2 系统组成

新型机车整体卫生间系统的组成包括以下六部分：

2.1 污物箱

由于机车卫生间内空间狭窄，必须将污物箱和蹲便器设计成为一个整体结构，不占用车下空间，蹲便器做了一定抬高，比地板高出约150 mm，以确保污物箱容积不减少，污物箱容积为60 L。改造后的污物箱如图1所示。

图1 污物箱

2.2 蹲便器

真空蹲便器安装在污物箱顶部，通过管道和污物箱、水增压模块连接。蹲便器结构示意图如图2所示。

图2 蹲便器

2.3 水增压模块

水增压模块采用气动增压方式，取消控制阀门，维修更方便，若损坏可直接更换模块。

2.4 水箱

水箱主要用于储水，其结构示意图见图3。

2.5 上水及排污

机车卫生间车下管道部分为上水和排污管道。

2.6 其他部分

卫生间还包括控制模块，加热防冻设施，照明灯、排风扇等。

3 工作原理

3.1 真空集便系统

新型机车整体卫生间的集便系统采用真空保持式集便器。其工作原理为：污物箱始终保持在一定真空范围内。真空建立过程为：当污物箱内部真空值低于真空传感器的设定值时，启动真空发生装置对污物箱抽真空，达到设定值时，停止产生真空[4]，如图4所示。真空集便系统有以下四种状态：

1.风扇EV1 2.照明灯EL1 3.风扇开关 4.照明开关 5.取暖器开关 6.取暖器 7.触摸屏 8.控制板 9.进电源空开 10.空气净化器 11.大便冲洗按钮B1 12.小便冲洗按钮B2 13.防冻排空按钮B3 14.紧急排放按钮B4 15.调压阀1 16.正常指示灯 17.报警指示灯 18.水箱15%液位灯 19.水箱正常灯 20.污箱90%液位灯 21.管道排空指示灯 22.水箱加热棒 23.水箱15%液位开关 24.水箱温度传感器 25.水箱 26.出水口 27.注水口 28.溢流口 29.粗过滤器 30.臭气过滤器 31.真空发生器 32.真空负压表 33.两位三通电磁阀/NC 34.两位三通调压阀/NO 35.两位三通调压阀/NC 36.水增压罐液位开关 37.两位三通电磁阀/NO 38.真空传感器 39.真空排污阀 40.真空蹲便器 41.放气电磁阀 42.电磁水阀(蹲便器) 43.精过滤器 44.水管伴热线 45.洗手水阀 46.洗手按钮 47.洗手节流阀 48.洗手盆 49.气缸阀 50.排气管道 51.手动放气阀 52.排污管道 53.手动排污阀 54.排污管伴热线 55.污箱90%液位开关 56.污箱温度传感器 57.污箱加热棒 58.检修口 59.气缸阀 60.污箱 61.水增压罐 62.两位三通电磁阀/NO 63.气控阀图4 真空保持式机车卫生间原理图

3.1.1 待机状态

系统处于待机状态时，污物箱内保持真空，冲洗阀、排泄阀处于关闭状态，真空发生器处于非工作状态；水增压器内充满水处于非上水状态。

3.1.2 冲洗循环状态

按下冲洗按钮(大便/小便)后，开始进行便器冲洗循环，冲洗阀打开，使加压后的水通过冲洗阀进入便盆，对便盆进行冲洗。冲洗时序如图5，图6所示。

图5 大便冲洗时序图

图6 小便冲洗时序图

便盆内的污水在真空的抽吸作用下直接进入污物箱内；冲洗动作结束后，冲洗阀关闭，水增压器内开始上水；便盆排空动作结束后，排泄阀关闭，进行二次冲水，在便盆形成小水湾[5]。

3.1.3 防冻排空状态

一般情况下(除低压报警状态)，可以启动一键排空功能，系统根据清水箱液位高度，自动将清水箱中水排尽；自动进行3次冲洗循环，将水增压及管路中余水排尽。

3.1.4 报警状态

当系统检测到污物箱内真空度小于设定值时，系统自动进行抽真空动作，如果两分钟后，污物箱内真空值达不到设定值，低真空指示灯亮，提示抽真空异常。污物箱达到100%液位后，系统自动停止便器动作，同时100%液位指示灯亮。系统处于停止使用状态。

3.2 空气净化装置

通过使用“强化活性氧”氧化灭活有害气体和微生物。离子管的电极中间被不导电的阻碍介质分开，接通高压电后被迫产生释放电能的过程。通过这个放电过程产生的能量被空气中的氧分子和水分子所吸收就产生了“强化活性氧”，活性氧通过氧化异味空气，同时发生化学变化，产生新的无味、无害的物质，活性氧还可以破坏微生物(病毒、霉菌、酵母菌和细菌)内部的细胞结构，达到灭活的目的[6]。

3.3 盥洗装置

触发洗手按钮后，洗手水增压泵和洗手电磁水阀同时打开，控制每次用水量。

3.4 取暖装置

根据机车卫生间空间及布局，优化取暖器安装位置及方式，提高空间利用率。

4 系统特点

新型机车整体卫生间系统采用模块化设计，满足机车工况要求，具有如下特点：

(1)改善环境。整体卫生间采用真空集便装置，杜绝了臭气外溢，通过空气净化装置对卫生间内空气进行净化，对异味进行净化及微生物(病毒、霉菌、酵母菌和细菌)灭活，改善了执乘人员的作业环境。

(2)耗水量低。通过大小便冲洗的不同冲洗循环，降低耗水量，增加集便系统使用次数。

(3)结构紧凑。系统采用模块化设计，使得机车卫生间内极为紧凑的空间得以充分利用，有效利用了有限空间。

(4)故障率低。与铁路客车的公共环境相比，采用“真空保持式”技术使得系统的故障率大大降低。

(5)维护性好。维护工作简单易行，可做到“即换即用”，直接将有故障的模块拆除，更换为新的模块即可。

(6)使用简单。原理上的简化，给实际的使用带来了简化，简洁易懂的显示面板给使用者以“所见即所得”的感受，使用者仅需简单培训即可操作使用。

5 系统关键技术

(1)采用嵌入式蹲便器。由于机车卫生间内空间狭窄，将污物箱和蹲便器设计成为一个整体结构，不占用车下空间[7]。

(2)离子除臭技术。在电场效用下，离子发生器产生大量的α粒子，α粒子与空气中的氧气分子施行碰撞而形成正、负氧气离子。正氧气离子具备很强的氧化性，能在极短的时间内分解甲硫醇、氨、硫化氢等污染因素，达到净化空气的目的[8]。

(3)两种冲洗循环模式。当使用者按下大便冲洗按钮后，电气控制系统打开真空排污阀，同时少量高压水冲洗便池，污物通过真空排污阀及真空管道被吸入污物箱内，真空排污阀关闭，继续少量水冲洗，形成水封，等待下一个循环，整个工作周期7 s左右，耗水1 L以内。小便冲洗时序中真空排污阀打开时间比大便冲洗时序时间短；如果在污箱建立真空的过程中按下冲洗按钮，系统不会立即启动冲洗过程，需等到真空达到设定值后再响应这个冲洗动作，等待时间视污物箱内的空气容量而定，如果抽真空时间过长，系统控制箱会发出报警指示[9]。

(4)卫生间功能模块化、集成真空集便、盥洗、照明、除臭、电加热。

6 结束语

新型机车整体卫生间系统各项功能齐全且人性化，有效解决了目前各线路上机车卫生间存在的异味大、故障多、不易清理、使用不便等一系列问题，改善了机车执乘人员的工作环境。

[1] 刘宇奇,刘会岩,张磊，等.机车整体卫生间结构设计及仿真分析[J].内燃机车，2006(9)：26-27.

[2] 徐强,张春云.HX_D3型机车整体卫生间工作原理及常见故障处理[J]. 铁道机车与动车，2015(1)：37-38.

[3] 欧阳国强,杨德良, 王英姿.基于PLC控制的机车整体卫生间气动冲洗系统的设计[J]. 液压与气动，2011(2)：30-31.

[4] 崔婧美.新一代高速动车组卫生间的设计[J].科技促进发展，2012(s1)：63-66.

[5] 范青杨.集便器在中国轨道车辆上的应用[J].城市轨道交通研究，2008(5)：123-125.

[6] 余士顶.列车集便系统原理及常见故障浅析[J].铁道机车车辆，2009(6)：63-65.

[7] 钱文伟.列车集便装置发展的现状及对我国开发集便装置的建议[J].河南机电高等专科学校学报，2000(9)：41-45.

[8] 王凯.列车集便装置故障原因分析及解决措施[J].中小企业管理与科技,2016(1)：266.

[9] 张轶,李明崎.提速客车MONOGRAM真空集便器运用探讨[J].铁道技术监督，2009(11)：16-17.