一种高速动车组污物箱的设计与验证

刘厚文，战国璋

一种高速动车组污物箱的设计与验证

刘厚文1，战国璋2

（1.中车山东机车车辆有限公司，山东 济南 250021；2.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062）

以高速动车组真空集便系统的污物箱为研究对象，设计一种吊装真空保持式污物箱，设计过程包括有效容积设计、结构设计、防冻保护、液位检测等，其结构包括吸污管、通气管、检修口、清洗管、抽真空管等。通过SolidWorks软件对已设计的污物箱进行三维建模，之后用ANSYS软件进行模型处理及计算分析。按照标准对污物箱在不同工况下进行静强度和疲劳强度评估，并考虑不同液位下的影响。仿真时，考虑箱体内的负压和外部的气动载荷。同时对污物箱进行振动冲击试验验证。结果表明，设计的污物箱在理论分析计算和实际试验中，均满足强度要求。

高速动车组；集便系统；污物箱；振动；冲击

高速动车组中安装的集便系统是保证乘车旅客方便如厕不可缺少的重要设备[1]，污物箱则是集便系统的重要组成设备之一。污物箱吊挂在车体下部，如果其吊装结构或其他部位出现失效，会危害行车安全，甚至造成人员伤亡。因此，在设计污物箱时，除了满足应用的功能需要，更要满足结构强度需求。本文针对一种高速动车组污物箱进行设计，并对其进行强度和疲劳计算分析，同时对污物箱进行振动冲击试验，从而证明设计的污物箱满足动车组高速运营的需求，保证其使用的安全性和可靠性。

1 污物箱设计

1.1 有效容积设计

高速动车组运营中，污物箱存储卫生间集便系统中的排泄污物和冲洗水，以及洗面间、洗手盆中的洗手水[2]。当污物箱满时，集便系统不能再使用，因此，污物箱需要有足够的有效容积，计算为[3]：

式中：为污物箱的有效容积；为车厢定员；为高峰期的超员系数，根据列车运行线路乘客情况而定，建议取1.0～1.5；为每人每小时使用厕所的平均次数，取0.25次/h；为一个卸污周期内客车及动车组的运行时间；为冲洗一次便器使用的水量；为每次使用厕所的排泄物平均排放量；为每次使用洗手盆的平均用水量。

根据高速动车组的一般运营情况，载员量不大于80人/车，单程运营时间不大于12 h，按照便器冲水量不大于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/次计算，高峰超员系数取1.1，则污物箱有效容积为264 L。因此，550 L以上的污物箱有效容积能够满足动车组一个往返周期的使用要求。本文设计的污物箱有效容积为600 L。

1.2 结构设计

本次设计的是真空保持式污物箱。为了保证污物箱内的污物在动车组停运时能够正常吸污、检修以及清洗等，如图1所示，污物箱设置吸污管、通气管、检修口、清洗管和抽真空管等。

（1）吸污管。用于排空污物箱内的污物。吸污管延伸到污物箱底部的吸污槽内，保证每次吸污时，仅吸污槽内有少许污物，污物箱其余处无污物残留。

（2）通气管。通气管延伸至污物箱顶部，保证在污物箱吸污时箱内的正常排气，便于吸污设备的正常吸污。

（3）检修口。可通过打开污物箱检修口处的检修门，对污物箱内部进行清洁和检修。

（4）清洗管。用于对污物箱内壁的清洗。在清洗管路上设置多个扇形豁口，当清洗管注入高压水时，水通过扇形豁口喷出，对污物箱的侧壁和底部进行冲洗。

（5）抽真空管。连接至真空发生装置，是污物箱内建立真空的通道。

其中通气管、清洗管和吸污管在污物箱的两端各设置一处，并各设置一个手动球阀，需要时可以手动将球阀打开、关闭。当列车停靠时，在任意一侧都能对污物箱进行排污操作。

图1 污物箱结构示意

除上述描述的结构外，污物箱的结构强度主要取决于自身的箱体钢结构部分。钢结构主要包括10 mm厚吊耳、吊臂，3 mm厚胆箱体和加强筋。

因此，为保证污物箱的结构强度满足设计及实际使用要求，本文在材料选择、加强筋结构和焊接方式等方面做如下考虑：

（1）材料选择：污物箱与污物接触的部分必须是防腐性能好、结构强度高的材料，因此，本设计的污物箱内胆等与污物接触的部分采用316L（022Cr17Ni12Mo2）不锈钢，吊耳和加强筋等外部结构采用304（06Cr19Ni10）不锈钢。

（2）加强筋设计：由于设计的是真空保持式污物箱，在使用时，污物箱内时刻保持一定的负压，在卫生间使用时，箱体内的负压会降低，通常是在-35～-20 kPa之间变化。同时，在污物箱使用时，可能出现真空发生装置故障，导致箱内出现正压的情况，因此，污物箱需既能够承受反复变化的负压，又能够承受正压。另外，为了保证污物箱的防寒功能和良好外观，污物箱的加强筋高度应不大于防寒材的厚度。因此，污物箱采用高40 mm、宽50 mm的U型圈筋，圈筋之间的纵筋采用高30 mm的L型角筋。考虑到重量要求和盛污物后的受力情况，污物箱上下面中U型筋的厚度可大于立面U型筋的厚度。如图2所示。

图2 污物箱钢结构示意

（3）焊接方式：由于箱体盛装污物，因此，箱体采用满焊方式，保证箱体的密封。为了减少应力集中，U型圈筋和纵筋采用段焊方式。吊耳、吊臂等采用满焊方式，以满足吊装结构的强度。

1.3 防冻保护

冬季运营时，为了防止高速动车组污物箱内的污物结冻，造成箱内污物不能正常排出，甚至损坏污物箱，污物箱需设有防冻措施。防冻设计采用箱体外部包覆防寒材料，其导热系数在-20℃时不大于0.034 W/m·K，以减少箱体的内部散热。同时在箱体底部设置电加热装置，通过温控器来控制加热装置的启停[4]，使箱内污物始终保持在0℃以上，防止箱内污物结冻。本设计选用的加热装置功率为1600 W，温控器为机械开关式温控，温控开关设定值为3～8℃，当箱内温度低于3℃时，温控器闭合，加热装置启动，开始对污物箱进行加热；当箱内温度高于8℃时，温控器断开，加热装置停止加热。经试验，当污物箱所处外部环境为-25℃时，污物箱内部水的温度时刻保持在8℃左右。

1.4 其他装置

液位检测：为便于观察污物箱内存储污物量状态，在污物箱上设置液位检测开关和液位显示装置，其中液位显示装置在污物箱的两侧各设置一个，用于识别污物箱内污物的当前容量状态。当污物箱满时，集便系统禁止使用[5]；当污物箱即将满时，提示维护人员及时对污物箱进行吸污操作，保证污物箱能够正常使用。

灰水收集箱：设置在污物箱上，用于存储车上洗手盆和洗面间的洗手水。灰水收集箱箱体上设置液位开关，在灰水收集箱箱体和污物箱之间设置一个灰水阀，当灰水收集箱内的洗手水满时，灰水阀打开，洗手水可通过灰水阀被吸入到污物箱中。

2 污物箱强度计算分析

本文通过SolidWorks软件对设计的污物箱进行三维建模，之后用ANSYS软件进行模型处理及计算分析[6-7]。

2.1 污物箱建模及网格划分

为简化计算，不考虑对结构刚度贡献较小的部分水管及附属件，忽略小孔、小倒角等局部结构。将污物箱结构采用壳单元进行网格划分，网格平均尺寸10 mm，划分271376个单元，共计270619个节点。

2.2 材料参数

各部件材料的基本力学性能如表1所示。

2.3 约束和加载

污物箱通过螺栓连接固定在车体上，故螺栓安装面采用固定约束。污物箱中液体对箱体的压力采用静水压的方式加载，从自由液面开始线性加载面压力。空箱状态下没有静水压力，液位0%、25%、50%、75%、100%时的区别在于自由液面的位置不同。正压与真空负压分别均匀施加在内胆上。

裙板、底板的重量通过质点方式简化，加载于吊耳和底部支架的连接处。气动载荷分为正负两个方向，通过气压和压力面换算成力，加载于吊耳和支架连接处。其中，两侧裙板气动载荷为6 kPa，底板气动载荷为3 kPa。

2.4 静强度计算分析

根据EN 12663-1:2010[8]中6.5.2规定，按照P-II级分类的设备及部件，将其三个方向的冲击合成[9-10]，加载规则为：

向（纵向）：±3

向（横向）：±1

向（垂向）：(1±)

为垂向动载荷系数，在车辆端部时取2，呈线性下降到车辆中部时为0.5。保守取＝2进行简化计算。同时，对污物箱进行正压25 kPa和负压50 kPa的测试压力的计算。计算工况如表2所示。

计算求得污物箱在各状态下各工况的最大等效应力值。由结果可知，各工况下的最大等效应力值均小于许用应力，满足静强度设计要求。其中，母材的许用应力按照材料力学中的屈服强度选取，如表3所示，考虑到焊缝削弱，按照EN 12663-2:2010[11]第2部分，取安全系数为1.1。

表1 材料力学性能

表2 静强度计算工况

表3 材料的许用应力

在液位100%状态下工况1～工况7以及空箱状态下工况8的最大等效应力值最大，评估结果如表4所示。其他液位状态的应力结果不再赘述。

污物箱在工况1和工况2下的等效应力云图如图3所示，其他工况不再赘述。

图3 工况1和2下污物箱等效应力云图

2.5 疲劳计算分析

在集便系统中的便器使用期间，污物箱内的负压一般会从-35 kPa降低至-20 kPa，使用结束后系统再建立真空，污物箱内的负压又会升高至-35 kPa，如此反复。因此，结合污物箱的实际使用情况，并依据EN 12663-1:2010[8]中P-II级分类的设备要求，在进行污物箱的疲劳强度评估时，归纳如表5所示的几种工况。

表5 疲劳强度分析工况

根据计算结果选取应力较大的4个部位作为污物箱疲劳评估的热点，如图4所示。各热点的应力范围如表6所示。最后根据BS7608《钢结构疲劳设计和评定实用规范》标准中的-曲线，拟合出污物箱的疲劳寿命次数，如表7所示。

表6 各个热点的应力范围

注：空箱应力为4-1工况与4-2工况的应力差。

假设每5 min用一次卫生间，则一小时循环12次。列车每天运行12 h，一年365天，按照目前动车组30年的全寿命周期估算，污物箱的寿命次数至少需要满足12×12×365×30＝157万次的要求。由表7可知，各热点的疲劳评估次数均大于157万次，因此本污物箱寿命符合设计要求。

图4 污物箱疲劳热点位置示意

表7 各个热点的疲劳寿命评估

3 振动冲击验证

前文所述的设计描述及计算分析只是理论上的，缺乏实际验证，因此，接下来对污物箱进行振动冲击验证。按照IEC61373-2010《铁路应用－机车车辆设备冲击和振动试验》中I类A级的要求[12-13]，对设计的污物箱依次进行三个方向的模拟长寿命振动试验、冲击试验和功能振动试验。如图5所示，将箱体按照实际与车体连接的方式固定在实验台上，按照表8～10的试验工况进行试验。试验时，用水模拟污物，且污物箱为满水状态。

表8 模拟长寿命试验工况

注：ASD（Acceleration Spectrum Density）为加速度频谱密度。

在三个方向的模拟长寿命振动试验、冲击试验和功能振动试验的试验过程中及试验后，污物箱未出现变形、断裂、漏水或其他性能失效等现象，污物箱结构良好，无损坏。

图5 污物箱振动冲击安装示意图

表9 冲击试验工况

注：冲击波形为半正弦波。

表10 功能性随机振动试验

4 结论

根据高速动车实际的运营环境及工况，本文从箱体结构、材料、使用功能等方面完成了一种真空保持式污物箱的设计，并对其进行静强度计算分析。分析结果表明，该污物箱在各工况下的最大应力均小于相应材料的许用应力，静强度满足BS EN 12663-1:2010[8]的要求；疲劳强度计算分析中，该污物箱在疲劳载荷作用下，拟合出满箱和空箱状态下的循环次数分别为412和477万次，满足实际使用中的寿命要求。最后进行实际的振动冲击试验验证。在进行三个方向的模拟长寿命试验、冲击试验、功能性随机振动试验后，污物箱无开裂、漏水或变形，机械结构良好。

通过对污物箱进行设计、强度和疲劳计算分析，以及污物箱实际的振动冲击试验，表明设计的污物箱能够满足动车组高速运行的要求，具有高安全性、高可靠性和长寿命的优点。

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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

刘厚文（1986－），男，山东滕州人，硕士研究生，高工，主要研究方向为铁路集便装置，E-mail：liuhouwen503@163.com。