螺旋槽原理在軌道車輛門系統水密性試驗標準NF NF F F31-054中的應用

董乃偉

（南京康尼機電股份有限公司，江蘇南京 210038）

螺旋槽原理在軌道車輛門系統水密性試驗標準NF NF F F31-054中的應用

董乃偉

（南京康尼機電股份有限公司，江蘇南京 210038）

本文通過對法國鐵路標準NF F31-054的解讀，利用液壓控制理論知識及螺旋槽結構原理，設計出了螺旋槽式淋雨噴嘴。并以作者主導研制出來的淋雨試驗裝置通過國際知名客戶驗收認可為實例驗證。

法國鐵路標準NF F31-054；水密性（淋雨）試驗；液壓控制原理，螺旋槽原理

法國人引以為豪的巴黎地鐵也被稱為全世界最密集、最方便的城市軌道交通系統之一。于1900年起運行至今已有100多年的歷史。據統計，巴黎地鐵的總長度200多公里，14條主線、2條支線，總計有380個車站，87個交會站。每天的客流量超過600萬人次。在這個發展過程中，逐漸形成了法國鐵路標準（NF railway standards）。如今這些標準被全世界軌道交通行業借鑒、引用及執行。

我國現代城市軌道交通是以1965年7月1日開工建設的北京地鐵為開端，發展至今已有50年的歷史。隨著我國經濟的發展和城市化進程的加快，大城市及特大城市都在走一條以軌道交通系統為骨干，以公共交通為主體，多種交通方式相互協調的綜合智能化交通系統。隨著城市軌道交通建設的發展，以車輛為代表的技術體系也實現了現代化。通過國際技術交流合作，引進先進技術，實現設計制造技術的現代化。在與國際接軌的過程中形成了具有中國特色的城市軌道交通政策、法規和標準體系。

1994年11月20 日由法國標準化協會會長批準執行的NF F31-054，專門用于城市及郊區鐵路網運輸的客車車門特性-啟閉-檢測和實驗，其中，客車車門水密性試驗（我們習慣稱之為淋雨試驗）是該標準中一項重要的操作實驗［1］。

市場上淋雨試驗裝置種類繁多，沒有統一的規定。但是，所有淋雨試驗裝置中都必不可少的是淋雨噴嘴裝置。整個淋雨試驗的成功關鍵也在于淋雨噴嘴的設計制作。各種淋雨噴嘴的結構形式也有很多，本文主要研究其中一種結構：螺旋槽式的淋雨噴嘴結構。

1 NFF31-05標準關于淋雨試驗要求解讀

1994年11月20 日執行的NF F31-05標準關于客車車門淋雨試驗要求如下：

該試驗在正常大氣條件下進行，接受試驗的車門安裝在接觸面與車廂接觸面相同的結構上。車門關閉上閂。

門的外表面接受噴頭噴水，同時加以保護以免水噴到內表面上。

10個噴嘴規則地安裝在垂直欄桿上，第1個位于門檻上，最后一個在門體頂部密封層的上方，垂直于車門，距車門（300±10）mm。

每個噴嘴在垂直面上的噴射角度為（50±2）°。

在兩噴嘴噴水覆蓋區域的重疊區域的噴水圖案的水為卵球形，長軸為垂直方向，噴射寬度為（45±5）mm。

欄桿與車門的相對位移速度為（3±0.15）cm/s。

水壓值為（300±10）KPa，即水壓值為3bar.

每個噴嘴的最小流量（包括兩端噴嘴）為7L/min。

與1994年執行的NF F31-054標準相對應的是2005年德國標準化研究所編制并由拜爾特出版社有限責任公司出版的歐洲標準EN 14752:2005，該標準由歐洲標準化委員會（CEN）成員國比利時、丹麥、德國、愛沙尼亞、芬蘭、法國、希臘、冰島、愛爾蘭、意大利、拉脫維亞、立陶宛、盧森堡、馬耳他、荷蘭、挪威、奧地利、波蘭、葡萄牙、瑞士、瑞典、斯洛伐克、斯洛文尼亞、西班牙、捷克共和國、匈牙利、英國和塞浦路斯國家標準局一致通過并實施至今，為世界上很多鐵路同行所采用。EN 14752：2005標準是在NF F31-054的基礎上形成的，其中關于淋雨試驗要求項目，EN 14752：2005標準與NF F31-05標準相比，噴嘴流量由7L/min變更為14L/min，流量成倍增加，其余的要求基本無變化［2］。

2 淋雨噴嘴設計：

2.1 淋雨噴嘴設計必須同時滿足標準中的以下幾個條件：

①水壓值為（300±10）KPa，即水壓值為3bar.

②每個噴嘴在垂直面上的噴射角度為（50±2）°

③每個噴嘴的最小流量（包括兩端噴嘴）為7L/min。

2.2 噴嘴總體結構

噴嘴總體結構由噴嘴體、噴嘴芯、噴嘴蓋三部分組成。噴嘴體起連接作用，噴嘴體一端連接給水裝置，另一端連接噴嘴蓋。噴嘴芯裝在噴嘴體內，噴嘴芯上帶螺旋槽。

2.3 確定噴嘴蓋上小孔直徑

由于噴嘴蓋厚度較薄，孔徑相對于噴嘴長度尺寸的比例符合液壓原理上的薄壁小孔流量規律，因此此處噴嘴蓋的小孔直徑確定套用液壓原理上的小孔薄壁流量公式［3］。

10個噴嘴每分鐘最小流量是70L，根據這個要求，利用壓力、流量、薄壁小孔流量函數關系先確定出每個噴嘴蓋上的小孔直徑：

式中，d為噴嘴小孔直徑，單位：mm；p為噴射壓力，單位：bar；q為噴射流量，單位：L/min；n為噴嘴個數。此處取1；

可以得出噴嘴小孔直徑：d=3.2mm。

2.4 確定噴芯螺旋槽相關尺寸

在噴嘴流量及噴射角度確定的情況下，反推確定噴芯螺旋槽結構的相關參數。此處螺旋升角理論數據應為25°，由于制造誤差及摩擦阻力因數的影響，此處螺旋升角選擇為30°。為了保持噴芯在噴嘴體內平穩，螺旋槽頭數設計為3。螺旋槽深度及寬度尺寸根據單位流量即可確定。

由于理論計算與實際工作環境有一定的誤差，因此噴嘴設計并制作出來后，還要經過試噴及修正參數的過程，最終才能實現噴射壓力、噴射流量、噴射角度的完美統一（見圖1）。

圖1

2.5 兩淋雨噴嘴噴水重疊區域圖案為卵球形的驗證

如圖2所示，由于兩噴嘴噴出水的形狀均為圓錐體，兩個圓錐體相交的相貫線即為卵球形。

圖2

設兩淋雨噴嘴碰水重疊區域交叉點距離噴嘴出水口的距離為L，單位為mm，

噴水輪廓線與中心線的角設為α，單位為度。

由幾何關系可得：

L=250/tgα，

代入相關數據即可得出：

L=536.48mm

圖3

即從理論上講，兩噴嘴噴出的圓錐體水柱在距離噴嘴536.48mm處開始相交，形成卵球形圖案。當然由于外界因素，如噴嘴制造誤差、風向等的影響，兩水柱的交匯距離L可能不是536.48mm，是一個變化值。但這不影響整個淋雨試驗的結論（見圖3）。

3 結語

本文通過對法國NF F31-054中關于客車車門水密性試驗要求的解讀，參照液壓控制系統理論技術及螺旋槽理論原理，設計并制作出了螺旋槽式淋雨噴嘴，為NF F31-054水密性試驗裝置噴嘴設計起到了拋磚引玉的作用。作者主導研制出來的淋雨試驗裝置完全符合相關標準要求，得到了法國阿爾斯通等國際知名車輛制造公司的驗收認可。

［1］NF F 31-054 Railway applications-Rolling stock Testing of rolling stock on completion of construction and before entry into service，1994.

［2］EN 14752-2005 Rail?way applications-Bodyside en?trance systems，2005.

［3］常同立.液壓控制系統.清華大學出版社，2014.

Application of Helical Groove Principle inWatertightness Test Standard NF F31-054 of Door System for Railway Vehicle

Dong Naiwei
(Nanjing KangniMechanical&ElectricalCo.，Ltd.Nanjing Jiangsu 210013)

Through a interpretation of France railway standard NF F31-054，this article designed helical groove type water test nozzle with know ledge of hydraulic control theory and structure principle of helical groove.This water test device，mainly developed by the author，has acquired the acceptance of internationally-renowned customer，therefore is validated by actual test.

France railway standard NF F31-054，water test，hydraulic control theory，princip le of helical groove

U270

：A

：1003-5168（2015）03-0058-3

2015-2-24

董乃偉（1975-），男，大專，工藝師，研究方向：軌道車輛門系統制作工藝及檢測裝備。