動車組集便器檢修線設計

王孝君， 秦傳鑫

(1 北京鐵路局 車輛處， 北京 100860；2 北京鐵路局 北京動車段， 北京 102600)

近年來，隨著高鐵、客專等線路的大規模開通，速度快、舒適度好的高速動車組列車越來越成為人們出行的首選交通工具。動車組列車運行速度及運行線路條件均遠高于普速列車，為了解決以往直排式污物處理方式對鐵路沿線環境造成嚴重影響，杜絕運行列車拋灑異物對列車及沿線產生的安全隱患，采用真空集便器方式處理污物，使列車運行途中做到零排放，不僅打造綠色生態鐵路線，而且還能帶給旅客舒適安全的出行環境。

1 高速動車組集便器檢修問題與檢修設計方案

雖然集便器的功能比較單一，但真空集便器實現了收集污物而不影響車體環境的重要功能。為保障列車運行過程中這整套集便器系統能夠正常運行，需要對其進行定時檢修。我國動車組檢修規程中規定，動車組在運行狀態下，僅能對集便器進行在線故障處理，只有在檢修狀態下才能進行系統的車下檢修。以往針對不同類型的集便器需要不同的檢修設備，工序繁雜。為集中統一檢修不同動車組的集便器，設計了動車組集便器統一檢修方案和檢修工藝，能夠完成5種動車組集便器的座便器、小便器、污物箱檢修，能夠實現無線遠程控制，統一了檢修方法等功能，滿足了不同類型集便器集中統一檢修。

圖1是設計的檢修工藝方案示意圖，檢修方案包括了待修待檢區、污物箱分解檢修組裝區、污物箱便器試驗區、便器配件檢修區、清洗消毒區、配件儲存區，涵蓋了所有動車組集便器關鍵部件。

2 動車組集便器原理及檢修工藝需求

檢修工藝需根據集便器的功能原理和實際情況(場地、工具、人員)設計，集便器的功能原理是設計檢修工藝的決定因素。真空集便器根據真空產生的位置不同，可分為在線式、壓力沖水式、保持式和中轉式4種類型[1]。高速動車組主要有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH380A/AL、CRH380B/BL、CRH380CL等系列，其中CRH1型動車組主要采用在線式真空集便器，CRH2型動車組主要采用壓力沖洗式真空集便器，CRH380B系列動車組主要采用真空保持式真空集便器，CRH380A系列、CRH3C、CRH5A型動車組主要采用中轉式真空集便器。

圖1 集便器檢修工藝布局圖

2.1 在線式集便器原理

在線式真空集便器一般由便池、噴射器、污物箱3部分組成。在線式真空集便器的優點在于吸污效果好、沖刷等待時間和單次沖刷循環時間較短，不受污物箱容量的限制，維修簡單，但其能耗較大[2]。

污物箱需處于常壓狀態，啟動噴射器，在便池和污物箱之間的管道內產生約-35 kPa的間隙式真空，同時壓縮空氣作用于水增壓器，產生一定壓力的水流沖洗便池，再排放閥打開，在壓力水流和間隙式負壓力作用下，污物被吸入污物箱，隨之排放閥關閉。

2.2 壓力沖洗式集便器原理

壓力沖洗式真空集便器一般由便池、水增壓裝置和污物箱組成。壓力沖洗式真空集便器優點在于能耗小、維修簡單，但其污物清理效果不夠理想。

其沖洗水出口安裝在便池組成單元內部，通過電磁閥控制壓縮空氣作為動力，操作水增壓裝置和排污閥工作。沖洗用水由壓縮空氣增壓，產生大于0.3 MPa的壓力水對便池進行沖洗，污物在壓力水沖洗及重力的雙重作用下被排放到污物箱內后瓣閥關閉，水增壓器恢復水位。為防止異味，便池在排污過程中啟動廢排風扇將異味排到廢排風道中。

2.3 真空保持式集便器原理

真空保持式集便器的優點在于清理效果好、排污率高、管路污垢較少，但其耗能較大。

真空保持式集便器通過真空發生器上的噴射器將整個污物箱抽成負壓，在污物箱和排污管內建立并保持一定的真空度(一般真空度需達到-18 kPa以上)。沖洗時，壓縮空氣作用于水增壓器，產生一定壓力的水流沖洗便池，隨之排泄閥打開，在壓力水流以及污物箱和管路負壓力的雙重作用下，將污物吸入污物箱后，排泄閥關閉，水增壓器恢復水位，為下次沖洗做好準備。

2.4 中轉式真空集便器原理

中轉式真空集便器最大的優點就是空氣消耗量小，各部件安裝緊湊，節省空間；而存在的最大缺點就是增加了容量較小的中轉箱和相應的進、出口閥門，使得中間環節增加，導致容易堵塞，同時由于部件緊湊導致維修難度加大[3]。

中轉式真空集便器在便池與污物箱之間增加了一個中轉箱，噴射器只在中轉箱中產生真空。沖洗時，中轉箱首先產生約-40 kPa的負壓力，污物在水增壓器產生的沖洗水壓力和中轉箱負壓力的作用下被輸送到中轉箱內，污物進入中轉箱后，氣源處理裝置在中轉箱內沖入壓縮空氣，使中轉箱內形成正壓(一般達到約60 kPa)，中轉箱內的污物在正壓力的作用下通過管路被輸送到非密閉式污物箱中。

2.5 集便器檢修需求

集便器檢修線包括集便器污物箱功能試驗臺、便器試驗臺、污物箱翻轉臺、便器檢修臺、測試平臺、檢修管理信息系統等模塊。根據上述集便器的功能原理，集便器檢修線各模塊需求如下：

(1) 集便器污物箱功能試驗臺需滿足①檢測伴熱線、電加熱管功率及加熱指示是否功能正常；②檢測污物箱上配線各項與地之間的絕緣耐壓性能；③真空密封性檢測功能；④液位動作檢測功能。

(2) 集便器試驗臺需滿足①沖洗動作檢測功能：②沖洗流型檢測功能；③沖洗管路泄漏檢測功能；④沖洗循環時間檢測功能；⑤真空度檢測功能；⑥壓力開關動作點檢測功能。

(3) 污物箱翻轉臺需滿足①污物箱分解、組裝作業時的翻轉；②轉速需達到3 r/min；③緊急停止運行功能；④電機過熱保護功能；⑤安裝座位位置可調，滿足不同外形尺寸部件要求。

(4) 集便器檢修臺需滿足：滿足各集便器的分解、組裝及集便器性能的測試工作。針對集便器零件進行檢修，濾掉不合格配件，并確保維修過的配件都能達到裝車要求。

(5) 集便器測試平臺滿足：檢測集便器是否正常完成整個沖洗動作循環功能。包括檢測沖洗流型是否正確、沖洗管路及接頭有無泄漏、檢測完成一次沖洗循環的時間、檢測抽真空的真空度值、檢測加壓壓力值、檢測壓力開關動作點等功能。

(6) 檢修管理信息系統需滿足①考勤及查詢記錄相關操作者信息；②記錄并查閱各設備信息；③記錄相關檢測情況；④具備打印功能。

3 檢修方案及檢修工藝設計

測試平臺是集便器檢修工藝流程中非常重要的一道檢修工序，其測試方法及結果的準確性直接影響到整個集便器檢修的工作量。

設計的檢修工藝流程如圖2。

圖2 檢修工藝流程圖

檢修方案工藝設計主要包括集便器污物箱試驗臺、污物箱翻轉臺、集便器檢修臺、集便器測試平臺、檢修管理信息系統及其他輔助設備等。

3.1 集便器污物箱試驗臺設計

集便器污物箱由操作臺、水箱系統、試驗托架等部分組成。操作臺采用琴式結構，操作面板上設有用于試驗操作的開關及按鈕、能顯示所有試驗項目及參數并且觀察其檢測狀態的液晶顯示器，操作臺柜體中裝有工控機及空氣調壓閥、水壓調節系統等。水箱系統由水箱系統、水泵、壓力傳感器及溢流閥等組成。集便器整體試驗時都固定在試驗托架上，排水口直接插入水箱中，實現水循環。檢修時，操作臺主要由研華工控機操作，將試驗過程用程序通過DI/DO板輸出至繼電器板，驅動相應的電磁閥，進而控制有關氣路的通斷，以實現試驗所規定的動作。2只壓力傳感器分別將被測件氣壓和被測件水壓轉換為標準電流信號，通過AD4117采集模塊變換為數字量進入微機處理后即可得到相應的試驗結果。試驗結果可以在計算機系統中輸入并存儲，并且可以實現打印功能。

圖3 污物箱試驗臺設計原理圖

3.2 污物箱翻轉試驗臺設計

污物箱翻轉臺是將污物箱固定在翻轉臺上，通過翻轉對污物箱四周進行檢測，查看是否破損等。污物箱翻轉試驗臺由架體、翻轉體、減速電機、減速機等主要部件構成。翻轉臺整體為碳鋼管和板焊接而成，配備了控制開關柜、內置正反轉開關、急停按鈕、電機過熱保護設施。在使用時，可根據自己的需要進行正轉或反轉直至污物箱達到需要的位置。滿足遇到緊急情況時及時能夠切斷控制回路，使正轉、反轉按鈕失效，保證設備緊急停止運行。滿足當電機出現過壓、過流、短路等故障時，電機過熱保護器自動斷開主控電路和控制回路，對電機及機械部件起到保護作用的要求。

3.3 集便器檢修臺

集便器檢修臺主要由拆解區、零件暫存區、零件檢修區、組裝區、信息存儲區組成。配有水源、氣源、電源、零件檢修需要的儀器儀表以及零件檢修需要的工裝等，針對便器零件進行檢修，濾掉不合格配件，并確保維修過的配件都能達到裝車要求。該檢修臺檢修功能設計，涵蓋所有類型集便器檢修需求，檢修內容有：(1)壓力開關檢修；(2)液位開關檢修；(3)壓力表檢修；(4)水增壓器檢修；(5)真空發生器檢修；(6)中間箱檢修；(7)電控模塊檢修；(8)排泄閥檢修；(9)電磁閥檢修；(10)安全閥檢修；(11)減壓閥檢修；(12)感應器檢修；(13)溫控器檢修；(14)電加熱管檢修。

3.4 集便器測試平臺設計

試驗臺裝置模擬旅客列車集便器系統，構建模擬氣路、真空管路、沖洗水及排污管路，用PLC數據采集技術對真空集便器系統各零部件的各項試驗數據進行采集，采集的測試數據經過A/D轉換，通過開關量I/O板，控制和讀取被試動作，與程序設定的出廠標定數據庫進行綜合比對，判斷所測參數是否合格。

由于各車型集便器的組成不同，所有的測試連接部件均采用模塊化，同時均使用快速接頭進行連接，圖4中所示的原理圖是以較復雜的中轉式真空集便器為檢測對象的集成測試平臺原理圖。

圖4 集便器的集成測試平臺組成示意圖

集便器功能檢測主要檢測集便器是否正常完成整個沖洗動作循環。針對真空保持式集便器功能檢測主要包括：集便器進行正常沖洗時，沖洗流型是否正確、檢查集便器正常沖洗循環中，沖洗管路及接頭有無泄漏等。針對推拉式集便器功能檢測主要包括：檢測集便器進行正常沖洗時，沖洗流型是否正確、檢查集便器正常沖洗循環中，沖洗管路及接頭有無泄漏、檢測完成一次沖洗循環的時間、檢測抽真空的真空度值、檢測加壓壓力值、檢測壓力開關動作點等。

3.5 檢修管理信息系統

檢修管理系統主要由工控機、觸摸屏顯示器、鍵盤、指紋考勤機、條形碼生成器、條形碼讀卡器、終端機配套外殼組成。該系統主要功能是記錄并查詢工作人員信息；記錄相關待修緩存區內，待檢設備的名稱、來源、數量、現狀、進廠日期等信息；查閱相關檢測操作手冊等資料；記錄相關檢測情況；具備打印功能。

圖5 檢修管理信息系統

3.6 其他輔助設備

(1) 高壓清洗設備：高壓循環清洗設備用于污物管路及污物箱的清洗工作。此設備把清水通過高壓泵打入管路和箱體，同時污物箱內清洗完的液體通過轉子泵抽回到清洗設備中，實現集中排放。

(2) 電動升降轉運叉車：采用進口電控及液壓單元，環保節能。其結構堅固穩定。低噪聲、無污染、故障率低、易于維修。適用于倉庫、貨場及狹窄的通道中存取貨物。

(3) 存放托盤：主要材料為鋼材、鍍鋅鋼板。經專用設備成型，各種型材互相支撐，鉚釘連接加強，再經

CO2氣體保護焊焊接而成。配合叉車作業，方便存取貨物。規格：1 000×1 200×130。

(4) 污物箱水壓密閉性試驗工裝：通過水加壓泵對污物箱內膽打100 kPa水壓，檢測污物箱泄漏點。

4 結 論

拼裝式測試平臺適用于各型號真空集便器系統的功能檢測，該測試平臺具有很高的可靠性及實時性。可對系統中所有測試參數進行修改、重新設定，以滿足不同工況的測試需要。能夠有效地檢測各類型集便器是否能正常完成整個沖洗動作循環包括集便器正常沖洗循環中沖洗流型是否正確，沖洗管路及接頭有無泄漏等。并且該測試平臺具有自動記錄和打印功能，把測試數據自動保存在相應設定的目錄文件夾中，可選擇有用數據進行打印以備查詢。測試平臺操作流程簡便，全部試驗主要通過計算機自動控制與檢測，極大地降低了測試工作量，一定程度上節省了人力、物力，提高了工作效率，是一種經濟有效的測試檢修方式。通過該測試平臺，在檢修各類集便器過程中，有效檢測集便器系統故障，并對其故障進行維修，為旅客及鐵路沿線營造一個安全、舒適的良好旅途環境。

[1] 中國鐵路總公司.高速動車組技術(上)[M].北京:中國鐵道出版社,2016.

[2] 范青楊.高速動車組集便器應用對比分析[J].城市軌道交通研究，2013(7)：123-126.

[3] 司全龍，施婷.CRH5A型動車組真空集便系統常見故障處理及分析[J].工業技術，2016(25)：151.