應用于地鐵車輛的IPX5 防水試驗裝置設計研究

任東軍

（長春長客龐巴迪軌道車輛有限公司，吉林 長春130062）

1 概述

在車輛采購技術合同中，車輛的水密性試驗是車輛例行試驗中的重要技術參數，一般要求根據CEI-IEC61133 2016-10標準執行。車輛的水密性試驗是直接影響到整列車在運行過程中的電氣安全與穩定，特別是針對具有地面路線和高架路線的城市軌道車輛。并且具有良好的水密性地鐵車輛非常有利于車輛運營維護過程中的清洗和保養。因此，對于地鐵車輛，必須在設計制造過程中采取有效措施，確保車輛的水密性。

根據IEC61133 要求地鐵車輛水密性必須滿足IEC 60529中的IPX5 的要求。

IEC 60529，為機殼提供的防護等級（IP 代碼）。此標準適應大部分類型的電氣設備的水密性試驗。即采用上部和兩側各一排水平噴嘴的噴射架，每排應能均勻地噴射500L/min 流量，壓力200kPa，采用90°固定錐體噴嘴的噴射方式。

但該標準并不能直接指導大型外觀尺寸設備的水密性試驗，尤其是地鐵車輛。所以，如何將IPX5 等級要求進行合理的轉化，并指導大型設備水密性試驗，以及指導水密性試驗設施的設置，則尤其重要。

2 IPX5 試驗要求

在IEC 60529 中，IPX5 的試驗要求如下：

使用直徑6.3mm 的噴嘴測試。

圖1 用于IPX5 試驗的噴嘴

通過如圖1 所示的一個標準測試噴嘴產生的水流從機殼的所有可行方向噴濺機殼執行測試。同時滿足以下要求：

表1 IEC 60529中,IPX5的試驗

2.1 試驗要求分析

根據IPX5 試驗要求可以得出，此標準適用于小體積的電氣部件（即直徑范圍小于40mm 的部件），而對于地鐵車輛這種長大部件而言，則需要標準解讀和轉化。

已知噴嘴流量速率12.5 升/分鐘，所以，在6.3mm 口徑處每分鐘通過流量為12.5L，同理，在2.5m 處的噴淋區域，每分鐘通過流量也為12.5L。

圖2 噴淋面積示意圖

如圖2 所示，設此時噴淋區域面積為S1，則

此時設每分鐘單位面積上的流量為△L，則

設車輛噴淋面積為S車，則車輛噴淋表面上每分鐘流量如下：

此時，試驗要求可以認為確保水密性試驗時，車輛表面流量達到L車。

2.2 設備要求

2.2.1 流量

由以上推理可知，用于水密性試驗的設備的總輸入流量與車輛實際需求流量關系如下：

其中η 為設備從入水到噴到車體表面過程中的總損耗，可分為以下幾部分：

η1為噴嘴外流量損失系數，η2為有效面積與設備噴淋面積之比。

所以公式（4）則可變成以下型式：

根據Darcy-Weisbach 公式

其中：

hf——沿程水頭損失（mm3/s）;

f——Darcy-Weisbach 水頭損失系數（無量綱）;

l——管道長度（m）;

d——管道內徑（mm）;

v——管道流速（m/s）;

g——重力加速度（m/s2）。

η1·L輸入為實際的噴嘴流量，（1－η1）通常指噴量公差。對工業用噴嘴而言，以常溫凈水為基準，在各噴嘴系列所設定的標準壓力下，噴量公差在±5%以內（升/分）。

η2·L輸入為噴淋面積內的有效噴淋流量。η2的大小通常與噴嘴角度、噴嘴分布位置和噴霧覆蓋形狀有關，通常為簡化計算，并在試驗中達到理想的噴霧覆蓋，多采用方形噴霧。此時η2則僅為噴嘴的噴角公差而引起的噴覆面積與理論面積之比，對工業用噴嘴而言，噴角也以常溫凈水為基準，在各噴嘴系列所設定的標準壓力下，噴角公差在±5°以內。

設噴淋物體到噴嘴出口距離為h，噴角為α，則

綜上所述，則式（6）如下：

2.2.2 壓力

假設管道直徑不變，噴嘴尺寸和噴霧角度不變。噴嘴的流量因噴霧壓力的變化而變化。一般情況下，流量和壓力的關系如下：

所以當壓力上升時，流量也隨之上升，當壓力下降時，流量也隨之下降。即變化前后的壓力之比等于變化前后的流量的平方之比。

設當前設備流量為Lx，設備管道內水壓為Px，則有如下關系

2.2.3 設備配置

由（4）（L車＝η（L輸入－管道流量損失））和（12）（P輸入＝Px·（L輸入/Lx）2），確定出設備所需要的流量和壓力。

按IPX5 的要求，噴嘴距離噴淋物體表面距離為2.5～3m。已知地鐵A 型車輛寬度3m，高度3.8m。則此試驗臺外觀尺寸至少為5.5m 寬，6.5m 高。

綜上所述，直接按IPX5 要求制造試驗臺有以下問題：

a.試驗臺占用空間巨大，而且試驗臺制造難度和成本過高；

b.管道流量損失難測量，試驗臺流量參數計算難度大；

c.IPX5 為單噴嘴噴淋，實際地鐵車輛需多噴嘴噴淋，噴嘴數量難以確定。

3 IPX5 試驗臺原理優化設計

在實際的工業制造領域，對大部件淋雨測試多根據GB/T 12480-90，采用降雨強度進行被測物體的淋雨試驗設計。

3.1 表面流量與降雨強度

降雨強度定義，用20cm 直徑量杯，接水1min 后，其量杯內水總量除以30g 的值即為降雨強度（此時30g 水相當于1mm/min 的降雨量）。

已知IPX5 單位面積的流量為△L

設單位面積上的降雨量為F0，則

即IPX5 對應的降雨強度為20mm/min。

3.2 設備配置要求

根據GB/T 12480-90，淋雨設備自身設有流量計，并在與降雨強度規定值不相同的受雨部位對應的淋雨管路上分別設置節流閥，或全部淋雨管路反設置一個共用節流閥，管路上噴嘴的布置密度與其降雨強度的比值相對應。

則有

式中：QY——對應設備上流量，m3/h；

F0——車體待測部位規定降雨強度，mm/min；

A0——車體待測部位對應標準面積，m2。此時根據GB/T 12480-90 試驗設備要求如下：

表2 GB/T 12480-90 試驗設備要求

4 淋雨試驗臺參數確定

4.1 淋雨標準面積

淋雨標準面積大小由被試驗車型外型尺寸決定，將車身頂部面積、側面面積、前后圍面積求和即可達到。

即

其中L——淋雨試驗臺頂部面長度，M——淋雨試驗臺頂部面寬度，N——淋雨試驗臺側部面高度，P——淋雨試驗臺前部面寬度，A——車長，B——車寬，H——車高。

對地鐵A 型車來講，A=25m；H＝3.8m；B＝3m。

4.2 水泵的選型

水泵額定流量選擇應滿足最大淋雨強度要求。

S——淋雨試驗臺總面積m2；

F——降雨強度mm/min。

則Q＝338.65*20*60/1000＝406.38（m3/h）

水循環系統總水頭/總揚程

式中：hg為過濾器反沖揚程，依據過濾器型號和參數確定；hs為儲水池水面到管路高度，由儲水池參數決定；ho為噴嘴壓力，一般為15m H2O。hd為系統管路阻力，估計為5m H2O

整個管路取安全系數為10%，則有

4.3 噴嘴數量及布置

噴嘴數量應根據降雨強度，噴射壓力，和噴嘴直徑確定。根據GB/T 12480，單位面積噴嘴數量計算如下：

n——單位面積噴嘴數量；F——降雨強度mm/min；V——水柱離開噴嘴速度 m/s；A——噴嘴出口面積 m2；GB/T12480-90規定噴嘴噴射壓力為69～147，根據伯努利方程：

設噴嘴出水口與水管高度相同，水噴離噴嘴后,相對壓力P2為零，近似可得P1和水柱離開噴嘴速度V2。

計算得V2＝11.74～17.14 m/s。

當降雨強度為20，噴嘴噴射壓力為147，噴嘴直徑取D＝3mm 時：n＝0.02/[17.14*0.003*0.003*π/4]* 60＝2.75 個/m2

噴嘴布置應保證車體外表面被人工雨均勻覆蓋，不存在死區并符合相應的降雨強度要求。如圖3 所示：

圖3 噴嘴布置示意圖

針對地鐵車輛的特殊性，可考慮對前后噴淋試驗面積區采用對開門型式，以方便車輛的軌道運輸。

5 淋雨試驗臺工程設計要求

隨著我國進入“智能制造2025”，在進行工程設備設計時，應滿足企業發展戰略要求，特別是信息化、數字工廠的建設要求。在工藝研發上，積極探索自動化技術，并且結合物聯網、RFID 等技術，做到數據自動采集通信。

淋雨試驗臺噴淋系統產生模擬人工降雨，由供給系統、執行系統、控制系統、水循環系統組成。噴淋水由水泵從吸水池泵出，經過濾器進入管路從噴嘴噴出，進回水槽流入回水池，通過回水池沉淀過濾進入吸水池進行下一輪循環。此外，淋雨試驗臺還應滿足以下要求：

5.1 節水降耗要求

試驗水采用循環水來節約水資源，水池分兩個或三個相互連通設有濾網的池，完成回水、過濾、沉淀、吸水等功能。水池總容量基于一次試驗時間內使用車輛用水量外，還應增加回收水隨時間沉淀而進行的冗余設計。為保證水質清潔，避免堵塞噴頭，淋雨試驗區除設有回水槽外，在車輛出入口位置應設置隔水槽。

5.2 避免試驗引入的質量風險

車輛完成淋雨測試后應考慮對車身表面殘留水進行吹干，以防止水痕、冬季的凍霜等問題引起的車身油漆質量問題。吹干形式有冷風、熱風兩種。一般的淋雨試驗室采用強冷風結構，吹干系統由風機、風箱、風管等組成，其原理是當氣流速度達到20m/s 以上，風機產生強風經過濾后由風箱分配進入風管，均勻吹在試驗車輛表面，使車身上的水形成水霧脫離車身。

5.3 控制系統的智能化

控制系統在設計時需要結合企業相關的數字工廠基礎，進行智能終端、物聯網接網設計。并為MES系統的接入提供支持。在硬件方面通常包括：開關控制箱、流量計、壓力表、時間繼電器等組成，對車輛試驗時間、淋雨強度、噴射壓力進行調整控制。在軟件方面，則需要進行相關數據采集、數據分析、以及考慮后續的車輛生產調試計劃安排、質量管控、報工校檢等要求進行開發。

結束語

本文通過對地鐵車輛的淋雨試驗標準IEC 60529 的IPX5要求分析，確定出實際物體單位面積上的表面流量，最終折算成降雨強度，并根據GB/T12480-90 要求，推導出用于地鐵A 型車的淋雨試驗臺相關參數。這從工業角度成功解決了 IEC 60529 無法應用于大型設施淋雨試驗的問題，極大降低了設備制造難度和制造成本，而且有效提高了設備的精度，滿足IEC 60529 的要求，最終滿足車輛水密性要求，并具有廣泛推廣意義。同時本文指出，結合國家智能制造戰略，在設備工程設計時，需要依據企業總體戰略目標，以建設數字化運營與管理為主線，進行設備智能化設計，從而為企業推進數字化建設提供有力保障。