智軌電車淋雨房的設計理念與思路

樊興銳，姚建平，肖衡

1.湖南中車智行科技有限公司 湖南長沙 410006

2.湖南省多鉸接膠輪運輸系統工程技術研究中心 湖南長沙 410006

智軌電車車輛制式與現代低地板有軌電車類似，但從運營場景來看屬于公路運輸車輛的范疇，根據交通運輸部的標準需要對車輛進行防雨密封性能的檢測。然而智軌電車的車輛結構已超出 《道路車輛外輪廓尺寸、軸荷及質量限值》國家標準的要求，因此現行《客車防雨密封性試驗方法》標準不適用。同時由于智軌電車與傳統軌道交通車輛的運營環境、工況有較大區別，所以鐵路標準相關的標準同樣不適合直接指導智軌電車的性能檢測。

為驗證智軌電車的防雨密封性能，保障車輛具備良好的品質，智軌電車車輛制造廠在借鑒汽車和軌交車輛性能檢測方面經驗的基礎上，開展了大量的模擬和驗證，逐步建立了智軌電車防雨密封性能檢測系統。本文從檢測指標的要求、噴淋裝置的模式與布局要求、機械結構與設備選型、電氣控制系統要求等方面，重點介紹檢測系統核心設施——淋雨房的設計。

智軌電車結構特點與防雨密封試驗要求

防雨密封性能是評價車輛品質的關鍵指標，關系到車輛的安全性與舒適性。防雨密封性試驗是車輛制造的最后一個環節，用以檢測車輛的整體防水性能。采用人工手段模擬降雨過程，檢查風窗玻璃、組合燈具、門窗、孔口蓋及地板等密閉部位的密封性，試驗開始后在車廂內觀察和記錄滲漏情況，并按標準進行評分，比對限值評判密封等級。智軌電車車輛結構與客車有較大區別，必須針對智軌電車的特點來設計淋雨部位、淋雨強度以及試驗方法。

1.智軌電車車輛結構特點

首先是車輛長度，現有客車的最大長度一般不超過18m，但智軌電車長度為31m以上，且兩端均有駕駛室。其次，智軌電車為100%低地板結構，車下不設行李艙，輪胎外側由全包圍輪罩板封閉。最后，智軌電車底盤為全密封結構，由寬幅鋁合金型材焊接而成?？傮w上來看，智軌電車的結構與現代有軌電車類似，與商用客車區別較大。

另外，客車和城軌車輛的車頂部位大部分區域為全密封結構，設備安裝區域相對整個車頂面積占比較少，而智軌電車車頂幾乎全部布滿部件，除空調外，智軌電車仍有大量設備布置安裝在車頂部。淋雨試驗時必須考慮車頂部件的IP防護等級以及車頂的排水性能。

2.防雨密封試驗要求

客車淋雨時，一般采取地面輸送板鏈或者人工駕駛的方式進出淋雨設施，通常車輛為未激活狀態（不帶電淋雨）。城軌車輛由于需要外部供電，且電壓較高，因此淋雨試驗時需要用牽引車進行牽引通過淋雨設施，車輛也為未激活狀態（不帶電淋雨）。而智軌電車無牽引設備，采用人工駕駛方式進出淋雨設施，淋雨過程車輛處于激活狀態（帶電淋雨）?？蛙嚵苡暝囼灂r前圍、側圍、后圍、車頂及底盤均全覆蓋，且前圍的平均淋雨強度高于其他區域，而軌交車輛淋雨時車底部位不做要求，如圖1所示。

圖1 地鐵車輛淋雨區域示意

鑒于結構上的差異，而且由于淋雨設施的體積有限，不能完全匹配車輛的長度?？蛙嚨牧苡暝O施可一次性完全覆蓋車輛長度，保證所有待檢測面同時淋雨，如圖2所示。在軌交行業，機車的淋雨同樣可一次性覆蓋，但如地鐵等客運電車由于長度可達數百米，所以淋雨時均為通過式分段淋雨。智軌電車同樣由于編組靈活，車輛長度較長，因此也要采用通過式的方法分段進行淋雨。

根據客車防雨密封性限值的國標要求，雙層客車、鉸接客車、無軌電車限值需≥88分。目前智軌電車生產廠參考的平均淋雨強度為車身前部和頂部為（12±1）mm/min，淋雨時間為15min，限值是≥91分。

圖2 客車淋雨區域示意

淋雨系統的結構組成

淋雨系統雖然是用于模擬自然降雨，但仍然需要根據車輛的特點進行設計。尤其是雨量調節模式要適應如普通降雨、梅雨、暴雨、路面涉水、高速行駛（負壓）、坡道、低壓流水噴淋、高壓洗車及積水等諸多場景，因此要求淋雨設施的雨量和壓力可調。根據經驗，在系統設計時根據最大降雨量及持續時間設定淋雨強度的下限值，并以下限值的2～3倍為上限值，然后根據該范圍展開計算，確定相關邊界條件。車頂部位的淋雨強度以不低于IPX6級設計，為便于說明計算過程，本文以全部位平均降雨強度12mm/min為下限值進行計算。

鑒于智軌電車采用動態淋雨的方式，因此淋雨系統為通過式結構，該系統由房體、管網、儲水池和控制系統等幾大部分組成，具體如圖3所示。

圖3 智軌電車淋雨系統結構組成

淋雨系統設施參數的計算

淋雨系統的建設需要大量參數，包括管網的規格、水池的容量以及設備技術指標等。需先確定車身受雨面積，然后確定噴嘴數量，接下來計算管網直徑和用水量。通過用水量指標確定儲水池容量和水泵型號，最后計算出房體尺寸。

1.智軌電車車身受雨面積

智軌電車前后兩端均為車頭駕駛室，輪廓結構完全一致；車側外輪廓弧度為R18000mm，近似于平面；以三節編組為標準模式計算，整車長度約為32m，車寬2.65m，車輛高度為3.1m，由此可計算得：

式中L車——修正后的車身長度，單位為m；

M——修正后的車身寬度，單位為m；

A——車身實際長度，單位為m；

B——車身實際寬度，單位為m；

N——修正后的車身高度，單位為m；

H——車身高度，單位為m；

C——地面至地板面的高度，單位為m；

P——前擋受雨面高度，單位為m；

D——地面至下密封條高度，單位為m。

將車身數據帶入計算可得：車頂受雨面積S1≈80.6m2；車側受雨面積S2≈99.2m2；前端受雨面積S3≈5.7m2；整車受雨面積S≈290.5m2。

實際上，由于生產場地、車輛生產下線的節拍、裝備成本等因素的限制，不建議噴淋區一次性完全覆蓋整車的受雨面積。根據總裝廠的產能規劃，智軌電車防雨密封試驗的節拍為45min/列，因此試驗時可分段進行，淋雨區域覆蓋整車受雨面積的一半（相當于半個車身長度）。

2.噴淋區域噴嘴數量

噴嘴數量的計算一般有兩種方式，一種是流量法，即根據平均淋雨強度的要求，計算出總雨量即單次淋雨所需的總流量，然后根據單個噴嘴的流量計算出所需的噴嘴數量。

根據GB/T12480的推薦，噴嘴的總數量K：

式中Q——受雨部位所需的總淋雨量，單位為m3/h；

q——單個噴嘴的流量，單位為m3/h。

而總淋雨量

式中F——各部位的平均淋雨強度，單位為mm/min。

本文中對噴嘴數量的計算采用另一種方法——面積法，該方法在確定噴嘴類型的前提下，可設置單個噴嘴的有效噴淋覆蓋范圍，然后通過計算得出最少噴嘴數量，再通過修正計算出最終所需的噴嘴數

式中S單——單個噴嘴的有效噴淋覆蓋范圍，單位為m2。

噴嘴數的修正方式一般采用（N+1）的原則，即在保證覆蓋范圍的前提下在計算量的基礎上增加1排噴嘴。

隨著電控技術的進步，淋雨強度可以通過控制水泵電動機的轉速和管路上閥體的開閉輕松實現，基于此可以先確定噴嘴的型號。為便于計算說明，擬選用孔徑為3mm、噴射角度為60°、出口水壓0.1～0.3MPa的不銹鋼渦流圓錐形霧化噴嘴，如圖4和圖5所示。

圖4 不銹鋼霧化噴嘴

圖5 圓錐形噴嘴噴射示意

根據試驗要求，噴淋區域全覆蓋，無死區且單位面積內淋雨強度均勻性不超過10%，可計算出噴嘴間距，進而得出噴嘴數量。如圖6所示，當噴嘴間距L=時無死區，且此時單位面積內淋雨強度的均勻性最高，R由噴嘴與車身距離LS決定，α為噴嘴的噴射角度。

圖6 噴淋覆蓋區域示意

噴嘴與車身的距離理論上越遠、噴嘴有效面積越大噴淋越均勻。根據國標推薦，該距離可在300～1300mm。智軌電車進出淋雨區域采用人工駕駛的方式，允許的車身直線度偏差為4%，約100mm，暫定噴嘴與車身的距離為800mm，可計算出噴嘴間距為653mm。綜上，智軌電車淋雨區域噴嘴布置如圖7所示。從上圖可計算出側面噴嘴數量為250個，頂部噴嘴數量為120個，兩端部噴嘴數量為24個，總噴嘴數為394個。

圖7 智軌電車淋雨區域噴嘴布局示意

3.噴淋系統管道直徑

噴淋系統的管道主要分為進水管、排污管、上水主管、干管和支管，其中進水管直徑取自廠區供水管直徑，排污管直徑根據儲水池容量以及排污時間要求來確定。支管與噴嘴相連，其直徑由噴嘴安裝要求確定，根據噴嘴的型號與其相連的取源段為DN20管，取源段直接焊接在支管上，因此支管可選用不銹鋼寸管即DN25管。上水主管直徑可通過試驗總用水量計算，與支管相連的干管直徑可通過管道流量要求進行計算。

式中F——平均淋雨強度，單位為mm/min；

S′——淋雨區域總面積，單位為m2；

λ——設計流量系數。

此處F取12mm/min，S′取150m2（約為車身受雨面積的一半），λ取1.15，通過計算可得總流量Q=124.2m3/h。

上水主管管徑

式中D——待計算管徑，單位為m；

q——待計算段的設計秒流量，單位為m3/s；

v——管段流速，單位為m/s（查設計手冊可知推薦值為1.5～2m/s）。

將之前計算出的總流量進行換算，計算出秒流量q，管段流速取下限值，通過計算得主管管徑D=0.145m，可選用6寸不銹鋼管即DN150管作為上水主管。

管路越長則末端壓力越小，為保證末端霧化噴嘴的壓力要求，需要控制管路的長度，因此將總噴淋管網進行分段，上部和左右兩側各分為兩段，總共6段。則干管管徑

式中d——干管內徑，單位為m；

w——管段的體積流量，單位為m3/s；

v′——常用流速，單位為m/s.

根據噴嘴型號可知該類型噴嘴壓力為0.1～0.3MPa，對應的流速范圍是0.5～3m/s。取v′=2m/s，將總流量Q分配到6個管段計算出w，然后帶入上式可得干管內徑d=0.61m，可選用DN65管作為各段干管。

4.儲水池水量

出于環保和經濟指標的要求，防雨密封性試驗一般不直接采用公共管網的供水而采用循環水，因此需要設立儲水池，水池內采用多級過濾、沉淀、凈化的方式保證水質，水池內設過濾網、反沖洗裝置、排污口以及檢修通道。智軌電車淋雨用的儲水池分為一級池（清水池）和二級池（過濾/沉淀池），一級池的儲水量為智軌電車一次試驗用水量的130%～150%，二級池的儲水量為一級池的1～2倍。

經過之前的計算可知，管道總流量為124.2m3/h，智軌電車整車淋雨試驗時間為30min，即單列淋雨總用水量約為62.1m3。則一級池（清水池）所需的儲水量為80.73～93.15m3，二級池的儲水量為80.73～186.3m3。實際使用時需考慮盡量縮短過濾循環時間，本文對二級池的儲水量選用1倍一級池的上限儲水量即93.15m3開展后續計算，即水池的總儲水量約為186.3m3。

5.水泵選型

水泵的選型需要的主數據為流量、揚程、功率及轉速等，流量需要滿足淋雨所需總流量的要求以及排污的要求，揚程需要保證管網末端的壓力。

總水量已經通過計算得出，而水泵揚程H根據經驗公式計算

式中H1——保證最遠點壓力所需的臨界距離，單位為m；

H2——管段最高點與抽水點的高差，單位為m；

∑h——水頭損失，單位為m；

Hk——安全水頭，單位為m。

根據經驗計算H=20m+8m+2.5m+1.5m=32m。由此再結合各廠家所提供的水泵特性曲線進行選型，本文中清水泵和污水泵均選擇流量為200m3/h，揚程為50m的單級臥室離心泵進行配套。清水泵的數量配置為一用一備，污水泵只配置一臺，不設備用，不滿足排污需求時可用潛水泵輔助。

淋雨系統設施的建設與布局

在該部分所述的淋雨設施專指智軌電車總裝廠所用的淋雨房，并且按自動化設施的要求進行設計，淋雨房內各干管上均安裝流量計、節流閥，主管上設壓力表、控制閥，清水泵電機設時間繼電器、變頻調速器，并將照明、風幕、水池液位計及反沖洗系統的控制集成至控制室。通過數據的采集和反饋以實現管網的分段控制和淋雨系統的離線控制，同時系統數據支持交互上傳。

1.淋雨設施的基本配置

淋雨房內四周和淋雨區域內設回水溝，直接通往沉淀池，沉淀池上部設溢流口。管網分段設置與分段控制，前后兩段設活動式噴淋架，通過電動機帶動前擋噴淋架的收放。噴淋架兩端外側的上部設風幕系統，用壓縮空氣進行封閉，防止房體內的水汽外溢，同時也有助于車身迅速排水。房體內的照明設置在頂部邊緣，均勻布置，采用安全電壓，選用防水燈具照度不低于50lx。房體圍擋外側設觀察口，便于人員觀察內部情況以及監控壓力和流量，若圍擋材料采用透明材質，可不設觀察口。房體根據所布置的區域要求，可在圍擋處補充降噪措施。此外，由于采用人工駕駛的方式進出淋雨房，無外部牽引措施，如遇故障，車輛失去動力無法開出淋雨房，則需要就地進行排障和維修。因此在房體內需設置車輛登頂設施（樓梯），可布置在房體入口處一側，同時不干涉噴淋區域。設備間和控制室可集成至水池上方，緊鄰房體。

房體內部地坪需有利于回水，與房體外的地面設置必要的坡度。同時鑒于智軌電車的軸重要求，房體內的地坪載荷需滿足JTG D40《公路水泥混凝土路面設計規范》的要求，若淋雨房布置在廠外，則地坪需滿足JTG D50《公路瀝青路面設計規范》的要求。

2.房體外輪廓尺寸

房體長度

式中l1——管網總長度（含前檔淋雨架翻轉所需半徑），單位為m；

l2——其余設施所需的空間長度，單位為m；

l3——必要的設備安裝預留空間長度，單位為m。房體寬度

式中B——車輛寬度，單位為m；

LS——噴嘴距車身的尺寸，單位為m；

b1——單側管網和支架安裝所需的尺寸，單位為m；

b2——兩側預留的維修通道尺寸，單位為m。

房體高度

式中h1——車身高度，單位為m；

h2——上部管路和支架所占尺寸，單位為m；

h3——安裝預留空間尺寸，單位為m。

為便于工程建設，可將上述值進行修正，即房體的外輪廓尺寸l×W×H=22.5m×6.5m×5m，房體占地面積約為146m2。

綜上所述，智軌電車總裝廠的防雨密封性試驗設施的主要參數見表1，總體結構如圖8所示。

表1 智軌電車防雨密封性試驗設施主要配置參數

圖8 智軌電車淋雨設施總體結構示意

3.淋雨設施的布局與使用

通過上述計算可知，智軌電車防雨密封檢測所占場地寬度約9m（含房體和設備間），長度約50m（含房體和車輛進出所占區域長度），所占面積較大，如圖9和圖10所示，可采用盡端式布置，減少區域長度。或是采用廠外布置，雖然不利于儲水池的管理，但能有效利用廠房面積，降低廠內噪聲，也便于廠內濕度和環境衛生的控制。

圖9 智軌電車淋雨區域作業場地長度示意

圖10 智軌電車防雨密封性試驗示意

淋雨設施需要在4～50℃使用，日常管理重點首先是水質的控制，試驗用水推薦采用新鮮水或化學處理水，并定期對儲水池進行清潔，同時用藥物對微生物進行控制，防止池內、管道內滋生微生物堵塞噴嘴，影響流量。其次是計量器具的校準與使用，需按照檢定周期要求對流量計、壓力表等裝置進行送檢。最后是設備設施的日常維護，水泵、噴嘴、管路、壓縮空氣出口、支架的連接等，需按維護手冊進行點檢和保養。

結語

除總裝廠外，智軌電車的車輛段或者是維保基地這類涉及車輛解編與連掛的場所，也需要在車輛連掛或大修后進行防雨密封性試驗。但由于車輛數量不多，對檢測節拍要求不嚴，因此淋雨設施可不采用車輛廠的方式?？蓢L試與洗車線兼容的模式，也可采用移動式淋雨架，寬度覆蓋貫通道區域、車門區域即可，若自來水管網壓力滿足試驗要求，可不設蓄水池。智軌電車產業尚處于起步階段，其生產配套設施的選型與設計有待持續研究。本文僅是一種針對智軌電車車輛生產廠所需的防雨密封性試驗裝置的設計方案，重點是介紹設計理念和思路，文中所用數據僅為說明計算過程，不代表真實的試驗數據，不可直接作為設計依據，僅供參考使用。