1、适用于铁路旅客列车远端污物输送的真空集便装置摘要：本文主要介绍了一种新型真空集便装置，其在便盆与污物箱之间设置真空中间箱，利用真空中间箱接收污物，再利用污物箱内的真空,分批地将中间箱内的污物收集至污物箱内。该新型集便器相比传统真空保持式集便器或在线式集便器，具有噪音小、长管路排空彻底且不易堵塞、耗能低的特点，特别适用于铁路旅客列车加装集便器时存在长管路的情况。 关键词：真空推拉式集便器、真空中间箱、真空传输阀、污物传输阀、真空度 中图分类号： TB7 文献标识码： A 1 前言 随着我国社会整体环保意识的增强，旅客列车卫生间沿线排放的情况将逐步减少，现有列车加装集便器，新造列车直接采用集便器是
2、铁路旅客列车发展的必然趋势1。 现有普通旅客列车加装集便器，经常会遇到一辆车的两个卫生间须布置在车厢的一端，而以目前卫生间的使用频次计算和实际应用情况来看，一辆车为满足旅客使用所需要的接收污物的污物箱，只安装在车辆一端时，车下空间能容纳的污物箱大小不足以满足使用需求，部分卫生间的污物箱需要安装在车厢中部，这样造成了污物箱与卫生间的距离较远，距离在 5-8 米不等。这种情况下卫生间便器内的污物需要经过较长的排污管路进入污物箱，目前解决长管路排污问题时，采用的是真空保持式集便器或在线式，两种方式都可以实现较长距离排污，但蹲便器的便器出口与长管路之间存在向上提升的高度差，而且每次便器排放的污物较少，
3、气流无法将污物完全推进至污物箱内，管路内会有少部分的残留，同时还存在消耗能量较多，噪音较大等问题。 在此情况下，研制了一种消耗能量少，噪音低、并且能将长管路内污物彻底排空的真空推拉式集便器。 2 系统概述 2.1 系统组成 系统组成见图 1，主要包括：便器、排泄阀、水箱、水增压器、冲洗按钮、真空中间箱、污物传输阀、真空传输阀、传输管路、污物箱、喷射器、电控单元等。真空中间箱体积较小，设置在卫生间正下方，利于污物的直接排放。真空传输与污物传输经过同一条长管路。 2.2 工作过程 系统待机时，排泄阀关闭，污物传输阀关闭，真空传输阀开启，污物箱与真空中间箱保持一致的系统可用真空度，喷射器不工作。 触
4、发冲洗按钮后，冲洗控制盘向便器内提供冲洗水，真空传输阀关闭，排泄阀打开，污物在真空的作用下被吸入真空中间箱后，排泄阀关闭，此时真空中间箱真空度下降，真空传输阀打开，污物箱将真空传递至真空中间箱。在触发冲洗按钮一定次数后，整个系统的真空度下降至不可用时，由真空传感器检测到并发出信号，喷射器启动，为系统建立真空，当真空度达到设定值时，喷射器停止工作，系统进入待机状态。 当系统冲洗一定次数后，真空中间箱内的污物到达一定液位时，真空传输阀关闭，排泄阀和污物传输阀开启，真空中间箱污物在气压差的作用下被传送至污物箱。 3 真空推拉式系统与真空保持式和在线式系统对比 真空保持式系统与真空推拉式系统区别在于没
5、有真空中间箱，污物通过排泄阀直接排入始终具有真空的污物箱内，系统组成见图 2；在线式系统与真空推拉式系统区别在于没有真空中间箱，污物箱始终为常压，每次冲洗时，首先只在长管路内建立较高真空，污物是通过存在于管路内的真空能量被吸入常压的污物箱内，相比之下，真空推拉式系统，能更快的建立起工作真空度，进入工作状态。系统组成见图 3。 3.1 噪音对比 真空推拉式便器系统由于真空中间箱直接设置在便器下方，污物经过较短的管路（一般小于 0.5m）就直接进入真空中间箱，真空中间箱容积有限，因此真空推拉式集便器在排泄阀打开时，只有较少的气体进入真空中间箱，系统与外界大气之间形成的空气流动较弱，产生的噪音较小，
6、一般在 55-65dB。而真空保持式系统一般在 80-85dB。 3.2 长管路内污物排空程度对比 真空保持式集便器和在线式集便器当采用蹲式便器系统时，车辆的排污长管路一般都设置在的排污口之上，由于每次排污时污物较少，会有大量气体与污物同时进入排污管路内，气流不能将所有污物推入至污物箱内，每次都会有少量污物残留在排污长管路与蹲便器的排污口之间，长期使用容易造成管路堵塞或污物堆积的情况；真空推拉式集便器的真空中间箱在便器排污口之下，排污时不会有污物残留在真空中间箱与便器排污口之间，而当污物从真空中间箱经过长排污管路进入污物箱时，中间箱内已经存储了一定量容积的污物，有利于污物的排净，系统可以将绝大
7、部分真空中间箱存储的污物排入污物箱内，残留的污物存在于真空中间箱，管路内基本没有残留。同时当每次便器排污后，污物箱向真空中间箱传递真空时，由于真空传输与污物传输使用同一条长管路，所以每次触发冲洗按钮都会对长管路进行一次真空抽吸，使长管路内无污物残留。 3.3 结构对比 在实际使用中，集便器系统偶尔会出现堵塞的问题，在存在长管路的系统中，真空保持式系统和在线式系统污物在经过排泄阀后会直接进入长管路；而真空推拉式系统污物经过排泄阀后进入真空中间箱内。因此在同时存在污物堵塞的情况下，真空保持式和在线式系统污物堵塞长管路的概率要远大于真空推拉式便器。因为在实际使用维修中，长管路维修比较复杂困难，而真空
8、中间箱应用模块化设计，拆卸简单，维护维修方便。 3.4 能量消耗的对比 真空推拉式系统、真空保持式和在线式系统都是依靠喷射器为系统建立真空的，喷射器的工作原理即文丘管原理，依靠压缩空气的高速气流带动整个封闭系统内的空气排出系统，为系统建立真空，所以压缩空气的用量是衡量系统能量消耗的指标2。 试验证明在同时满足长管路排污需要的情况下，由于在线式要瞬间为系统建立较高的真空度而需要压缩空气的流量远大于真空保持式系统建立真空需要的压缩空气的流量，因此在污物箱容积小于 1000 升的情况下，真空保持式系统的压缩空气耗量小于在线式系统。 现将真空保持式系统与真空推拉式系统压缩空气耗量通过计算和试验进行对比
9、。 计算假设：在喷射器相同，系统建立相同的真空度时，设系统每次排污量为 l0，系统容积为 V，为容积为 V 的系统建立一定的真空度时需要的压缩空气耗量为 L，由此计算为容积 V 的系统由空容积到满容积时需要的压缩空气总耗量 Lx 的数值近似为： L1 = L + L* (V- l0)/V+ L* (V- 2*l0)/V+ L* (V- 3*l0)/V+.+ L * (V- V/ l0*l0)/V= L*V/(2l0) 由此可以得出容积为 V 的真空保持式系统由空容积到满容积消耗的压缩空气耗量为 L1 = L*V/(2l0) 设真空推拉式系统真空中间箱容积为 V0, 为容积为 V0 的系统建立一
10、定的真空度时需要的压缩空气耗量为 L0，那么真空中间箱由空容积到满容积的压缩空气耗量近似为 L0*V0/(2l0)，所以当真空推拉式便器的污物箱与真空保持式污物箱容积相同时，污物箱由空容积到满容积为真空中间箱建立真空消耗的压缩空气耗量为 L2， L2= L0 V0/2 l0* V/ V0 换算出与 L1 的关系为：L2= L0/ L* L1 同时考虑当真空中间箱向污物箱排污时压缩空气的每次耗量与真空保持式系统基本相同，所以真空推拉式系统耗气量 L3，近似为 L3= L2+ V / V0*L1/(V/ l0) 换算出最终真空推拉式系统耗气量与真空保持式系统耗气量的关系为： L3 / L1= L0
11、/ L+ l0/ V0 由于 L0 与 V0 有着直接的关系，因此确定中间箱的容积为系统设计的关键 系统必须具备一定容积一定的真空度才能将污物抽吸进箱体，因此必须计算系统工作压力与系统容积的关系。设定系统真空度与现在列车用真空保持式系统相同时，参照下面的计算公式计真空中间箱的容积 污物箱的工作压力取决于污水（及气体）进入污物箱消耗的真空，摩擦阻力及提升阻力三者之和3： 式中，Pct污物箱工作压力，以相对真空计，25KPa a经验系数，暂取 1 Patm大气压，取 105Pa Vw污水总体积，暂取 1 升 Vct污物箱体积，升 摩擦阻力，经验取 16KPa 提升损失，与便盆相对污物箱高度有关，取
12、-5KPa 由上式得出真空中间箱的容积 Vct 大约为 15 升。 现按真空中间箱 15 升制作样机进行试验，试验中取一辆普通客车车辆用容积 500 升污物箱作为真空终端箱。在使用同一种喷射器的情况下，系统真空度相同的情况下，真空保持式系统在 500 升污物箱空容积情况下需要压缩空气耗量为 120 升(一个标准大气压),真空推拉式系统在 500升污物箱向 15 升中间箱传递真空后，需要压缩空气耗量为 40 升(一个标准大气压)，通过上述 L3 / L1 计算式得出：真空推拉式系统与真空保持式系统在系统真空度相同、污物箱容积相同、使用的喷射器相同的条件下，真空推拉式系统压缩空气耗量为真空保持式系统的 40%。 4 结语 综上所述，得出存在长管路的集便器应用真空推拉式系统比目前存在的保持式和在线式具有噪音小、长管路排空彻底切不易堵塞、耗能低的优点，具有推广价值。 参考文献 1 张知予, 周敬宣, 阳国柱等. 客车车载真空环保厕所的系统设计J. 中国环保产业, 2005(10):25-27. 2 孙铁源, 蔡茂林. 压缩空气系统的运行现状与节能改造J. 机床与液压, 2010, 38(13):43, 108-110. 3 郭钟华. 节能型洁具真空吸排系统的研究D. 博士学位论文：南京理工大学, 2012.
