新型客车上水单元设备水头损失试验分析

洪蔚，范英宏，林世华，侯世全

(1.中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081; 2.北京中铁科节能环保新技术有限公司，北京 100081)

以往，大多数铁路车站和客车整备所的上水设备过于简陋，通过橡胶软管连接上水栓和客车注水口进行上水作业。此种上水方式作业程序多、工人劳动强度大，而且软管在股道间胡乱堆置增加了员工作业的不安全因素，还造成视觉污染，影响铁路形象。为此，多家公司研制开发了新型上水设备，该设备体积较小，可放置在地面或地下，具备自动或遥控器控制上水、自动排空余水、自动回收上水软管、低温时可自动加温等功能，目前该类设备已在多条铁路新线建设中得到应用。但是，为实现上述多种功能，新型上水设备增添了不少新部件，造成管路中水头损失增加，进而使得上水流量变小，不能适应客车提速后整备时间减少、上水作业时间缩短的情况。

本文通过试验，绘制了新型上水设备的水头线，分析了压力水头、流速水头和位能水头的转化关系，对管路各部分的水头损失贡献率进行计算，得出造成水头损失的部件及原因，并提出了减少水头损失进而增加上水流量的途径和措施。

1 试验装置及试验方法

1.1 新型客车上水设备

采用中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所生产的 TKH GS-Ⅰ型半地下框架式上水设备(如图1所示)，连接给水管和客车水箱注水口，该设备具备程序或遥控器控制上水和停止上水、自动排空余水、自动回收软管、低温时自动加热、自动记录上水流量和工作状态并上传至股道管理机等主要功能。设备主要部件有:框架、卷管器及电机、内部上水管路及上水电磁阀 、上水软管及快速接头、排水管路及排水电磁阀、控制箱等。

图1 新型客车上水设备

该设备产生水头损失的部件和相关参数为:内部上水管路采用PE管，进入上水软管前管路长2 m;管路上设置网状过滤器1个;流量传感器1个;上水电磁阀1个;三通1个;90℃弯头和变方向接头各1个;旋转接头1个;进水压力表1个;上水软管内衬食品级橡胶，最小弯曲半径115 mm，长度15 m;快速接头采用金属外套内衬橡胶芯;采用横轴多层盘绕软管卷管器，最小盘绕直径250 mm;各部件内管径均为DN25。

1.2 车上试验装置

此外还模拟动车水箱研制了车上试验装置(如图2所示)，由压力罐、变频水泵、上水管及注水口、高位水箱和低位水箱组成。变频水泵自低位水箱取水至压力罐，压力罐维持稳定水压，出水接至上水设备，上水设备通过上水接头和上水软管向高位水箱内注水，高位水箱向低位水箱排水。

图2 车上试验装置示意图

试验装置中与水头损失有关的部件和相关参数为:压力罐最高静水压0.6 MPa;给水管与上水设备连接的镀锌管长度0.5 m;球阀1个;设置压力表1个，观测压力模拟给水管动水压;通至高压水箱的上水管为镀锌管，垂直设置，长度2 m，末端安装注水口，注水口形状和TBT112/74注水口型式“客车用注水(A、B型)型式与尺寸”相符合，安装高度距地面1 m，;注水口上方安装压力表1个;管路及接头内管径均为DN25。

1.3 试验方法

将上水设备的上水软管拉出2 m;和注水口连接;启动变频泵，开始上水;通过开启旁通阀调整进水管路动水压至25 m水柱;记录给水管压力表读数(即给水管出口动水压)、设备进口处压力表读数(设备进口动水压)、设备注水口处压力表读数(设备出水口动水压)、上水管出口处压力表读数(上水管出口动水压)和上水流量。

2 试验结果及分析

2.1 总水头线

以设备进水口为基准面，试验数据见表1，绘出的总水头线见图3。

表1 试验数据

图3 总水头线示意图

给水管出口总水头为 25.5 m水柱，满足TB10010—2008《铁路给水排水设计规范》表5.3.2［2］中的规定:“通过式旅客列车给水站、线端式旅客列车给水站最小服务水头25 m;客车整备所(库)、动车段(所)检查库最小服务水头20 m。”压力水头为25 m水柱，流速水头很小，仅为0.5 m水柱，位能水头为0。

因为设备进口和给水管出口同标高，故设备进口处位能水头仍为0;管径无变化，故流速水头仍为0.5 m水柱;压力水头减少为23.2 m水柱，自给水管口至设备进口损失了1.8 m水柱。

设备出口为与注水口连接的快速接头处，因注水口距离设备进口处的垂直距离为1 m，故位能水头为1 m水柱;管路管径无变化，故流速水头仍为0.5 m水柱;压力水头减少至5 m水柱;自设备进口至设备出口损失水头17.2 m水柱。

出水管口距离设备进口处的垂直距离为3 m，故位能水头为3 m水柱;管路管径无变化，流速水头仍为0.5 m水柱;出水管口为自由表面，故压力水头为0。

2.2 各段水头损失分析

管路中任意两个符合渐变流条件的断面满足伯努利方程［1］:

式中:Z为位能水头，m;

p/γ为压力水头，m

ν2/2g为流速水头，m;

因上水系统内各部件内管径相同，故流速相同，ν1=ν2=ν，式(1)可改写为:

从式 (2)可得两断面位能水头差和压力水头差之和等于总水头损失，总水头损失与局部水头损失系数ξi、流速ν、沿程摩阻系数λ、管长l和管径d有关，在水力光滑区和粗糙区范围内、流速不变的情况下，局部水头损失系数越小、流速越小、两断面距离越短、管径越大，水头损失越小。

取给水管口为Ⅰ断面，水箱出水管口为Ⅱ断面，Ⅱ断面为自由断面，故p2/γ=0。

将式(2)改写成式(3):

由式(3)可见，其它条件不变时，在降低局部水头损失系数ξi及管长 l后，因方程左边为一常数，流速必然增加，从而上水流量提高。

给水管出口至上水设备的镀锌管长度仅为0.5 m，设1个球阀和1个压力表，球阀开启度为全开，故局部和沿程水头损失均较小，总水头损失仅为1.8 m水柱，占整个管路损失的8.2%;上水设备进口和出口间产生局部水头损失的部件最多，为2 m长PE管和15 m长橡胶软管，另外还设有过滤器、电磁流量计、电磁阀、旋转接头、弯头等，Σ ξi较大，管路长。尤其是软管在卷筒上缠绕，水流随缠绕的软管做圆周运动，流速方向不断发生变化，有时软管在卷筒上缠绕过紧，软管受压，过水通径变小，大大增加了局部损失和沿程损失。综合以上因素，水流经过设备后水头损失很大，为 17.2 m水柱，占全部管路水头损失的78.2%;设备出水口至水箱出水管口局部水头损失仅在A、B型接头的渐变径处发生，镀锌管管长较短，沿程水头损失不大，故总水头损失较小，仅为3 m水柱，占整个管路水头损失的13.6%。

2.3 减少水头损失的途径和措施

为增加上水流量，可采用以下措施减少水头损失。

2.3.1 减少局部水头损失

在保证设备主要功能的前提下，管路设计中尽量减少能产生局部水头损失的弯头、三通、阀门、电磁阀的数量，在设备部件采购时，注意选择水头损失小的元部件，如在选择阀门时尽量避免选择碟阀。

2.3.2 减少沿程水头损失

在管路设计时应尽量减少管路长度;设备内部管路应选择内管壁粗糙度较小的PE管或不锈钢管。

2.3.3 减少软管盘绕引起的水头损失

在全部水头损失中，上水设备所占比例最大，其中软管盘绕引起的水头损失是重要因素。比较拉出不同长度软管进行上水作业的上水流量(拉出全部软管和仅拉出1 m软管)，在其他条件相同的情况下，软管全部拉出时的流量比拉出1 m时增加了8%，因此为了增加流量，在使用带卷管器的上水设备进行上水作业时，应尽量多拉出软管并使其顺直。另外，为避免软管缠绕时受挤压造成过水通径变小从而影响上水流量，应在软管生产加工时，使其最小弯曲半径尽可能小，以保证弯曲后的过流面积不小于原面积的80%;为减少水流作圆周运动产生的水头损失，应尽量加大卷筒直径并减少软管缠绕圈数。

2.3.4 增大管径

在其它条件不变时，增大上水管内径是减少水头损失、增大流量最直接的办法。TB10010—2008《铁路给水排水设计规范》8.1.5条［2］规定:旅客列车给水栓宜按一室双栓设置，栓口管径应为32 mm，上水软管应采用Φ32 mm;客车整备所(库)、动车段(所)检查库上水软管应采用 Φ32 mm。但因目前铁路客车水箱注水口管径均为DN25，因此一般采用 DN25上水软管与之对应。在不对客车注水口进行改造的前提下，可将上水设备内部管路及软管内径设计为DN32，在上水软管的端部设置一个变径的接头与注水口相配。虽然设备造价和尺寸会因此增加，但上水流量将大大提高，从而减少上水作业时间。

3 结论

(1)本文通过研制的试验装置，对新型上水设备进行了试验，根据试验结果绘制了整个上水系统各部位的总水头线。总水头线能准确反映位能水头、压力水头和流速水头之间的变化关系，适应给水管、上水设备、注水口和上水管出水口不同高程的位置关系。

(2)根据总水头线分析了系统各部位产生的水头损失对整个系统总水头损失的贡献率，结果表明，上水设备水头损失最大，占全部水头损失的78.2%。

(3)分析了各部位产生水头损失的部件，得出软管盘绕是造成设备内部水头损失的重要因素。

(4)在上水系统设计、设备制造和运行中可采用减少局部水头损失、减少沿程水头损失、减少软管盘绕次数和增大系统管径的方法来减少总水头损失、提高上水流量。

［1］ 陈礼.流体力学及泵与风机［M］.北京:高等教育出版社，2005.41－44.

［2］ TB10010—2008，铁路给水排水设计规范［S］.