铁路列车真空环保厕所系统设计

2019-07-11

摘 要:针对我国目前使用的铁路直接排放式厕所不雅观不文明、污染环境、浪费水等问题,设计了真空环保厕所系统。真空厕所基于真空运输理论,利用真空泵抽取真空室、纳污罐和输送管道内的空气,降低其中的大气压力,一般在 0.03MPa~0.05MPa 范围内,接入便器,利用界面阀控制便器与管道通断,将粪便吸入至纳污罐,实现了粪便污物的抽吸。由于其冲洗水少,不易堵塞管路,整套系统密封,有效控制臭气外漏,不易污染环境,故其是新一代环保产品。研究了铁路列车真空环保厕所系统工作原理和工作过程,设计了其控制电路。

我国现行的铁路列车基本使用直接排放式厕所,排泄物是通过重力直接落到轨道上的。这样,不仅不雅观,而且不卫生。随着列车的提速,厕所直接排出的污物会产生飞溅,弄得车下到处都是粪便,也给车辆检修作业带来困难。为避免列车排便对轨道环境的污染,世界各国正积极研发车载厕所,以替代传统的直排式厕所。美国、日本和德国等国家都有各自的车载厕所产品,但这些厕所存在限制使用、成本过高、粪便回收处理困难、使用不方便等诸多问题[1~5]。相比于传统重力式卫生间,真空环保厕所具有节水、臭气控制好等特点,因此有良好的经济效益和社会效益 [6] 。

1 工作流程设计

本文设计的铁路列车真空环保厕所包括卫生间壳体、座便器、纳污罐、水箱、界面阀、真空泵、过滤器、气路、水路、电控系统等部分,其各部分之间的关联和工作职能即工作流程如图 1 所示。

由此可知,座便器里的粪便经水冲洗后,在界面阀的控制下,被抽吸进入纳污罐,最后被排污泵排出。水箱中水被高压压出,完成冲厕,真空泵完成对纳污罐真空建立和维持,电控系统负责对各个零部件和电气元件的控制。

① 真空泵:为系统提供负压,厕所有人时,当系统真空度达到设定下限后,真空泵自动启动,提高系统真空度;当真空度达到设定上限后,真空泵自动停止运行。通常选用水环真空泵。

② 纳污罐:用来储蓄粪便和污水。真空度较小,抽吸无力,工作时间太长,可能堵塞管道;真空度过大,会造成较大振动和噪声。实验得出,纳污罐真空度保持在 0.03 MPa~0.05 MPa 范围内抽吸效果较好。

③ 真空室:储存负压气源的容器,可以提高系统真空度的稳定性。

④ 排污泵:用来将纳污罐中的污物排出真空厕所系统,选用无堵塞排污泵。

⑤ 气路:又分为高压和负压两大部分。高压气路依靠列车内高压气作为整个系统的耗气动力源,通过气管、电磁气阀的连接,完成对水箱的冲水控制。调压阀将列车内高压气源(5~7 个大气压)调整为 3 个大气压左右,利用调压后的压缩气体给清水加压,将水压出水箱完成冲洗。负压气路部分主要包括利用真空泵使纳污罐和真空室内产生作为整个系统动力源的真空和对界面阀开启的控制。真空泵进气口与真空室相连,真空室与纳污罐通过气管相连接并安装过滤器,真空室接有真空表用于测量真空度,当真空泵对真空室进行抽吸时实际上也就是对纳污罐抽真空。

⑥ 界面阀:气路中的一个关键元器件,通过气管安装于便器和纳污罐之间,实际上是真空纳污罐抽吸便器污物管路中的一个开关,界面阀工作性能的好坏,直接影响到整个系统的运行效果。界面阀的打开是依靠负气压,工作的动力来源于纳污罐的负压气源 [6] 。

⑦ 水路:由水箱、增压器、水管、各类接头及电控阀件组成。水路系统主要完成旅客冲厕及洗手用水的控制,保证系统正常供水并尽量节约列车上有限的水资源。

⑧ 电控系统:由开关、控制器、电磁阀、指示灯等组成,用来控制各个部分按照设定程序运行,保证系统稳定运行。

2 系统原理

根据图 1 流程图设计的铁路列车真空环保厕所的原理图如图 2 所示。

铁道列车真空环保厕所系统的工作过程包括真空泵对真空室和纳污罐的抽吸过程,冲厕过程和排污过程。

抽吸过程:真空泵是系统动力源的主要部件,旅客进入厕所后,真空泵启动开始建立真空,开始对真空室和纳污罐抽真空,真空室接有真空表,当真空表读数低于预设的最低极限压力值时,通过电控系统启动真空泵,当真空表读数达到预设的最高极限压力值时,电控系统控制真空

泵停止工作。冲厕过程:列车内高压气源(5~7 个大气压)通过调压阀调整为 0.3 MPa,通过两位四通电磁气阀 CT1 控制给水加压。负压气源经气管连接电磁气阀 CT2,气阀的气管再连接界面阀。当旅客需要冲厕时,按下冲厕开关,经过时间继电器的

控制,延时一段时间后,接通电磁阀 CT1,接通高压进气管,高压气体进入水箱将水压出,水箱中的水便被压入便器中冲厕,冲洗开始。经过时间继电器短暂的延时,控制系统关闭电磁阀 CT1,停止冲水,接通电磁阀 CT2,依靠负气压抽吸开启界面阀,座便器与纳污罐之间管路接通,在纳污罐内负压的作用下,粪便污物被抽吸进纳污罐。经过时间继电器的延时,电磁阀 CT2 失电关闭,界面阀因内部弹簧的弹力而复位关闭,使得吸污管路断开,完成一次冲厕过程。

排污过程:纳污罐里的污物到达一定容量后(纳污罐上安装传感器)到指定地点排放(要求在铁路沿线定点建立污物收集站),收集的污物经排污泵被压送至污水处理厂或制肥厂,可加工成农家肥料用于农业生产。

3 控制系统设计

3.1 工作过程

真空环保厕所工作过程为:启动真空泵,通过气管将真空室和纳污罐抽成一定的负压,形成真空并保持在纳污罐内,旅客冲厕时,按动冲厕开关,打开冲水系统,冲厕 3 s 后停止。然后,控制系统将打开座便器出口,界面阀开启后座便器即与纳污罐接通,在纳污罐内真空负压作用下,便器内粪便污物被抽至纳污罐内,抽吸 5 s 左右,抽吸完成后,界面阀立刻关上,完成一次工作循环,整个冲厕过程在 8 s 左右。根据实际情况和旅客意见,真空环保厕所的使用流程图如图 3 所示。

该方式的特点是:旅客关门时,系统开始建立真空,纳污罐真空度达到一定数值后真空泵停止工作;旅客在使用卫生间的时间内,纳污罐的真空度将一直保持到冲厕。

3.2 控制元件

真空环保厕所电路包括直流电机、电磁气阀、控制开关、厕内顶灯、列车总开关等等。选用的水环真空泵功率为 1.5 kW,电源为 AC380V,需要配备一台直流电机,为水环真空泵供电。控制元件主要有:

(1)列车司机驾驶台卫生间总开关 QS;

(2)真空泵直流电机及电路板;

(3)卫生间顶灯及有人无人指示灯 EL;

(4)卫生间内门闩微动开关 SM;

(5)卫生间冲厕开关 SB;

(6)电磁气阀 CT1,CT2;

3.3 电路设计

真空环保厕所系统控制元件较少,根据电路设计方法,采用经验设计法,借鉴典型控制线路,完成了控制系统电路设计,其电路原理如图 4 所示。

其中,QS 为闸刀开关,KM 为直流继电器,KA 为中间继电器,KT 为时间继电器。

3.4 电路原理图说明

图 4 中闸刀开关 QS 在列车司机驾驶台,控制卫生间的电源,合上 QS,KM1 线圈得电,触电闭合(L1),卫生间接入电源,处于待工作状态。建立真空:旅客使用卫生间时,关门闭合门闩开关 SM,卫生间有人指示灯和内顶灯亮,此时KM2 线圈得电,触点 KM2 闭合(L2),接通电机电路板电源,启动真空泵系统开始建立真空。DJB1、DJB 2 是真空电接点压力表的两个触端,作用是用来实现真空泵启停的自动控制。当纳污罐内真空压力值达到上限时,电接点压力表负压高位接点 DJB1 闭合,中间继电器 KA1 线圈得电,L6 路接通,L5 路 KA1 常闭触点 KA1- 2 断开,导致 KM2 线圈失电,继而其闭合的触点又断开(L2),此时真空泵电机电路板断电,真空泵停止工作。

系统连接处或者纳污罐、真空室本身可能有真空泄露,电路上设计了当真空压力表检测到真空室内真空压力低于下限值时,将自动启动真空泵进行补给。此时 DJB2 闭合,KA2 线圈得电,KA2 常闭触点断开(L6),KA1 线圈失电,断开的常闭触点 KA1- 2 再次闭合 (L5),KM2 线圈再次得电,常开触点 KM2 闭合(L2),接通电机电路板,启动真空泵。冲厕控制:旅客使用卫生间冲厕时,按下冲厕按钮 SB,线路 L9 上的 KA3 线圈得电,L10 上的触点 KA3- 1 与 L14 上的触点 KA3- 2 同时闭合,触点 KA3- 1 闭合形成自锁电路,触点 KA3- 2闭合接通线路 L14,开启电磁气阀 CT1,水箱中的水在高压下被压入座便器开始冲洗。按下冲厕按钮 SB 的同时,时间继电器 KT1、KT2 得电计时,KT2 设置时间 3 s,3 s 后,KT2 常闭触点 KT2- 2断开,切断线路 L14,电磁气阀 CT1 失电闭合,高压气体无法进入水箱,这样就不再有水进入管道,实现了冲水的时间控制。时间继电器 KT2 计时 3 s 后,线路 L12 上常开触点 KT2- 1 闭合,接通该线路,电磁气阀 CT2 得电,CT2 用来控制界面阀,此时界面阀在负压的作用下打开,在真空压力作用下,完成抽吸粪便,即实现了先冲水后抽吸的动作流程。时间继电器 KT1 设置时间 8 s(冲水时间 3 s 和抽吸时间 5 s 的和),8 s 后线路 L9 上常闭触点 KT1 断开,该线路右边 KA3、KT1、KT2 的线圈均失电复位,冲厕的控制线路恢复原状。

4 结束语

随着人们生活水平的提高和国家对环保的要求,真空环保厕所系统必将以其节水、卫生、便捷、安全、无臭等众多优点逐步取代传统的直冲式厕所。本文对铁路列车真空环保厕所系统进行了初步设计,还有许多工作有待进一步研究。如在控制部分可增加自动冲厕;在卸污方面,本文采用定点排污,可考虑采用其它方案。针对我国铁路列车卸污的实际应用情况,开发设计适合国情的真空卸污系统及设备。


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