CN104709297A - 铁路客车上水溢流自动控制装置 - Google Patents

Abstract

铁路客车上水溢流自动控制装置，由车上部件和车下部件组成，其特征是：所述的车上部件由排气上水装置组成，该排气上水装置安装在客车水箱两根上水管上，与上水、排气管相连，所述的车下部件由压力传感器、上水电磁阀和上水控制箱组成，所述压力传感器和上水电磁阀均和车下上水软管及上水栓相连，所述上水控制箱接收所述压力传感器信号并控制所述上水电磁阀。本发明适用于各种铁路客车和车站及车辆整备场，具有简单、可靠、体积小、造价低、易安装更换的特点，采用水流传递信息，不受其他无线和有线信号干扰，实现上水设备和上水客车的一一对应，解决客车上水溢流问题，有效避免水资源的浪费。

Description

铁路客车上水溢流自动控制装置

技术领域

本发明属于铁路客车及站场领域，特别是涉及客车上水溢流自动控制系统。

背景技术

多年来，铁路客车上水多是采用人工操作，客车水箱注满水后，水从溢流管流出，上水工发现溢流管出水后，再关闭上水阀。因为车厢多上水工少顾不过来，造成了水资源的浪费，以上水流量1.5L/s、溢流时间20s计，每节客车每次上水浪费30L，每列车每次上水浪费近500L。另外，北方地区冬季寒冷，溢流出的水极易结冰，成为车站行车和整备作业的安全隐患，以至于有的车站不得不采用人工刨冰等措施。

为节省宝贵的水资源，铁路系统各单位多年来做过许多研究，但均未解决此问题，目前仍需操作人员观察到溢流产生后方停止上水，既浪费了宝贵的水资源，也严重地影响了铁路窗口形象和铁路现代化水平，铁路客车上水设备溢流控制的问题亟待解决。铁道科学研究院研究开发了铁路客车上水溢流自动控制装置(专利号ZL201120015606.4)，车上和车下之间无需有线和无线信号传输，以水流为信息传递媒介，根据上水流量和压力的变化感知水箱上满水的信息，当水箱上满水后，对管路中的水流流场进行干扰，传感器采集分析流场前后的变化后系统自动停止上水。该系统由车上部件和车下部件组成，车上部件由液位传感器、液位显示控制仪和流量调节装置组成，车下部件由压力传感器、上水电磁阀和上水控制箱组成。液位传感器采集水箱内液位上传至液位显示控制仪；液位显示控制仪当水箱低液位时仅显示水箱液位，当水箱水满时启动流量调节装置；流量调节装置水箱未上满水时不启动，上满水后接受液位传感器的信号并启动，管路中流量和压力发生变化；压力传感器将采集到的压力传至上水控制箱；上水控制箱接收压力传感器信号并进行判识，满足阂值条件后输出信号至上水电磁阀；上水电磁阀启动停止上水。

该系统虽然有效可靠地实现了溢流控制，但也存在着车上系统较复杂的问题。一是车上需要加装的部件较多，而且需要安装在不同的部位上，液位传感器需要安装在水箱内；液位显示控制仪需要安装在乘务间；流量调节装置需要安装在上水管路上；二是各部件均需使用车上的电源，各部件之间均需信号线或电线连接；三是维修更换较困难。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：提供一种铁路客车上水溢流自动控制装置，该装置适用于各种铁路客车和车站及车辆整备场，具有简单、可靠、体积小、造价低、易安装更换的特点，采用水流传递信息，不受其他无线和有线信号干扰，实现上水设备和上水客车的一一对应，解决客车上水溢流问题，有效避免水资源的浪费。

本发明的技术解决方案是：

铁路客车上水溢流自动控制装置，由车上部件和车下部件组成，其特征是：所述的车上部件由排气上水装置组成，该排气上水装置安装在客车水箱两根上水管上，与上水、排气管相连，所述的车下部件由压力传感器、上水电磁阀和上水控制箱组成，所述压力传感器和上水电磁阀均和车下上水软管及上水栓相连，所述上水控制箱接收所述压力传感器信号并控制所述上水电磁阀。上水时位于排气上水管上的排气上水装置正常上水，位于另一上水排气管上的排气上水装置排气，当所述客车上水箱水满后，排气上水装置停止排气，客车上水箱液位上升，管路中水压增加，上水控制箱对压力传感器输出的信号进行判识，在满足判识准则和阂值时，启动该上水电磁阀停止上水。

所述的排气上水装置内部呈“回”字型，且为亚克力材质的模块，内部有圆形孔道，可供水流和气流通过，进出口分别位于底部和侧面，在侧面垂直的圆柱孔内有一密度小于水的浮球，该圆柱孔上部呈中空的环状曲面，下部留一个小孔，小球落下时封闭，浮起时打开，所述浮球只能在垂直圆柱孔内上下活动，所述排气上水装置下部水平方向圆柱孔的孔径小于浮球的直径，所述排气上水装置上部设有真空破坏器。

所述的排气上水装置除底部泄水孔直径为8mm外，其余内部孔径均为DN25mm；所述圆柱孔上部呈中空的环状曲面内孔径为18mm；所述浮球直径为22mm。

每节车厢水箱上的两根水管上各安装一个排气上水装置，底部管口和通向车下的上水管连接，右侧管口和通向水箱的水管连接。当该装置所在水管用作上水时，可正常上水；当另一上水管上水时，水箱未满时，该水阀用作排气；当水箱水满时，该阀停止排气且停止排水，水箱液位上升，管路中压力发生变化，车下压力传感器采集数据后送至控制箱，控制箱将变化前后的数据进行比较，判定为水箱水满后启动电磁阀停止上水。

本发明与现有技术相比具有如下优点：1.本发明采用的装置使用部件少，和原有技术相比，仅采用排气上水装置取代了液位采集器、液位显示控制仪和流量调节装置，同样可实现水箱高液位采集和水箱上满水后干扰流场的功能，使得车下传感器接收到水满信号，具有简单、可靠、体积小、造价低的特点。2.只需将排气上水装置安装在上水管的任何位置上，故更换维修十分方便。3.该排气上水装置工作原理简单可靠，不需电源，采用水流驱动，实现排气和排水功能的转换，改变管路中流体的水力学要素，通过系统各部件的联动，实现溢流自动控制，避免了以前所需的电源线和信号线，减少了设备故障点。

附图说明

图1为溢流自动控制系统组成示意图；

图2为客车水箱结构示意图；

图3为排气上水装置结构图；

图4为图3中A-A剖视图；

图5为图3中B局部放大图。

附图标记：1.客车上水箱；2.上水、排气管；3.排气上水装置；4.客车注水口；5.上水快速接头；6.上水软管；7.上水电磁阀；8.压力传感器；9.进水管口；10.上水控制箱；11.圆柱孔；12.浮球；13.真空破坏器。

具体实施方案

下面结合附图详细描述本发明的实施。

图1说明如下：附图标记1～4均为车上设备，视不同的车型各设备的安装位置、尺寸、管路布置等有所不同，排气上水装置可垂直安装在上水管路的任何位置。附图标记5～10均为车下设备，上水控制箱、压力传感器和电磁阀均安装在上水栓井内，上水软管有的放置在地面上，也有的平时放置在上水栓井内，使用时拉出，上水作业完成后，再回收至上水栓井内。

上水时，上水员工把上水软管6拉至注水口4处，将上水快速接头5和注水口4连接，采用遥控器或手动阀门开始上水，水箱上满水后，排气上水装置3启动，压力传感器8将检测到管路中的变化数据发送至控制箱，控制箱10采用预先设定的判识准则和阂值进行判识，认定水满后关闭上水电磁阀7停止上水。

图2说明如下：客车水箱多置位于客车顶部，除了水管外，水箱是封闭的，以防止水质污染。每个水箱均设两根进出水管，顶部位于同一高度，管口安装注水口，分别位于车厢端部下部的两侧，为方便操作，任何一根均可作为上水管，另一根则为排气排水管。上水过程中，上水管上水，随着水箱内液位上升，和进入到水箱中的同等体积的空气从排气排水管排出。在未安装溢流控制系统的情况下，当水箱上满水时，水位达到最高点，排气排水管开始排水，直至上水员工观察到溢流停止后停止上水。在安装排气排水装置的情况下，当水箱上满水时，水位达到最高点，水开始流至排气排水装置，排气排水装置中的浮球上升直至堵住上部出水口，停止排气和排水，水箱内水位继续升高，借助于车下的压力传感器和控制箱，系统自动停止上水。

图3说明如下：该装置外形尺寸为250*280*50mm；除底部泄水孔直径为8mm外，其余孔径均为DN25mm；下部管口连接车下，右侧管口连接水箱；所有直角拐弯处均为圆滑曲面，以减少水头损失；右侧垂直圆筒上部曲面内孔径18mm；右侧垂直圆筒内的圆球为实心塑料浮球，密度小于水，直径22mm；最好安装在靠近水箱处的上水管附近。

本发明的工作原理：对一个输水管路系统而言，在定常流状态下，管路中的任何一个断面处的水力学要素可能有微小的紊动，但不会有大的波动，其时间平均值为一常数，此时管路系统达到一个动态平衡。但当管路系统中发生突变，如增加或减少一段管道以及开启关闭一个阀门时，管路中的压力和流速会突然改变，管路系统会依据伯努利方程自行调整各部位压力水头、速度水头和势能水头的关系，最终达到一个新的动态平衡，此时的水力学要素和变化前相比，有一较大的变化。

利用这一原理，在车下的上水管路上设置传感器，采集流场的相关数据，利用预先设定好的判识准则和阂值比较前后流场的变化，当流场变化小时，可认为是水流紊动的正常结果，当流场变化大时，则可认定流场发生了非正常的突变，若这种突变被认定是由于客车上水产生溢流造成的，则可立即启动设置在管路中的电磁阀停止上水。

对目前的上水管路系统而言，当管路正常上水时，整个管路系统在上水直至水箱上满水整个过程中，水力学要素是基本不变的，上满水后的变化也较小，不足以输出清晰的突变信号，为实现溢流自动控制，需要在上满水时对流场进行干预，使得水力学要素产生一个较大的突变。

为此，根据客车水箱的结构，除了加装液位采集器、液位显示控制仪和流量调节装置以外，也可采用加装排气暨排水装置的方法。在客车水箱的水管上安装一个特制的排气暨排水装置。该装置须满足三种工作状态：当该装置所在水管用作上水时，可正常上水；当另一上水管上水时，水箱未满时，该水阀用作排气；当水箱水满时，该阀停止排气且停止排水，此时随着水箱内液面上升，管路中的水力学要素会发生足够大的变化，则可满足产生流场的突变的要求，系统可根据采集到的信号立即停止上水。采用以上方法就可利用水流的变化传递水箱水上满的信号，达到了自动控制上水溢流的效果，简单有效地解决了客车水箱和车下上水栓之间水满信号一对一有效传递的技术难题。

铁道科学研究院节能环保劳卫研究所通过对客车上水系统的现状调研，开发研制了同时具备采集水箱水满信号和改变管路流量功能的排气上水装置，该装置不用电源仅靠水力驱动，可安装在车上上水管路的任何位置，可取代原方案车上安装的的液位采集装置、液位显示控制仪和流量调节装置，具有简单、可靠、体积小、造价低、易安装更换的特点，该装置的研制成功，为大规模的推广应用溢流控制技术创造了有利条件。

本发明工作过程可分为三个阶段：

上水时，位于上水管上的排气上水装置自底部进水，水流沿着内部的圆形孔洞先向上流动，再向右流动，再向下流动，最后向右流出排气上水装置，右侧圆形垂直孔筒内的圆球被运动水流压在圆筒底部，真空破坏器不启动；同时，位于排气管上的排气上水装置自右部进气，气流沿着内部的圆形孔洞先向左流动，再向上流动，再向左流动，最后向下流出排气上水装置，右侧垂直圆形圆筒内的圆球因密度大于空气而停留在圆筒底部，真空破坏器不启动。

当水箱水满时，位于排气管上的排气上水装置自右侧开始进水，水流入右侧的垂直的圆筒后，聚集在底部，液位开始上升，圆球浮在液面上也一起上升，直至顶在中空的环状曲面为止，此时水箱里的水不再外排，水箱液位将上升，车下传感器感受到压力的变化后，停止上水。

停止上水后，水箱水面压力大于大气压，借助于水体重力和水箱表面压力，上水管内的水向下流动，带动排气上水装置左侧上部的真空破坏器启动，将上水管内的水全部排空，直至水箱液位和水管最高位平齐为止，真空破坏器和圆球复位，为下次上水做准备。其时，因为排气管上的排气上水装置以下的管路中没水，所以真空破坏装置不需启动，排气上水装置以上管路中的水可通过右侧垂直圆筒内底部的小孔排空，圆球复位，为下次上水做好准备。

本发明技术实验情况：

模拟客车上水实际情况进行了实验室实验，研制了整套实验装置，设置了一个目前铁路客运主力车型25型硬卧车上水水箱：水箱与上水设备的高程差同列车水箱与地面上水设备的高程差一致；水箱注水口采用动车组通用的A/B型接头；在两根给水管路上均设排气上水装置；对北京中铁科节能环保新技术有限公司制造的型号为TKHGS II的上水设备进行改造，在上水管路中设压力传感器；利用设备已有的上水电磁阀；设备控制箱增设接受压力传感器信号及进行判识的功能，在接受压力传感器信号后输出关闭上水电磁阀信号。多次重复试验结果表明，当水箱到达满水水位后，上水设备立即自动停止上水。在北京环形铁道试验基地和唐山车辆厂均进行了现场实验，也均告成功。

Claims (3)

1.铁路客车上水溢流自动控制装置，由车上部件和车下部件组成，其特征是：所述的车上部件由排气上水装置(3)组成，该排气上水装置(3)安装在客车水箱(1)两根上水管上，与上水、排气管(2)相连，所述的车下部件由压力传感器(8)、上水电磁阀(7)和上水控制箱(10)组成，所述压力传感器(8)和上水电磁阀(7)均和车下上水软管(6)及上水栓相连，所述上水控制箱(10)接收所述压力传感器(8)信号并控制所述上水电磁阀(7)，上水时位于排气上水管(2)上的排气上水装置(3)正常上水，位于另一上水排气管(2)上的排气上水装置(3)排气，当所述客车上水箱(1)水满后，排气上水装置(3)停止排气，客车上水箱(1)液位上升，管路中水压增加，上水控制箱(10)对压力传感器(8)输出的信号进行判识，在满足判识准则和阈值时，启动该上水电磁阀(7)停止上水。

2.根据权利要求1所述的铁路客车上水溢流自动控制装置，其特征是：所述的排气上水装置(3)内部呈“回”字型，且为亚克力材质的模块，内部有圆形孔道，可供水流和气流通过，进出口分别位于底部和侧面，在侧面垂直的圆柱孔(11)内有一密度小于水的浮球(12)，该圆柱孔(11)上部呈中空的环状曲面，下部留一个小孔，小球落下时封闭，浮起时打开，所述浮球(12)只能在垂直圆柱孔(11)内上下活动，所述排气上水装置(3)下部水平方向圆柱孔的孔径小于浮球(12)的直径，所述排气上水装置(3)上部设有真空破坏器(13)。

3.根据权利要求1或2所述的铁路客车上水溢流自动控制装置，其特征是：所述的排气上水装置(3)底部泄水孔直径为8mm外，其余孔径均为DN25mm；所述圆柱孔(11)上部呈中空的环状曲面内孔径为18mm；所述浮球(12)直径为22mm。