閆 凱，薛 強(qiáng)，沈 駿，張曉超，周麗銘

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

真空集便裝置作為鐵路旅客列車重要的衛(wèi)生服務(wù)設(shè)備，用于列車衛(wèi)生間內(nèi)糞便污水的接收和存儲，實現(xiàn)鐵路客車運(yùn)用中衛(wèi)生間糞便污水的密閉式收集，避免了糞便污水的直接排放，其主要功能是污物接納、便盆沖洗排空及污物的收集和暫存，具有沖洗耗水少、污物箱安裝位置及排污管路設(shè)計方便等。系統(tǒng)工作原理是利用系統(tǒng)內(nèi)外壓差從便盆吸入污物并排空至污物箱,污物箱內(nèi)暫存的污物通過與便盆連接的排泄閥實現(xiàn)與衛(wèi)生間空氣的隔離，最大程度減少臭氣上浮，改善列車衛(wèi)生間及車廂空氣質(zhì)量。同時，集便器系統(tǒng)集成了水增壓等功能，增大沖洗水流壓力，加大噴嘴沖水面積，降低沖洗耗水量，改善沖洗效果，成為旅客列車集便器應(yīng)用與發(fā)展的主型技術(shù)[1-2]。作為旅客列車重要的公共衛(wèi)生設(shè)備，便盆沖洗、排空干凈高效，不僅是主要的功能要求和性能指標(biāo)及旅客對衛(wèi)生設(shè)備和衛(wèi)生環(huán)境的直觀感受，同時也是提升旅客列車衛(wèi)生服務(wù)水平和服務(wù)品質(zhì)的重要保障。

1 沖洗排空性能要求與影響因素

真空集便器沖洗、排空效果包括2 個方面:便盆內(nèi)表面的糞便污物沖洗干凈和便盆匯集的污物排空干凈無殘留，而沖洗干凈是主要方面。沖洗干凈是指便盆接納污物的表面無殘留、沖洗無盲區(qū)全覆蓋，主要影響因素有便盆曲面、沖洗水流型、沖洗水力、沖洗水量、便盆接納面污物附著性等，各因素間同時作用又互相影響。污物排空干凈是指匯集的污物能夠全部被抽吸排放至污物箱內(nèi)，便盆排放口無污物殘留，主要取決于抽吸作用力、抽排時間、出口設(shè)計、排污管路設(shè)置等，這些因素應(yīng)根據(jù)實際并結(jié)合試驗相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以得到較佳的排空效果。便器最佳沖洗排空效果應(yīng)盡可能達(dá)到便盆污物接納表面沖洗無盲區(qū)全覆蓋、污物沖洗無殘留無回流，同時還應(yīng)滿足沖洗過程沖水無外濺、污物無飛出等要求[3-4]。

真空集便器的一個顯著優(yōu)勢是節(jié)約沖洗用水，目前國內(nèi)外大多沖洗系統(tǒng)平均單次沖洗耗水量0.5 L 左右，尤其是座便器(也稱西式便器)，耗水量在0.45 L甚至更低即可保證較好的沖洗效果；而蹲便器(也稱中式便器)，由于蹲便盆的接納污物內(nèi)表面積較大、曲面較多、曲率限制等原因，污物附著更牢固，將便盆表面附著污物沖洗干凈有更高的技術(shù)要求。但是，作為交通工具公共衛(wèi)生設(shè)備，蹲便器能夠更好適應(yīng)使用頻次高、保持清潔難等實際要求及旅客使用心理要求，在我國旅客列車中普遍安裝使用。因此，以盡可能低的沖洗耗水量保證沖洗排空效果，是真空集便器技術(shù)研究與產(chǎn)品改進(jìn)的一項重要內(nèi)容。

2 沖洗排空技術(shù)研究

2.1 便盆設(shè)計與曲面設(shè)計

根據(jù)人機(jī)工程學(xué)特點(diǎn)，便盆設(shè)計的外形尺寸應(yīng)滿足使用方便和舒適性要求。便盆曲面特殊設(shè)計，在保證便器組件安裝空間和操作空間，以及曲面過渡光滑、銜接平順的前提下，盡可能增加便盆深度，尤其是污物主要接納區(qū)域的深度。首先對曲面整體尺寸及各橫截面輪廓線進(jìn)行整體設(shè)計，然后應(yīng)用三維軟件進(jìn)行三維便盆曲面造型，通過微調(diào)及曲面曲率分析，最終確定便盆曲面。

便盆曲面著色曲率分布如圖1 所示。根據(jù)圖1，在污物主要接納區(qū)域內(nèi)，座便盆沖洗區(qū)域可大致分為3個部分(見圖1 a)，即左半?yún)^(qū)①、后部②和右半?yún)^(qū)③；蹲便盆沖洗區(qū)域大致分為4 個部分(見圖1 b)，即前坡區(qū)①、左邊區(qū)②、后部③、右邊區(qū)(與②對稱)。水流覆蓋這些區(qū)域，即具備充分沖洗的必要條件。

2.2 便盆沖洗流型設(shè)計

根據(jù)盆曲面分析結(jié)果和沖洗全覆蓋要求，參考既有便器沖洗水流型，考慮糞便污物主要的接納部位，進(jìn)行蹲便器和座便器沖洗流型設(shè)計。

沖洗流型分旋流沖洗和直噴(扇面)沖洗2種。直噴沖洗流型采用側(cè)向扇面噴嘴，噴射張角180°，噴射扇面為半圓面，覆蓋面積更大，但相鄰噴嘴同時噴射水流容易發(fā)生交叉干涉，影響沖擊力；旋流沖洗流型中，采用斜向孔噴嘴，噴射水流集中，旋流可以使水流沿便盆曲面形成更長的流線，各水流流線旋流作用疊加，本研究選用旋流型式。旋流沖洗流型設(shè)計如圖2所示。

2.3 沖洗水力設(shè)計

沖洗水力設(shè)計計算主要涉及沖洗水壓、沖洗流量、沖洗流速，以驗證沖洗水加壓壓力、沖洗管路管徑、沖洗水環(huán)設(shè)置等設(shè)計是否正確合理。

對于旋流沖洗流型的噴射水流，設(shè)水流從噴嘴口射出，初射速度為v0，方向沿入射曲面切線方向。水流在水平方向為沿水平面與便盆曲面相交曲線的運(yùn)動和豎直方向沿豎直平面與曲面相交曲線方向上的合成運(yùn)動。水流經(jīng)噴嘴射出后達(dá)到?jīng)_洗目的應(yīng)滿足流體沿曲面的離心力小于重力與支反力的合力。蹲便盆不同噴嘴出水方向如圖3所示。

圖1 便盆曲面著色曲率分布

圖2 旋流沖洗流型設(shè)計

圖3 蹲便盆不同噴嘴位置出水示意

以c口計算為例，水流射出后至b、c間圓弧上一點(diǎn)改變?yōu)檠貓A弧方向。此時水流速度最大，入射點(diǎn)處豎直方向平面與便盆相交曲線上進(jìn)行受力分析如圖4所示。

圖4 c口水流受力示意

其中，N為曲面法線方向支反力，G為重力，F(xiàn)為兩者合力。為保證水流沿曲面向下沖洗，則

式中:α為向心力(F向)與法線方向夾角；v為水流速度，m/s；r為圓弧半徑，m。

蹲便器c口入射水流α=3°、r=125 mm，計算得噴射速度上限值vdmax≈4.82 m/s。

同理，坐便器入射水流α=3°、r=140 mm 噴射速度上限值vzmax≈5.11 m/s。

2.4 沖洗噴嘴設(shè)計

借鑒其他類型噴嘴噴射結(jié)構(gòu)，真空集便器扁平側(cè)向扇形噴嘴流場結(jié)構(gòu)大致分為3 個階段:噴嘴出口處一定距離內(nèi)的等速流核心區(qū)段，之后出現(xiàn)波狀分離的噴射基本段，以及變?yōu)樗闻c空氣的混合物或霧化的噴射消散段[5-6]。各段之間特征變化沒有明顯的界面，是一個連續(xù)、逐漸變化的過程。噴射各段在使用中具有不同的功能，基本段主要用于清洗、除銹、修整加工、表面拋光等作業(yè)，對于真空集便器便盆沖洗工藝，應(yīng)保證噴嘴噴射基本段內(nèi)的有效控制和利用。

噴嘴設(shè)計主要參數(shù)有流體靜壓力、流量、流速及反沖力等水力學(xué)參數(shù)，以及噴射角度、射程范圍及初始段長度等結(jié)構(gòu)參數(shù)。為達(dá)到噴嘴噴射水流較好的沖洗效果，必須保證噴射水流的穩(wěn)定性。當(dāng)水流噴出噴嘴后，空氣立即作用在噴嘴出口表面，空氣阻力的阻滯作用引起水流的擴(kuò)散，降低水流速度和打擊力。因此，應(yīng)合理設(shè)計噴嘴及供水管路，選擇最佳噴射距離(最佳靶距)，以獲得最佳的射流壓力和良好的噴射扇面。

影響噴嘴內(nèi)部和沖洗水流特性的各項因素分為介質(zhì)特性、噴嘴結(jié)構(gòu)形式和尺寸、加工質(zhì)量及工作參數(shù)，各因素對噴嘴內(nèi)部和沖洗水流特性的影響程度各異，通過試驗驗證噴嘴的位置、噴嘴型式與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，調(diào)整噴嘴出水方向，選取最佳沖洗效果的方案。

為保持流型穩(wěn)定，噴嘴設(shè)置在曲面曲率過渡臨近處，安裝于便盆側(cè)邊內(nèi)表面直立面上。噴嘴結(jié)構(gòu)采用噴嘴體和蓋組合形式，便于零件加工、安裝調(diào)整和后期使用維護(hù)。

2.5 沖洗排空動作時序設(shè)計

根據(jù)真空發(fā)生機(jī)理和系統(tǒng)工作原理，真空集便器可分為保持式、間歇式、在線式和緊湊式4 種，4 種系統(tǒng)的動作循環(huán)過程和功能基本類似，均包含水增壓、便盆沖洗、抽吸排空、補(bǔ)水及抽真空(在線式真空集便器系統(tǒng)工作時無抽真空過程)等關(guān)鍵動作過程。系統(tǒng)控制器控制相應(yīng)的電氣元件，接通或切斷對應(yīng)的氣路、水路，實現(xiàn)各個動作過程，各元器件動作開始時間及持續(xù)時間均可調(diào)節(jié)設(shè)定。

直接影響沖洗排空效果的因素包括沖洗便盆持續(xù)時間、排泄閥打開時間和打開持續(xù)時間(即抽吸排空時間)。沖洗便盆持續(xù)時間(即沖洗水電磁閥打開持續(xù)時間)直接決定沖洗水量，在保證沖洗效果的情況下，考慮沖洗水量及水增壓裝置總的暫存水量，通過沖洗排空試驗確定最終設(shè)定時間。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，對于粘附于便盆曲面上的污物沖洗，完全依靠沖洗水沖擊力克服污物的粘附力和摩擦力，排污管路的抽吸力基本不起作用；僅當(dāng)污物被沖洗到便盆排污口附近時，在排污管路抽吸水流與氣流的共同作用下，依靠污水液面與排污管路內(nèi)的壓力差，污物被抽吸進(jìn)入排污管路，加速污物排空。因此，在加壓沖洗便盆動作之后才打開排泄閥，開始排污管路抽吸排空。

2.6 零部件加工、組裝及安裝

零部件加工、組裝及安裝與保證沖洗排空效果也有很大關(guān)系，主要包括便盆材質(zhì)、噴嘴加工、沖洗水環(huán)組裝及沖洗管路安裝等。

為適應(yīng)列車運(yùn)行、使用等相關(guān)要求，旅客列車真空集便器便盆材質(zhì)目前多為不銹鋼等金屬材質(zhì)，較少采用陶瓷便器，既便于便盆成形加工，也便于進(jìn)行表面處理等加工工藝。便盆表面處理方式多采用噴涂涂層、電鍍鍍層和機(jī)械拋光3 種，均可有效降低便盆表面污物粘附，提高沖洗效果。

沖洗水環(huán)進(jìn)水口、沖洗噴嘴的管路及管接頭連接，可簡化為單口入、多口出的管道模型，尤其對于蹲便器沖洗水環(huán)，還應(yīng)根據(jù)不同位置噴嘴，充分考慮沿程水力損失及各噴嘴水力分布因素。水環(huán)接入口靠近蹲便器前部噴嘴、座便器后部噴嘴，盡量減少連接管路和管件，以加強(qiáng)噴嘴沖洗水壓。

噴嘴的加工質(zhì)量、噴嘴與便盆的匹配及組裝對噴嘴射流特性有較大影響，直接影響便盆沖洗效果。必須嚴(yán)格控制加工質(zhì)量，保證沖洗流型、射流分布、噴射角度等符合設(shè)計要求，同時通過定位槽等精確控制噴嘴的安裝方位。

3 沖洗排空效果試驗檢驗

由于沖洗排空效果的影響因素復(fù)雜，相互之間共同作用，并且設(shè)計計算與實際存在偏差及在生產(chǎn)加工過程中的不確定因素，導(dǎo)致最終排空效果難以估計，必須通過實際試驗進(jìn)行調(diào)整確認(rèn)。試驗主要包括噴嘴安裝位置、旋流噴嘴的射流方向，同時通過設(shè)定不同的沖洗時間、排空時間、氣源壓力等，在保證沖洗排空效果的前提下，盡可能降低耗水量，也驗證沖洗水加壓壓力、沖洗水管徑、沖洗水環(huán)設(shè)置、沖洗排空動作時間設(shè)計及設(shè)定是否滿足要求。沖洗排空效果試驗檢驗可以通過以下方式進(jìn)行。

（1）沖洗流型試驗。觀察沖洗水流流線是否均勻，是否能夠全部覆蓋污物接納主要區(qū)域，相鄰噴嘴水流在交叉處干擾是否嚴(yán)重等。

（2）墨線試驗。可以定量衡量沖洗流型覆蓋面積，方法是在噴嘴分布平面下方20～30 mm處，沿便盆一周畫1 條墨線，沖洗排空結(jié)束后，測量墨線殘留段數(shù)和總長度。

（3）模擬污物試驗。便盆內(nèi)投放一定量的模擬污物，模擬物粘度、密度、顆粒狀態(tài)盡可能與糞便污物相近，可采用發(fā)酵大豆、粘土、米飯等，檢驗沖洗殘留情況。

4 結(jié)束語

通過設(shè)計、加工、試驗等各環(huán)節(jié)，可以驗證便盆曲面、沖洗流型、噴嘴結(jié)構(gòu)等，以及各自對沖洗排空效果的影響，以有效提高沖洗排空效果。下一步仍需對噴嘴內(nèi)部射流流場、污物沖洗機(jī)理等進(jìn)一步研究與分析。在批量生產(chǎn)環(huán)節(jié)，嚴(yán)格控制各零部件，尤其是便盆、噴嘴的加工和組裝質(zhì)量，同時研究采取在沖洗水中添加清潔劑等方法，提高真空集便器整體性能。