张从从 彭瑞 张宝峰 李晋辉
中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛 266000
摘要：本文通过介绍城际动车组运行环境以及水系统组成，指出城际动车组水系统中的管路、箱体在防冻方面存在可能的研究难点，进而针对研究难点进行设计优化，从而提升整个水系统在高寒环境中的防冻可行性。
关键词：城际动车组 水系统 管路 箱体 防冻
一、研究背景
区域经济快速发展和城市群崛起对城际轨道交通有强烈的需求，因城际动车组具有载客量大、快速乘降、快起快停的特点，所以城际动车组成为重要的交通运营模式。
1、运行环境
城际动车组运行线路中包括高寒地区，这些地区寒冷季节长，不仅温度低且冻结多降雪，伴有风沙，列车运营温度要求范围为-40℃~+45℃。运行环境有风、沙、雨、雪、雾霾等天气，偶有盐雾、酸雨、沙尘暴等现象。城际动车组需在低温环境甚至极寒环境中长时间运行或停放，动车组中的水系统需要满足能够在-40℃环境中正常使用的要求。
2、城际车水系统组成
根据城际动车组运行要求，本车水系统由给水系统、用水系统、排水系统三个子系统组成，每个子系统由相应的部件组成如图1所示，通过图1能够较为清晰看出城际动车组水系统的基本组成。
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二、研究难点
通过总结城际动车组水系统组成特点，对比运行环境可以得出，此水系统可能的防冻难点集中在水系统管路和水系统运用的箱体两部分。
1、管路冻结
从供水系统到用水系统再到排水系统，管路贯穿于水系统的每个环节，正由于管路应用的不可或缺性，管路成为水系统防冻研究中的最可能存在的难点。由于水变冰的自然物理特性，所以无论普通大铁路客车中应用的铸铁材质水管管路亦或是动车组中应用的铜质水管管路，在低温环境中存水都难以逃脱被冻结的情况，严重时会冻裂管路，影响整列车水系统的应用。
2、箱体冻结
水系统中的箱体主要包括水箱、污物箱两大类，这两种箱体在工况分析中存在相似的情况即箱体中长时间存有大量的液体，同时能够形成热量传递的面域较大，因此统称为箱体，此是水系统中另一个在防冻方面可能存在的设计难点。
三、防冻优化设计
应对上述城际动车组水系统防冻方案研究中可能存在的难点，对应管路和箱体提出可行性优化设计，以实现水系统在高寒环境中的防冻要求。
1、管路优化设计
水系统中的管路由于作用不同在正常运行情况下可以分为非必须存水管路和必须存水管路两大类如图2水系统管路分类所示。其中非必须存水管路主要包括排水管路、注水管路、溢水管路等，此类管路在其实现功能作用时，有水流通过，当功能实现结束后列车运行的其他情况下管路中没有大量水流通过；必须存水管路主要为供水管路，在动车组运行的过程中为列车上供水点供水，因此除停运处于防冻排空状态下不存水，其他情况都有大流水在管路中存在或通过。针对上述这两类管路中的异同点，管路的防冻优化设计主要包括以下五个方面。
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1）优化管路布置形式，尽量采用倾斜方式
管路布置设计时，在能够满足功能需要的前提下，减少管路的水平布置，尽量采用倾斜方式，这种方式有利于水顺势沿管路排除，降低了存水的可能性。非必须存水管路其在工作时有水流通过，由于水的流动性，管路中的水与管路和外界说进行的热量交互较少，不会出现冻结现象。出现冻结的情况是有水残留管路中，在低温环境中容易冻结。采用倾斜方式，在管路工作结束后能尽量减少水残留管路的情况，进而降低了管路被冻结的可能性。
尽量采用倾斜方式布置原则应用到水系统中所有管路布置，非必须存水管路已经分析过，在此不再赘述，就必须存水管路也应该尽量采用倾斜方式布置有利于供水提供，同时当动车组停运时，需对管路进行防冻排空，此种布置能够减少内部水残留，有利于排空。
2）增加保温材厚度、增加电热伴线功率
通过在管道外包上一层保温材料（又称热绝缘材料或隔热材料）能够实现隔热防冻，采用保温材料已经广泛应用于铁路列车防冻设计方面。就保温材料的选择主要遵循以下三个原则。
第一，保温性能好，热系数是保温材料最重要的性质，在其他条件允许的情况下，材料的导热系数越低越好；第二，耐温性好，性能稳定，不会出现在其他产品生命周期中，保温材性能急剧降低的情况；第三，阻燃性，且无毒，必须符合材料的阻燃要求[1],无毒指不会腐蚀包裹的管路以及箱体。
就城际动车组水系统中选用的保温材料要符合上述原则，同时在其他动车组的基础上，要增加保温材料的厚度，用累积的方式增加保温效果，达到防冻作用。
3）增加电热伴线功率
水系统防冻研究中，对管路进行有效的加热室有效的防冻措施。采用电热伴线包裹于管路外部，采用PLC控制，对管路进行持续的加热，以保证管路处于设定的温度范围，从而降低管路冻结的可能。在低温情况下，防寒伴热装置启动，伴热装置将对管路进行伴热，从而达到管路防冻目的。电热伴线加热方式由动车组上统一供电，由于城际动车组的运行环境，因此需要增加电伴热线功率以提高加热作用。
4）管路固定点改变固定方式，隔断热桥
水系统中管路面临的局部低温情况是由于热桥的存在，管路需通过管卡固定于车体或是水管安装座上，其中水管安装座通过焊接的方式固定于车体上，因此此种固定方式的水管安装座也可以看成是车体的一部分，与车体的温度相同，将外界低温传递给管路，由于此种固定方式的存在，管路的隔热层组织出现断点。
城际动车组水系统中管路固定应在连接部位采用隔断热桥结构，在水管安装座与车体连接处采用橡胶硫化件，固定处采用隔断橡胶或其他类型隔热材料垫，能够有效的隔断管路安装固定用连接件与车体连接产生的热桥，避免车体温度直接传递给固定管路。
5）优化设计结构，取消直排口
动车组水系统中的排水系统广泛应用方式为排水口外置车外，这种方式在在高寒的低温甚至极寒环境中会致使排水口温度低与环境温度一致，易使排水口结冰。利用车下水封结构，在低温环境中车下水封附近底板、构架易形成冰坨。面对这种情况，为防止废水直排时发生冻结，采用改进排水方式，优化排水系统设计结构。通过设置废水收集装置即废水中转箱，将废水中转箱设置于洗手间下方，将车上产生的废水进行集中收集，达到停靠地点后定时排出车外。此种方式既避免了水封车下冻结的情况，同时由于废水中转箱设置在车内环境从根本上达到防冻作用。
2、箱体防寒优化设计
水系统中箱体发挥不可替代作用，为整个系统的储存部位，就箱体工作时的特点，通过增加箱体保温材厚度，同时对箱体采用加热装置，能够达到防冻效果。
低温环境中箱体传导热量面积大，积极有效的防冻措施为采用电加热器，电加热器受温控开关控制，控制温度实城际动车组运行的环境设置(如设置开：5℃±1.5℃，关：7.5℃±1.5℃)。若温控探头感应温度低于温控开关设定的下限值，水箱电加热器通电加热，直至温控探头感应温度达到温控开关设定的上限值，加热停止。用此种方式能够实时对箱体温度进行有效控制，从而达到防冻目的。
箱体外层包裹保温材能有效减少箱体与外界热量的传递，增加保温材厚度能够提升箱体在寒冷环境的防冻级别，保温材料的选用与上述管路防冻中增加保温材厚度相同，不再赘述。箱体由于容积较大，在日常较短暂的停车情况很难将其内部排空，因此箱体保温材的厚度不仅要满足列车有电、箱体有伴热情况下的防冻，同时要能达到运营条件中提出的一定时间内动车组停车，整车不带电，箱体无伴热情况下，箱体不被冻结的要求。因此针对箱体保温材料的厚度需要进行低温试验，通过在低温试验中设置与运营条件相似的参数数据计算出对应的保温材料的厚度。
四、结论
城际动车组水系统防冻设计难点主要存在于管路以及箱体冻结方面，通过优化管路布置方式，能够减少管路中非工作状态水的残留；增加水系统中的防寒材料厚度以及伴热功率能够减少热量传递，保持水系统温度；通过固定点增加防寒材料能够有效隔断车体与管路之间的热桥。因此上述措施对城际动车组水系统在放冻方面是有效的。
参考文献
[1] TB/T3138-2006《机车车辆阻燃材料技术》。