一种列车用真空集便系统、隔膜阀及控制方法与流程

1.本发明涉及一种列车用真空集便系统，特别涉及一种利用重力排污的列车用真空集便系统、安装在该系统中的隔膜阀及该系统的控制方法，属于铁路车辆制造技术领域。


背景技术：

2.近年来，国内高铁动车等均全部装备真空集便系统，用于收集卫生间便器的污物及盥洗废水，其中装备体量最大的真空集便系统为中转式真空集便系统。中转式真空集便系统具有低能耗和多便器使用等待时间短等特点。同样中转式真空集便系统也存在控制部件过多，故障点较多，系统性价比低等缺点。同时，因现有技术中的中转式真空集便系统均采用正压力转移污物，部件可靠性降低时会发生反喷故障，严重影响卫生系统的使用。
3.在专利号为201822272624.5的专利中中公开了一种列车用真空集便系统，该系统将中转箱安装到污物箱上方，中转箱下方通过大口径排放阀与污物箱连接，采用真空吸污重力排污的方式。但该系统最大的难点在于大口径排放阀，目前常用的滑阀、蝶阀均存在口径小，结构复杂，日常维护不方便、且可靠性较差等问题，不能应用于依靠重力进行排污的集便系统中。
4.另外，在列车用真空集便系统中，除了中转箱和污物箱外还设置有废水箱，用于收集洗手盆、地漏流出的盥洗废水，当废水箱到达一定液位后，再在中转箱内建立真空，打开废水箱排水管上的废水排泄阀将废水箱内的废水排至中转箱内。该种系统结构存在一定弊端：一是系统结构复杂，成本高；二是，在将废水箱排放至中转箱内时，需要在中转箱内建立真空，同时废水排泄阀是气动电磁阀，不但控制方式和控制结构复杂，也会增加控制电路的负载，提高系统的用电量，同时也会增加耗气量。


技术实现要素：

5.本发明主要解决的技术问题是，提供一种结构简单，成本低，可大幅提升工作可靠性的列车用真空集便系统，同时提供该系统的控制方法。
6.本发明另一个主要解决的技术问题是，提供一种结构简单，成本低，工艺性好，仅根据压力变化即可实现管路通断的隔膜阀。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案是：
8.一种列车用真空集便系统，包括便器、废水排放设备、中转箱、污物箱及真空发生器，所述便器通过排污管与中转箱连接，真空发生器通过气管与中转箱连接，所述废水排放设备通过排水管与中转箱连接，在所述排水管上串接有隔膜阀，废水通过所述隔膜阀依重力流入中转箱内。
9.进一步，在所述中转箱上安装有液位开关。
10.进一步，所述中转箱与污物箱之间通过连通口连通，在所述连通口处安装有用于控制连通口通断的中转箱排污阀，所述中转箱内的污物通过重力将污物排至污物箱内。
11.进一步，所述中转箱排污阀为塞阀或膜片阀。
12.本发明的另一个技术方案是：
13.一种隔膜阀，包括阀体，在所述阀体内安装有隔膜，所述隔膜将阀体内分成两个腔，第一腔的阀体上设置有通气口，第二腔连接有进水通道和排水通道，根据第一腔和第二腔之间的压差所述膜片可选择地封闭或脱离进水通道与排水通道的衔接处以切断或连通进水通道和排水通道之间的水流路。
14.进一步，在所述膜片的一侧表面上对应进水通道的出口设置有环形凸台，由所述环形凸台贴合或脱离进水通道的出口以切断或连通进水通道和排水通道之间的水流路。
15.进一步，所述膜片垂直安装在阀体内，所述进水通道垂直布置在所述排水通道的上方，所述排水通道的入口端位于进水通道出口端的下方，所述膜片可选择地与所述进水通道的出口端贴合或脱离，所述进水通道的入口和排水通道的出口之间形成蛇形水流路。
16.进一步，在所述膜片朝向第一腔一侧的表面上具有限制最大变形量的限位凸台。
17.进一步，所述通气口通过气管与车内连通，所述进水通道的入口和排水通道的出口分别通过水管与车内的废水排放设备和中转箱连接。
18.本发明的再一个技术方案是：
19.一种上述列车用真空集便系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
20.s1、便器待机时，废水排放设备排出的废水通过隔膜阀依重力流入中转箱内至设定液位时，控制器控制中转箱排污阀打开，将废水依重力排入污物箱内；
21.s2、在便器使用时，按压冲洗按钮后，先打开中转箱排污阀将中转箱排空，水增压单元首次对便器进行冲洗；
22.s3、中转箱排污阀在打开设计时间后关闭，真空发生器工作给中转箱建立真空，建立真空后便器排污阀打开将污物吸入中转箱内；
23.s4、便器排污阀关闭，中转箱排污阀打开，中转箱内的污物依重力排入污物箱内；
24.s5、水增压单元对便器进行二次冲洗形成水封闭，便器进行待机。
25.综上内容，本发明所述的一种列车用真空集便系统、隔膜阀及控制方法，与现有技术相比，具有如下优点：
26.(1)该系统仅依靠重力将废水排至中转箱和污物箱内，利用机械结构的隔膜阀实现废水排水管的通断，在废水排放至中转箱时无需在中转箱内建立真空，该系统整体结构简单，成本低，有利于简化控制方式，大幅提升工作可靠性，同时也减少系统的用电量和耗气量。
27.(2)该系统中转箱和污物箱之间的连通口通过塞阀或膜片阀代替现有技术中的滑板阀，不但可以使得重力排污更加稳定可靠，而且有利于降低维护成本。同时，中转箱与污物箱之间直接连接，省略了现有技术中安装在中转箱与污物箱之间的排污阀等结构，降低了中转箱与污物箱所占用的总高度。
28.(3)本发明提供的隔膜阀结构简单，加工制造成本低，工艺性好，而且工作稳定可靠。
附图说明
29.图1是本发明实施例一真空集便系统结构图(连通口关闭状态)；
30.图2是本发明隔膜阀结构图；
31.图3是本发明实施例一真空集便系统结构示意图(连通口打开状态)；
32.图4是本发明实施例二中转箱结构示意图；
33.图5是本发明实施例三中转箱结构示意图(连通口打开状态)；
34.图6是本发明实施例三中转箱结构示意图(连通口关闭状态)；
35.图7是本发明实施例四中转箱结构示意图(连通口关闭状态)；
36.如图1至图7所示，中转箱1，底板1a、顶板1b，围板1c，污物箱2，顶板2a，便器3，真空发生器4，洗手盆5，便器排污阀6，排水管7，隔膜阀8，单向阀9，连通口10，中转箱排污阀11，液位开关12，阀体13，第一腔13a,第二腔13b，隔膜14，进水通道15，排水通道16，通气口17，环形凸台18，限位凸台19，驱动机构20，阀塞21，盖板22，导向筒23，凹陷部分24，检修门25，第二开口26，阀塞腔27，固定座28，膜片29，阀体30，固定点31。
具体实施方式
37.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
38.实施例一：
39.如图1至图3所示，本实施例中提供一种列车用真空集便系统，包括中转箱1、污物箱2、便器3、废水排放设备、真空发生器4、气动控制单元、电气控制单元、水增压单元及冲洗按钮等，废水排放设备包括安装在车上的洗手盆5、盥洗池、电茶炉排水口和地漏等。
40.本实施例中，中转箱1置于污物箱2的上方，便器3通过排污管与中转箱1连接，排污管上串接有便器排污阀6，洗手盆5等废水排放设备通过排水管7与中转箱1连接，在排水管7上串接有隔膜阀8，隔膜阀8可集成安装在中转箱1上，使结构更加紧凑。在洗手盆5、盥洗池、电茶炉排水口和地漏的下方均设置有单向阀9，单向阀9优选采用鸭嘴及十字膜片等结构形式的防反味单向阀。洗手盆5等废水排放设备排出的废水依重力排至下方的中转箱1内。在中转箱1的底板1a与污物箱2的顶板2a之间通过连通口10连通，在连通口10处安装有用于控制连通口10通断的中转箱排污阀11，进入中转箱1内的污物和废水等通过重力作用排至下方的污物箱2内。真空发生器4通过气管与中转箱1连接，在中转箱1上安装有液位开关12，真空发生器4和液位开关12与控制器连接。
41.如图2所示，隔膜阀8包括阀体13，阀体13优选采用塑料件，以减轻重量和降低成本。在阀体13内安装有隔膜14，隔膜14将阀体13内分成两个膜腔，左侧第一腔13a的阀体13上设置有通气口17，通气口17通过气管与车内连通，与车内连通的气口可以设置在卫生间内或洗手盆5旁边。右侧的第二腔13b连接有进水通道15和排水通道16，进水通道15的入口和排水通道16的出口分别通过排水管7与车内的洗手盆5等废水排放设备和中转箱1连接。根据第一腔13a和第二腔13b之间的压差，隔膜14可选择地封闭或脱离进水通道15与排水通道16的衔接处用以切断或连通水通道15与排水通道16之间的水流路。本实施例中，阀体13分成可拆卸的两个部分，用以方便检修维护，两个部分之间通过外圈设置的卡箍固定连接，两个部分连接时将隔膜14压紧固定阀体13上。当然阀体13的两个部分之间也可以通过螺纹固定连接，两个部分螺纹连接时将隔膜14压紧固定阀体13上。
42.本实施例中，隔膜14呈圆盘状，垂直安装在阀体13内，进水通道15垂直布置在排水通道16的上方，排水通道16的入口端位于进水通道15出口端的下方，隔膜14可选择地与进水通道15的出口端贴合或脱离，进水通道15的入口和排水通道16的出口之间形成蛇形水流
路。在隔膜14的一侧表面上对应进水通18道的出口设置有环形凸台18，环形凸台18与隔膜14的主体一体成型，由环形凸台18贴合或脱离进水通道15的出口以切断或连通水流路。
43.在隔膜14朝向第一腔13a一侧的表面上具有限制最大变形量的限位凸台19，避免由于排水管7内的废水压力过大造成隔膜14变形过大而损坏。
44.该隔膜阀8中的通气口17和进水通道15均通车内，保持隔膜14两侧压力平衡。隔膜14用于封闭进水通道15的入口和排水通道16的出口，防止车内外压差时通气。通过隔膜14材料弹性的选择，保证其在进水侧压力大于通气侧压力设定值时，才可以脱离连通水路，而在其它工况时都可以较好的实现密封。本实施例中，优选隔膜14选用硅橡胶材料，其弹性选择在6kpa～12kpa的封闭压力，实现车内外压差的隔绝，车内灰水通过累积的重力水柱克封闭膜片，流入中转箱内。
45.当乘客使用便器3，中转箱1抽真空时，隔膜阀8的环形凸台18吸附在进水通道15的的出口处，中转箱1形成密封空间。洗手盆5内流出的废水在水量较小时暂存在排水管7内，当排水管7内的水量达到一定压力，使隔膜14的进水侧压力大于通气侧压力，且可以克服隔膜14本身的弹性时，隔膜14被推开脱离进水通道15，排水管7内的废水通过隔膜阀8依重力流入中转箱1内。
46.该系统仅依靠重力将废水排至中转箱1内，利用机械结构的隔膜阀8实现废水排水管的通断，在废水排放至中转箱1时无需在中转箱1内建立真空，有利于简化系统结构，降低成本，而且有利于简化控制方式，大幅提升工作可靠性，同时也减少系统的用电量和耗气量。
47.本实施例中，如图1和图3所示，设置在中转箱1与污物箱2之间的连通口10由开设在中转箱1底板1a上的开口和开设在污物箱2顶板2a上的开口对接后形成，中转箱1和污物箱2在对应的开口处通过法兰等紧固装置固定连接在一起，方便日常维护检修。为保证连通口10的密封性，在中转箱1与污物箱2对接的开口处安装一圈密封圈(图中未示出)。中转箱1与污物箱2之间直接连接，省略了现有技术中安装在中转箱1与污物箱2之间的排污阀等结构，降低了中转箱1与污物箱2所占用的总高度。因中转箱1设置于污物箱2上，可使列车多个卫生间及废水收集共用同一个中转箱1收集，节约了部件，实现了便器3高效使用及低能耗。
48.如图1和图3所示，中转箱1是由底板1a、顶板1b及围板1c组成的箱形结构，中转箱1的顶板1b为平板结构，顶板1b可以为圆形、方形、半圆形、椭圆形、扇形中的一种，可以根据实际安装空间选择其中的一种中转箱1结构。当然，中转箱1也可以采用其它异形结构。便器3的排污管末端连接在中转箱1的围板1c上，废水箱的排水管也连接在中转箱1的围板1c上，真空发生器4的抽气管的末端连接在中转箱1的顶板1b上。在围板1c上设置有用于检修中转箱1的检修门(图中未示出)。
49.中转箱1的底板1a为向下凸出的锥形结构，连通口10设置在锥形结构最底端位置，该结构有利于使进入中转箱1内的污物向底部中心的连通口10处流动，进而有利于使中转箱1内的污物全部通过重力作用排至下方的污物箱2内。
50.本实施例中，中转箱排污阀11优选采用塞阀，该塞阀包括驱动机构20和阀塞21，驱动机构20的输出端与阀塞21连接，阀塞21的运动方向与连通口10所在平面垂直。驱动机构20的输出端与阀塞21之间的连接可以采用法兰连接或螺纹连接，以方便日常维护。阀塞21由驱动机构20带动用以在中转箱1真空吸污时封堵连通口10使连通口10断开，或在中转箱1
向污物箱2排污时脱离连通口10使连通口10打开。
51.驱动机构20可以采用气缸、液压缸或电机等，只要能带动阀塞21做直线运动即可，驱动机构20安装于中转箱1的外部。驱动机构20与集便系统中的电控单元或气控单元连接。
52.在中转箱1的顶板1b上设置有第一开口(图中未标示)，驱动机构20通过第一密封固定结构固定在第一开口处的顶板1b上，本实施例中，第一密封固定结构优选采用一盖板22，盖板22的直径大于第一开口的直径，盖板22通过螺栓固定安装在顶板1b上，驱动机构20固定安装在盖板22上，驱动机构20的输出端穿过盖板22及第一开口与阀塞21固定连接。为了保证第一开口处的密封性，盖板22与顶板1b之间设置一圈密封垫圈(图中未示出)，防止中转箱1抽真空时泄漏。
53.本实施例中，无论是在封堵状态还是在打开状态，阀塞21均在中转箱1内移动，第一开口的直径可以与驱动机构20的输出端的直径相匹配，远小于阀塞21的直径，阀塞21可以通过一侧的检修门进行日常维护检修。本实施例中，为了方便阀塞21的日常维护检修，优选，第一开口的直径与阀塞21的直径相匹配，这样在维护检修时只需要打开上方的盖板22即可将阀塞21从第一开口中取出。
54.为了保证阀塞21运动更加平稳，本实施例中，更优选，在第一开口处向中转箱1的内部伸出一呈筒状的导向筒23，导向筒23的内径与第一开口的内径相同，并为等直径筒，阀塞21在导向筒23内做直线移动。导向筒23的高度至少保证阀塞21在封堵状态时仍有部分高度位于导向筒23内。
55.第一开口的直径与阀塞21的直径相匹配时，阀塞21的外周表面在移动时与第一开口的内圈或导向筒23的筒壁相接触，在阀塞21向上移动时，可以利用导向筒23的筒壁刮掉阀塞21上粘连的污物，污物掉落在中转箱1内，对阀塞21起到自清洁的作用，有利于进一步降低日常维护成本。
56.阀塞21可以选用金属材料制成，也可以采用硬质橡胶、尼龙、塑料等材料制成。阀塞21的底部呈向中心收敛的锥台形结构，连通口10与阀塞21的底部相匹配呈上大下小的锥台形结构，用以保证封堵时的密封性。为了制造方便，污物箱2的顶板2a在开口处为平口结构，中转箱1在开口处具有向污物箱2方向伸出的锥台形结构。
57.阀塞21在封堵状态时其底部平面位于连通口10的下方，使得阀塞21在向连通口10的方向移动时，可以将粘在连通口10处的污物推至下方的污物箱2内，保证封堵状态时可靠密封。
58.中转箱排污阀11通过阀塞21简单的上下直线运动即可完成连通口10的接通或断开，整体结构简单，控制也简单，可以不限制连通口10的口径，而且利用塞阀代替现有技术中的滑板阀，不但可以使得重力排污更加稳定可靠，而且有利于降低维护成本。
59.上述的塞阀平时处于关闭状态，当乘客使用便器3时，真空发生器4工作对中转箱1进行抽真空，当真空度达到真空开关设定值时，真空发生器4停止工作，便器排污阀19打开，污物在负压的作用下抽入中转箱1内，便器排污阀19关闭，控制阀塞21向上移动打开连通口10，中转箱1内的污物重力排入污物箱2内。使用重力排污使中转箱1内的污物转移过程完全无正压，解决了同样低能耗的原中转箱1因采用正压力转移污物，部件发生故障时造成便器3反喷的情况。
60.该真空集便系统的控制方法，包括如下步骤：
61.s1、便器待机时，废水排放设备排出的废水通过隔膜阀8依重力流入中转箱1内至设定液位时，控制器控制中转箱排污阀11打开，将废水依重力排入污物箱2内。
62.s2、在便器3使用时，按压冲洗按钮后，先打开中转箱排污阀11将中转箱1排空，水增压单元首次对便器3进行冲洗。该步骤有利于增大中转箱1抽直空的容积。
63.s3、中转箱排污阀11在打开设计时间后关闭，真空发生器工作给中转箱建立真空，建立真空的工作时间由真空开关导通或抽空设定时间中止，建立真空后便器排污阀6打开将污物吸入中转箱1内。
64.s4、便器排污阀6关闭，中转箱排污阀11打开，中转箱1内的污物依重力排入污物箱2内。该步骤中，可便器3使用一次即将中转箱1排空一次，也可以在便器3使用多次后排空一次。
65.s5、水增压单元对便器3进行二次冲洗形成水封闭，便器进行待机。
66.该系统采用污物真空收集、废水重力收集、中转箱重力排空等技术，延续了原中转式低耗气、多便器及灰水可同时收集成的优点，解决了原废水收集结构复杂、故障点较多、中转箱反喷风险等问题。该系统结构简单，工作稳定可靠，而且易制造检修，整体降体效果明显。
67.实施例二：
68.如图4所示，转箱1的顶板1b为平板结构，顶板1b可以为圆形、方形、半圆形、椭圆形、扇形中的一种，图3中所示的顶板1b采用了半圆形的结构，与实施例一不同之处在于，本实施例中，在顶板1b上具有向下凹陷的部分，该凹陷部分24的设置位置不限，只要正对连通口10设置即可，驱动机构20安装在该凹陷部分24内的顶板1b上。在顶板1b上设置凹陷部分24有利于在保证中转箱1容量的前提下，进一步降低驱动机构20的安装高度，同时还有利于缩短阀塞21的行程。
69.中转箱1的底板1a同样为向下凸出的锥形结构，连通口10设置在锥形结构最底部的中心位置。在围板1c上设置有用于检修中转箱1的检修门25。
70.实施例三：
71.如图5和图6所示，与实施例一或实施例二不同之处在于，本实施例中，在中转箱1的顶板1b上设置有第二开口26，在第二开口26的上方设置有封闭的阀塞腔27，阀塞21在封堵状态时伸入中转箱1的内部，在打开状态时向上移动容置在阀塞腔27内。驱动机构20固定在阀塞腔27的壳体上，阀塞腔27通过第二密封固定结构与中转箱1的顶板1b固定连接，第二密封固定结构为环形的固定座28，固定座28与顶板1b之间设置密封圈实现密封连接。
72.此结构中，第二开口26的直径与阀塞21的直径相匹配，阀塞21的外周表面在移动时与第二开口26的内圈相接触，在阀塞21向上移动时，可以利用第二开口26的内圈刮掉阀塞21上粘连的污物，污物掉落在中转箱1内，对阀塞21起到自清洁的作用，有利于进一步降低日常维护成本。
73.实施例四：
74.与实施例一、实施例二和实施例三不同之处在于，导向筒23和第二开口26的直径略大于阀塞21的直径，在导向筒23的筒壁上或第二开口26上设置柔性刮片(图中未示出)，柔性刮片可以沿周向均匀设置多个，也可以呈环形设置。柔性刮片与阀塞21的外周表面在移动时相接触，利用柔性刮片刮掉阀塞21上粘连的污物，污物掉落在中转箱1内，对阀塞21
起到自清洁的作用。
75.实施例五：
76.在车辆故障等特殊情况下，面临着乘客暂时困在列车车厢内，更恶劣的情况下列车会停电，断气，造成厕所的用真空集便器不能工作，为了能够解决这种特殊情况的便器3应急可用问题，缓解暂时补困乘客的如厕困难，如图7所示，本实施例中，用于控制中转箱1与污物箱2之间连通口10通断的阀门采用结构和控制更加简单的膜片阀。
77.膜片阀包括膜片29和阀体30，阀体30为在连通口10处向污物箱2的内部方向伸出的筒状结构，阀体30的底面为具有一定倾斜角度的锥面，在阀体30的底面安装膜片29，膜片29与阀体30的位置高的一端通过固定点31连接。本实施例中，优选，阀体30的底部从连通口10的位置开始向下倾斜，膜片29的固定点设置在连通口10处的污物箱2顶板2a上。
78.膜片29由具有一定成型硬度的材料制成，该材料同时具有一定的弹性，在无污物排放时，膜片29依靠自身材料的硬度即可封堵阀体30，进而封堵连通口10，当中转箱1内进入污物时，污物首先进入阀体30内，此时污物的重量可以使膜片29受压变形而向下倾斜，进而打开连通口10，使污物进入污物箱2内，排污结束后，好重量消失后，膜片29又会自动恢复至封堵状态。根据膜片29选用的材料，膜片29在封堵状态下的倾斜角度优选为20-70
°
之间，更优选在30-45
°
。
79.本实施中还同时提供一种列车用真空集便系统，真空集便系统的结构及工作原理上述相同，这里不再另作详细描。
80.区别在于，本实施例中，便器排污阀6采用的是管夹阀，车辆正常运行时，便器3的管夹阀处于关闭状态，当乘客使用便器3时，真空发生器4工作对中转箱1进行抽真空，此时中转箱1连通口10处的膜片阀的膜片29受负压的情况，吸附在锥形阀体30上形成封闭，当真空度达到真空开关设定值时，真空发生器4停止工作，管夹阀打开，污物在负压的作用下抽入中转箱1内，管夹阀关闭，污物在重力作用下压开膜片阀的膜片29落入污物箱2内。
81.当列车发生无电无气的情况时，管夹阀在无气的情况下自动处于打开状态，此时乘客使用便器3时，污物顺着打开的管夹阀流入中转箱1内，中转箱1内的污物通过中转箱1底部锥形结构流入下方的膜片阀，在重力作用下压开膜片阀的膜片29落入污物箱2内。解决了在无气无电工况下的乘客应急使用，膜片阀的膜片29平时利用膜片成型硬度和锥形阀体形成密封，还可以有效防止污物箱2内的异味进入车厢内，在一定程度上保证车厢内环境舒适度。
82.如上所述，结合附图所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。