摘 要：針對我國目前使用的鐵路直接排放式廁所不雅觀不文明、汙染環境、浪費水等問題，設計了真空環保廁所係統。真空廁所基於真空運輸理論，利用真空泵抽取真空室、納汙罐和輸送管道內的空氣，降低其中的大氣壓力，一般在 0.03MPa～0.05MPa 範圍內，接入便器，利用界麵閥控製便器與管道通斷，將糞便吸入至納汙罐，實現了糞便汙物的抽吸。由於其衝洗水少，不易堵塞管路，整套係統密封，有效控製臭氣外漏，不易汙染環境，故其是新一代環保產品。研究了鐵路列車真空環保廁所係統工作原理和工作過程，設計了其控製電路。

我國現行的鐵路列車基本使用直接排放式廁所，排泄物是通過重力直接落到軌道上的。這樣，不僅不雅觀，而且不衛生。隨著列車的提速，廁所直接排出的汙物會產生飛濺，弄得車下到處都是糞便，也給車輛檢修作業帶來困難。為避免列車排便對軌道環境的汙染，世界各國正積極研發車載廁所，以替代傳統的直排式廁所。美國、日本和德國等國家都有各自的車載廁所產品，但這些廁所存在限製使用、成本過高、糞便回收處理困難、使用不方便等諸多問題[1~5]。相比於傳統重力式衛生間，真空環保廁所具有節水、臭氣控製好等特點，因此有良好的經濟效益和社會效益 [6] 。

1 工作流程設計

本文設計的鐵路列車真空環保廁所包括衛生間殼體、座便器、納汙罐、水箱、界麵閥、真空泵、過濾器、氣路、水路、電控係統等部分，其各部分之間的關聯和工作職能即工作流程如圖 1 所示。

由此可知，座便器裏的糞便經水衝洗後，在界麵閥的控製下，被抽吸進入納汙罐，最後被排汙泵排出。水箱中水被高壓壓出，完成衝廁，真空泵完成對納汙罐真空建立和維持，電控係統負責對各個零部件和電氣元件的控製。

① 真空泵：為係統提供負壓，廁所有人時，當係統真空度達到設定下限後，真空泵自動啟動，提高係統真空度；當真空度達到設定上限後，真空泵自動停止運行。通常選用水環真空泵。

② 納汙罐：用來儲蓄糞便和汙水。真空度較小，抽吸無力，工作時間太長，可能堵塞管道；真空度過大，會造成較大振動和噪聲。實驗得出，納汙罐真空度保持在 0.03 MPa~0.05 MPa 範圍內抽吸效果較好。

③ 真空室：儲存負壓氣源的容器，可以提高係統真空度的穩定性。

④ 排汙泵：用來將納汙罐中的汙物排出真空廁所係統，選用無堵塞排汙泵。

⑤ 氣路：又分為高壓和負壓兩大部分。高壓氣路依靠列車內高壓氣作為整個係統的耗氣動力源，通過氣管、電磁氣閥的連接，完成對水箱的衝水控製。調壓閥將列車內高壓氣源（5~7 個大氣壓）調整為 3 個大氣壓左右，利用調壓後的壓縮氣體給清水加壓，將水壓出水箱完成衝洗。負壓氣路部分主要包括利用真空泵使納汙罐和真空室內產生作為整個係統動力源的真空和對界麵閥開啟的控製。真空泵進氣口與真空室相連，真空室與納汙罐通過氣管相連接並安裝過濾器，真空室接有真空表用於測量真空度，當真空泵對真空室進行抽吸時實際上也就是對納汙罐抽真空。

⑥ 界麵閥：氣路中的一個關鍵元器件，通過氣管安裝於便器和納汙罐之間，實際上是真空納汙罐抽吸便器汙物管路中的一個開關，界麵閥工作性能的好壞，直接影響到整個係統的運行效果。界麵閥的打開是依靠負氣壓，工作的動力來源於納汙罐的負壓氣源 [6] 。

⑦ 水路：由水箱、增壓器、水管、各類接頭及電控閥件組成。水路係統主要完成旅客衝廁及洗手用水的控製，保證係統正常供水並盡量節約列車上有限的水資源。

⑧ 電控係統：由開關、控製器、電磁閥、指示燈等組成，用來控製各個部分按照設定程序運行，保證係統穩定運行。

2 係統原理

根據圖 1 流程圖設計的鐵路列車真空環保廁所的原理圖如圖 2 所示。

鐵道列車真空環保廁所係統的工作過程包括真空泵對真空室和納汙罐的抽吸過程，衝廁過程和排汙過程。

抽吸過程：真空泵是係統動力源的主要部件，旅客進入廁所後，真空泵啟動開始建立真空，開始對真空室和納汙罐抽真空，真空室接有真空表，當真空表讀數低於預設的最低極限壓力值時，通過電控係統啟動真空泵，當真空表讀數達到預設的最高極限壓力值時，電控係統控製真空

泵停止工作。衝廁過程：列車內高壓氣源（5~7 個大氣壓）通過調壓閥調整為 0.3 MPa，通過兩位四通電磁氣閥 CT1 控製給水加壓。負壓氣源經氣管連接電磁氣閥 CT2，氣閥的氣管再連接界麵閥。當旅客需要衝廁時，按下衝廁開關，經過時間繼電器的

控製，延時一段時間後，接通電磁閥 CT1，接通高壓進氣管，高壓氣體進入水箱將水壓出，水箱中的水便被壓入便器中衝廁，衝洗開始。經過時間繼電器短暫的延時，控製係統關閉電磁閥 CT1，停止衝水，接通電磁閥 CT2，依靠負氣壓抽吸開啟界麵閥，座便器與納汙罐之間管路接通，在納汙罐內負壓的作用下，糞便汙物被抽吸進納汙罐。經過時間繼電器的延時，電磁閥 CT2 失電關閉，界麵閥因內部彈簧的彈力而複位關閉，使得吸汙管路斷開，完成一次衝廁過程。

排汙過程：納汙罐裏的汙物到達一定容量後(納汙罐上安裝傳感器)到指定地點排放(要求在鐵路沿線定點建立汙物收集站)，收集的汙物經排汙泵被壓送至汙水處理廠或製肥廠，可加工成農家肥料用於農業生產。

3 控製係統設計

3.1 工作過程

真空環保廁所工作過程為：啟動真空泵，通過氣管將真空室和納汙罐抽成一定的負壓，形成真空並保持在納汙罐內，旅客衝廁時，按動衝廁開關，打開衝水係統，衝廁 3 s 後停止。然後，控製係統將打開座便器出口，界麵閥開啟後座便器即與納汙罐接通，在納汙罐內真空負壓作用下，便器內糞便汙物被抽至納汙罐內，抽吸 5 s 左右，抽吸完成後，界麵閥立刻關上，完成一次工作循環，整個衝廁過程在 8 s 左右。根據實際情況和旅客意見，真空環保廁所的使用流程圖如圖 3 所示。

該方式的特點是：旅客關門時，係統開始建立真空，納汙罐真空度達到一定數值後真空泵停止工作；旅客在使用衛生間的時間內，納汙罐的真空度將一直保持到衝廁。

3.2 控製元件

真空環保廁所電路包括直流電機、電磁氣閥、控製開關、廁內頂燈、列車總開關等等。選用的水環真空泵功率為 1.5 kW，電源為 AC380V，需要配備一台直流電機，為水環真空泵供電。控製元件主要有：

（1）列車司機駕駛台衛生間總開關 QS；

（2）真空泵直流電機及電路板；

（3）衛生間頂燈及有人無人指示燈 EL；

（4）衛生間內門閂微動開關 SM；

（5）衛生間衝廁開關 SB；

（6）電磁氣閥 CT1，CT2；

3.3 電路設計

真空環保廁所係統控製元件較少，根據電路設計方法，采用經驗設計法，借鑒典型控製線路，完成了控製係統電路設計，其電路原理如圖 4 所示。

其中，QS 為閘刀開關，KM 為直流繼電器，KA 為中間繼電器，KT 為時間繼電器。

3.4 電路原理圖說明

圖 4 中閘刀開關 QS 在列車司機駕駛台，控製衛生間的電源，合上 QS，KM1 線圈得電，觸電閉合（L1），衛生間接入電源，處於待工作狀態。建立真空：旅客使用衛生間時，關門閉合門閂開關 SM，衛生間有人指示燈和內頂燈亮，此時KM2 線圈得電，觸點 KM2 閉合（L2），接通電機電路板電源，啟動真空泵係統開始建立真空。DJB1、DJB 2 是真空電接點壓力表的兩個觸端，作用是用來實現真空泵啟停的自動控製。當納汙罐內真空壓力值達到上限時，電接點壓力表負壓高位接點 DJB1 閉合，中間繼電器 KA1 線圈得電，L6 路接通，L5 路 KA1 常閉觸點 KA1- 2 斷開，導致 KM2 線圈失電，繼而其閉合的觸點又斷開（L2），此時真空泵電機電路板斷電，真空泵停止工作。

係統連接處或者納汙罐、真空室本身可能有真空泄露，電路上設計了當真空壓力表檢測到真空室內真空壓力低於下限值時，將自動啟動真空泵進行補給。此時 DJB2 閉合，KA2 線圈得電，KA2 常閉觸點斷開（L6），KA1 線圈失電，斷開的常閉觸點 KA1- 2 再次閉合 （L5），KM2 線圈再次得電，常開觸點 KM2 閉合（L2），接通電機電路板，啟動真空泵。衝廁控製：旅客使用衛生間衝廁時，按下衝廁按鈕 SB，線路 L9 上的 KA3 線圈得電，L10 上的觸點 KA3- 1 與 L14 上的觸點 KA3- 2 同時閉合，觸點 KA3- 1 閉合形成自鎖電路，觸點 KA3- 2閉合接通線路 L14，開啟電磁氣閥 CT1，水箱中的水在高壓下被壓入座便器開始衝洗。按下衝廁按鈕 SB 的同時，時間繼電器 KT1、KT2 得電計時，KT2 設置時間 3 s，3 s 後，KT2 常閉觸點 KT2- 2斷開，切斷線路 L14，電磁氣閥 CT1 失電閉合，高壓氣體無法進入水箱，這樣就不再有水進入管道，實現了衝水的時間控製。時間繼電器 KT2 計時 3 s 後，線路 L12 上常開觸點 KT2- 1 閉合，接通該線路，電磁氣閥 CT2 得電，CT2 用來控製界麵閥，此時界麵閥在負壓的作用下打開，在真空壓力作用下，完成抽吸糞便，即實現了先衝水後抽吸的動作流程。時間繼電器 KT1 設置時間 8 s（衝水時間 3 s 和抽吸時間 5 s 的和），8 s 後線路 L9 上常閉觸點 KT1 斷開，該線路右邊 KA3、KT1、KT2 的線圈均失電複位，衝廁的控製線路恢複原狀。

4 結束語

隨著人們生活水平的提高和國家對環保的要求，真空環保廁所係統必將以其節水、衛生、便捷、安全、無臭等眾多優點逐步取代傳統的直衝式廁所。本文對鐵路列車真空環保廁所係統進行了初步設計，還有許多工作有待進一步研究。如在控製部分可增加自動衝廁；在卸汙方麵，本文采用定點排汙，可考慮采用其它方案。針對我國鐵路列車卸汙的實際應用情況，開發設計適合國情的真空卸汙係統及設備。