城市軌道交通車輛選型相關技術因素分析

劉玉文 尤維秀

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司,266111，青島; 2.中車四方車輛有限公司,266111,青島∥第一作者，教授級高級工程師)

城市軌道交通車輛選型相關技術因素分析

劉玉文1尤維秀2

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司,266111，青島; 2.中車四方車輛有限公司,266111,青島∥第一作者，教授級高級工程師)

分析了目前國內運行的各型式軌道交通車輛的技術規格。說明了如何根據客流量對車輛型式進行初步選擇,并分析了線路狀況、投資能力、互聯互通要求及全壽命費用對車輛型式選擇的影響。詳細討論了車輛的車體材料、電氣牽引及輔助供電系統、車輛制動系統、車門及空調系統等主要系統的選擇。

城市軌道交通; 車輛選型; 技術因素

城市軌道交通車輛的選型,不僅關乎先期投入和后期運營維護成本,也關乎乘客的乘坐安全性、舒適度和總體滿意度,因而需要進行全方位論證。

目前，國內運行的軌道交通車輛主要為A型車、B型車、Lb型車、Lc型車,以及其他類型的車輛。各型式城市軌道交通車輛的主要技術規格見表1。

表1 各型式城市軌道交通車輛技術規格

1 與車輛選型式有關的技術因素

1.1 客流量與車輛型式的關系

客流量是車輛選型的基礎。在完成客流量后預測,可根據表2對車輛型式做出初步選擇。

初步選擇車輛型式后,首先，根據列車運行間隔時間可計算線路單向高峰小時斷面通過列車數n;然后，即可得到1列列車的最大載員P1=單向高峰小時客流量/n;最后，根據預算的列車編組數n1,即可得到每節車輛的最大載員P2=P1/n1。

表2 車型選擇與高峰客流量[2]

根據上述計算,結合標準規定的各車型單輛車載員和可選擇的列車編組數(見表3),最終確定車輛型號和列車編組。

表3 各車型單車載員和可供選擇的列車編組

1.2 線路狀況與車輛型式的關系

線路狀況中影響車輛型式選擇的主要因素是坡度和最小半徑曲線。根據相關范圍各車型的適應情況見表4。

1.3 當地經濟和投資能力對車輛型式的影響

車輛型式可根據當地經濟能力,情況作不同的選擇。經濟條件好的城市,可選擇較高檔次的車輛,也可通過增加座椅數量,或增加人均站立面積來增加乘客舒適性;即使選擇同檔次車型,也可以通過提高內裝材質,或升級旅行信息娛樂設施等手段來提升服務質量。

1.4 互聯互通要求

如果待建線路與既有線路或干線鐵路有互聯互通要求,則待建線路所選車輛應按不同需求調整。

表4 各車型可通過的最小半徑曲線和坡度

如果待建線路與既有線路或干線鐵路有共用站臺,則待建線路選擇車輛時還要考慮運輸能力的匹配。

如待建線路與既有線路或干線鐵路共用部分線路,則待建線路選擇車輛時,不僅要考慮車輛運輸能力的匹配,還要考慮車輛車型的匹配(包括限界、供電電壓與供電方式、站臺高度等)的一致性。

1.5 全壽命費用對車輛型式選擇的影響

目前,國內城市軌道交通車輛以A型車和B型車為主,Lb型車也有較大份額。選擇市場占有率高的車型,不會改變線路要求的車輛載員及列車最大運行速度等參數。但由于這些車型經過多輪次設計、制造和長期運行,產品投入運營后,配件和售后服務可以得到更好保障,可確保配件采購周期,降低車輛維護運營成本。

2 車輛主要系統選擇

2.1 車體材料

目前,城市軌道交通車輛常用的車體材料有不銹鋼、鋁合金和碳鋼3大類。碳鋼車體存在強度低、重量大、能耗高、腐蝕重、維修量大、使用壽命短等不足,已逐漸被不銹鋼和鋁合金材料取代。城市軌道交通車輛運行速度較低,氣密性對乘客的影響可忽略不計。不銹鋼車體和鋁合金車體的性能比較見表5。

由表5可見,不銹鋼車體不僅具有更高的安全性和耐腐蝕性,而且在后期維護保養過程中,其養護更簡單、成本更低,對運營商的其他投入要求也更低。因此建議采用不銹鋼車體。

2.2 電氣牽引及輔助供電系統

2.2.1 列車供電型式

全球范圍內,城市軌道交通的供電電壓有DC 600 V、DC 750 V、DC 825 V、DC 1 500 V和DC 3 000 V等多個等級。按我國國家標準,城市軌道交通車輛采用DC 1 500 V和DC 750 V兩種電壓制式。其中，DC 1 500 V電壓多采用架空接觸網供電方式,DC 750 V電壓多采用第三軌供電方式。

DC 1 500 V弓網供電系統在同樣功率下,供電距離可達DC 750 V的1.3倍以上,可減少變電所數量,降低固定設備投入;其輸送同樣功率的電能時,所需供電電流也僅為DC 750 V供電方的一半,線路耗電較少,運營成本較低;又因DC 1 500 V供電系統的電氣設備體積小,故所需安裝空間更小,便于設備布置和散熱,可提高設備可靠性,提高車輛使用壽命。另外,當列車速度>100 km/h,特別是>120 km/h時,不宜采用DC 750 V供電。

DC 750 V第三軌供電系統在列車運行中不受風速影響;車輛VVVF(變壓變頻調速)逆變器功率元件成本更低,接觸軌材料為鋼材,且無需上部受流空間,可降低隧道的結構高度,由此降低維護、材料費用,降低工程造價,降低運營商的先期投入。

表5 不銹鋼和鋁合金車體對比

除此以外,弓網受電系統較受流器系統斷電區更小,可減少列車上母線的配置,高壓過橋線的配置,也避免了斷電區過長、高壓設備承受瞬間斷電、上電對高壓設備的影響,進而延長了這些設備的使用壽命,從而延長車輛的使用壽命。綜上所述,建議采用DC 1 500 V弓網受電系統。

2.2.2 列車動力配置

城市軌道交通車輛中,動車在編組中所占比例(動車比率)影響列車的技術速度、旅行速度等性能,對列車牽引性能、制動性能、輪軌間粘著系數的利用等均有不同的影響,從而進一步影響列車的起動加速度、平均加速度及最大電制動減速度等。目前,我國城市軌道交通車輛的主流動車比率是2:1和1:1。

如果動車比率2:1的列車有一個牽引動力單元發生故障,仍剩余1:1的動力比率,其起動加速度仍可維持列車正常運營;而動車比率為1:1的列車,一且1個牽引動力單元發生故障，則僅剩余33%的動力,故列車一般會在清客后退出運營。

動車比率為2:1的列車,可選用較小功率的電機,而整列車的總軸功率與1:1的動車比率相近。這樣將提高黏著重量的使用率,提高黏著力,進而提高加速度和列車旅行速度,提高線路運力。

較高的動車比率,有利于產生較大的電制動力,減少空氣制動的使用,降低閘瓦磨耗,降低車輛運營成本。

動車比率為2:1的列車會因為高壓電氣箱、牽引變流器、牽引電機及齒輪箱和制動電阻等動車專用配置而導致初期購置成本的增加,但動車和拖車的后期維護成本相差無幾。

所以,在預算充足的情況下,建議選擇動車比率較大的動力配置。

2.2.3 輔助系統供電方式

目前,車輛輔助系統供電方式主要有交叉供電、擴展供電及并網供電3種。

交叉供電采用2個(或多個)大容量的輔助逆變器為列車供電,每輛車的負載由2個逆變器共同提供電源。車輛采用該供電方式時,需布置2套供電電纜,因而車端過橋線較多,提高了整車成本,其車輛故障率較高。

擴展供電采用2個(或多個)大容量的輔助逆變器為列車供電。當1臺逆變器故障時,可通過擴展供電方式對另1單元提供電源。此工況下,空調系統需減載運行。

并網供電是采用多個中等容量的輔助逆變器,通過并網方式對整列車進行供電。即使單個逆變器發生故障,其余逆變器的容量也足夠滿足整列列車的負載,因而列車不必停運。

鑒于此,項目執行中,建議采用并網供電,以適當降低車輛制造成本,降低車輛故障率。當1個輔助逆變器發生故障時,列車輔助電源系統不會受影響,輔助逆變器本身也不會受到負載變化的沖擊。

2.3 車輛制動系統

2.3.1 制動型式

目前,國內地鐵車輛普遍采用電制動。常用電制動有電阻制動和再生制動2種方式。

電阻制動具有吸收電能比較穩定,成本低、簡單可靠的優點其應用更為廣泛。但制動能量消耗在電阻上,無法加以利用,且產生大量熱量,給環境造成一定影響。

再生制動的優勢是利于能量的回收、利用,但需要在車上或變電所安裝儲能設備。且由于儲能設備體積較大,而軌道車輛空間有限,所以儲能設備一般安裝于地面。儲能制動是車輛制動的發展方向。

2.3.2 基礎制動型式

如果能確保電制動性能良好,則大比例的制動能量可由性能良好的電制動承擔,而基礎制動可采用踏面制動方式。但現實項目中,經常發生電制動未發揮正常功能,從而出現制動力不足的情況。這種情況會使基礎制動承擔大比例的制動能量,從而導致車輪發生踏面異常磨耗。

由此建議基礎制動采用輪盤或軸盤制動系統。與踏面制動系統相比,輪盤或軸盤制動系統可減少制動熱量對車輪的影響,從而延長車輪的生命周期,降低車輪的鏇修工作量,降低車輛的運營維護成本。

2.4 車門

目前,城市軌道交通車輛使用的客室側門主要有塞拉門、內移門、外掛門,外掛密閉門4種,由于我國城市軌道交通車輛客流量的特殊性,具體車輛選型時,要根據車輛載客量、運營線路、車輛運行速度、密封性、車內噪聲要求等具體特點,選擇合適的種類。

2.4.1 車門類型選擇

在車輛對密封性、車內噪聲要求較高,或要求客室側門與車輛外表面平齊的情況下,在車輛軸重符合合同要求的基礎上,推存選擇塞拉門。目前,塞拉門的密封性是最好的。

在車輛對密封性和車內噪聲要求不高的情況下,應側重考慮內藏門。內藏門具有重量輕、結構簡單、維護保養方便、占用客室內空間少的優勢,在車輛載客量較大的線路上可更好地保障車輛安全運行。

在車輛對隔熱性能要求較高、車輛載客量及客室空間要求較大的情況下,應側重考慮外掛門。外掛門的傳動機構和電氣部分安裝在車內,承載導向機構、兩扇門頁安裝在車輛外部。這一特點解決了座椅安裝與車門運動相干涉、乘客太多關不上門等問題,且有利于提高門口側墻的隔熱性能。

外掛密閉門具有外掛門的所有優點,而且在關閉的最后階段有微量的塞緊運動,故車門與門框間有更好的密封性。

2.4.2 車門凈開度計算

車輛載工況下的乘客數量和列車停站時間,決定了客室側門數量及車門凈開度尺寸。即

式中：

S——每個人的占地面積;

n——流動的人數(上下車總人數);

e——車門開度;

t——停站時間;

Q——表示流量,即單位時間內通過的客流所占面積;

v——人的步行速度,一般為1.03～1.28 m/ s,取1.2 m/s。

計算所得的車門開度需要按EN 14752進行修正。如果計算結果小于標準要求,則按標準最小要求設置;如果計算結果大于標準要求,則執行計算結果。

2.5 空調

空調機組按結構形式可分為車頂單元式和分體式兩大類。

車頂單元式空調具有結構緊湊,接口簡單,安裝方便,質量、體積小,整體性強,可靠性高等優點。其缺點主要是由于冷凝器散熱位置接近新風口,故在車輛靜止狀態下,易造成冷凝風短路,增大新風熱負荷;而且，因機組位于車頂,故檢修維護作業時維修人員登頂作業,或需使用起吊裝置卸下機組。

分體式空調分為車上(蒸發器)和車下(冷凝器)2部分。這不僅有利于車輛均衡配重,而且檢修更換時也無需特殊場地,設備日常維護和故障處理更方便。同時，分體式空調在制冷工況不會造成額外的熱負荷,阻塞工況時新風口也不會產生熱量淤積。這提升了系統應對極端工況的能力。

分體式空調貫穿車內的冷媒管路結構復雜。若對低溫管路隔熱處理不當,易產生冷凝結露。而冷媒管路又因多采用焊接方式連接,故對施工質量要求較高,且故障點較多；在交變載荷作用下,易發生斷裂及滲漏情況。額外增加的殼體和框架等也增加了系統總重量。此外,由于冷凝系統位于車下,環境相對較差,因而濾網更換周期短,維護成本高。

綜上所述,推薦采用車頂單元式空調。

3 結語

具體項目的車輛選型,一方面可采用正向的確定方式,即根據上述計算和建議,逐步確定車輛型式;另一種方面還可采用逆向方式,即先根據城市經濟實力和工程預算,預定某種型式的車輛,然后再根據上述數據和分析,逐項驗證,最終選出適合本地情況和項目要求的車輛。

[1] 中華人民共和國建設部.地鐵車輛通用技術條件:GB/T 7928—2003 [S].北京:中國標準出版社，2003.

[2] 中華人民共和國建設部.城市公共交通分類標準:CJJ/T 114—2007[S].北京:中國建筑工業出版社，2007.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市軌道交通直線電機車輛通用技術條件:CJ/T 310—2009[S].北京:中國標準出版社，2009.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.低地板有軌電車車輛通用技術條件:CJ/T417—2012[S].北京:中國標準出版社，2012.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.跨座式單軌交通車輛通用技術條件:CJ/T287—2008[S].北京:中國標準出版社，2008.

Analysis of the Related Technical Factors in Urban Rail Transit Vehicle Type Selection

LIU Yuwen, YOU Weixiu

The key technical parameters of different urban rail transit(URT) rolling stocks are analyzed, the preliminary selection of URT rolling stocks is explained based on an analysis of the line conditions, investment capability, requirements of interworking and interconnection, life circle cost. The carbody materials, electric traction, auxiliary power supply, braking system, vehicle door and air-condition system are discussed in detail for the selection of URT vehicles.

urban rail transit; vehicle type selection; technical

CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.,266111，Qingdao,China

U 270.9; U 293.13

10.16037/j.1007-869x.2017.03.032

2016-04-12)