下一代地鐵列車創新設計

劉 玉 文，丁 叁 叁，尤 維 秀

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中車四方車輛有限公司，山東 青島 266111)

下一代地鐵列車(圖1)聚焦研究系統集成技術，突破了高適應性走行系統、高強度輕量化承載結構與輕質量高強度復合材料相結合的高性能車體、雙源制供電的新型傳動系統、全能量反饋動力制動和新型復合材料高效能基礎制動、全息化狀態監測和在途預警主動運維支持、輕量化高能效輔助供電等關鍵技術。

圖1 下一代地鐵列車外形圖

1 下一代地鐵列車技術路線及技術指標

1.1 技術路線

下一代地鐵列車采取“設計—仿真分析—臺架試驗—線路試驗”循環迭代、反復驗證、系統優化的科學研發流程，循序漸進，全面創新。

本文基于設計研發工作中形成的譜系化和模塊化設計平臺，對下一代地鐵列車的性能需求進行技術分析，對地鐵列車的頂層技術指標進行分解，對地鐵運營維護重點關注的關鍵指標進行量化。

1.2 技術指標

1.2.1 列車級指標

(1) 車輛最高設計速度為 140 km/h。以 GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術條件》 規定的標準A型車為基準，列車降噪不小于 5 dB，減重不小于 13%，節能不小于 20%。

(2) 車輛防火性能滿足 EN 45545-2：2013《鐵路應用 鐵路車輛的防火》 和 CJ/T 416—2012《城市軌道交通車輛防火要求》 標準的要求。

(3) 車輛碰撞耐受性滿足 EN 15227：2008《鐵路應用 鐵路車輛車體防撞性要求》 C-Ⅱ等級的要求。

1.2.2 系統級指標

(1) 完成柔性徑向直驅轉向架研制，轉向架最高設計速度140 km/h，適應80 km/h、100 km/h、120 km/h速度等級運行，適應最大軸重16 t。

(2) 完成輕量化車體研制，車體強度滿足EN 12663-1:2010《鐵路應用 鐵路車輛車體結構要求》P-Ⅲ等級的要求。

(3) 研制基于永磁直驅同步電動機的雙源制牽引系統，適用于直流電網和車載儲能裝置等多種供電模式，與傳統交流異步電動機牽引系統相比，額定工況下永磁電動機工作效率達94%，噪聲(A計權聲級)降低5 dB。

(4) 形成基于多網融合技術的列車網絡平臺，列車級、車輛級控制網絡數據傳輸帶寬分別為100 Mb/s、1 Gb/s，實現大數據技術在軌道車輛平臺的應用。

(5) 研制高冗余度輔助供電系統，具備并網供電功能，冗余性強，系統單路故障時整車輔助用電設備仍可滿額運行；額定工況下逆變器工作效率達92%，與同等級的高冗余度輔助電源相比，容量密度由100 VA/kg提高至150 VA/kg。

(6) 研制列車安全狀態實時故障診斷設備。

(7) 研制一套基于歷史故障鏈的專家系統和智能維保設備。

2 下一代地鐵列車技術創新

下一代地鐵列車的創新設計主要體現在列車靈活編組、牽引及供電裝置、制動系統、自適應輕量化轉向架、輕量化氣密車體、快速網絡、全息化狀態監測和在途預警主動運維、空調系統、氣動設計、噪聲管理及減阻節能等方面。

2.1 列車靈活編組

下一代地鐵列車采用動力、制動及控制單元式配置，自適應控制網絡，快速編解車端連接系統及在線編解技術，編組數量為2～12輛，編解時間小于5 min。

列車端部2輛動車為1個基本單元，2個基本單元組成4輛編組列車，中間可隨意增加動拖車或多單元重聯運行，實現靈活編組。牽引、制動及各系統均按此原則布置，網絡控制系統自動識別。下一代地鐵列車編組見圖2。

圖2 下一代地鐵列車編組圖

2.2 牽引及供電裝置

采用單臂弓受流、架空DC 1 500 V及儲能裝置DC 750 V雙源制供電，混合SIC軸控牽引變流器，永磁同步電機驅動，2動1拖為一個動力單元，減重約15%，傳動效率提高5%，啟動加速度1.0 m/s2。可實現無電網運行，自動力回送 ，跨線運行，為互聯互通奠定了基礎。

2.2.1 輔助供電

輔助供電的基本單元為2臺輔助逆變器(SIV)+1臺蓄電池，高頻并網供電。采用大功率高頻變壓器，應用諧振軟開關技術、錯相控制技術，同時采用全SIC變流裝置、鈦酸鋰電池及CFRP機箱，使輔助供電系統具有輕量化、噪聲低、冗余性高的特點。

2.2.2 氫能源輔助供電

氫燃料電池供電系統主要包括燃料電池發電系統、氫氣供給系統和空氣供給系統，具有清潔、環保、噪聲低、容量密度高、可持續供電的優勢，既可用于空調系統供電，也可為列車啟動階段峰值功率補充及車載儲能單元充電。

2.3 制動系統

下一代地鐵列車采用微機控制直通式電空制動及單元級分布式EBCU，可適應靈活編組。常用制動采用速度-黏著的減速度控制，緊急制動采用恒減速度控制，具有空重車調整功能，防滑軸控。基礎制動采用大容量鋁基/碳陶復合材料制動盤。風源系統采用環保的無油空壓機。常用制動為電空復合制動，電制動優先，電制動可發揮到零速，實現全能量反饋動力制動。緊急制動為純空氣制動。

為簡化系統，提高響應速度和精度，同步研制電機械基礎制動系統，以取代電空制動系統，響應時間≤0.5 s，制動控制精度誤差≤5%，并可取消制動配管。

2.4 自適應輕量化轉向架

下一代地鐵列車融合碳纖維構架及各種輕量化高性能部件、主動控制徑向裝置、全主動橫向減振系統、轉向架感知與診斷系統等關鍵技術，研制了主動徑向轉向架、碳纖維轉向架及永磁直驅轉向架，3種轉向架接口相同，可根據需要互換裝車。輕量化高性能部件可有效提升轉向架及整車的動態性能，質量輕，輪軌力小，磨耗輕，噪聲低，線路適應性強，動力學性能優越。轉向架最高運行速度140 km/h，最大軸重16 t，最小通過曲線半徑R80 m。

2.4.1 主動徑向轉向架

主動徑向轉向架為2軸二系無搖枕轉向架。采用U形梁H型全鋼焊接構架，一系轉臂+主動徑向定位，兼容傳統轉臂定位結構；二系采用空氣彈簧、全主動橫向減振器、抗側滾扭桿、四點式高度閥和差壓閥高度調整裝置；采用橡膠堆式中央牽引裝置。基礎制動采用輪盤制動，每軸設停放制動。動車轉向架電動機剛性架懸，平行軸式一級齒輪傳動。該轉向架主要特點為質量輕，線路適應性強，輪軌作用力小，磨耗低，動力學性能優越。

2.4.2 永磁直驅轉向架

永磁直驅轉向架為2軸二系無搖枕轉向架。采用雙T型彈性鉸接式柔性構架，轉臂定位結構，可兼容一系轉臂+主動徑向定位；二系采用空氣彈簧、全主動橫向減振器、抗側滾扭桿、四點式高度閥和差壓閥高度調整裝置；采用橡膠堆式中央牽引裝置。基礎制動采用輪盤制動，每軸設停放制動。采用架懸式永磁同步電動機直接驅動結構。該轉向架主要特點為轉向架簧下質量小，運行噪聲低，輪軌作用力小，磨耗低，線路適應性強，動力學性能優越。

2.4.3 碳纖維轉向架

碳纖維轉向架為2軸二系懸掛無搖枕拖車轉向架。采用碳纖維復合材料構架，碳纖維附加氣室，一系雙彈簧彈性拉板式定位結構；二系采用空氣彈簧、全主動橫向減振器、抗側滾扭桿、四點式高度閥和差壓閥高度調整裝置；采用橡膠堆式中央牽引裝置。基礎制動采用輪盤制動，制動盤為碳陶制動盤，每軸設停放制動。轉向架主要特點為質量輕，安全系數高，結構簡潔，線路適應性強，輪軌作用力小，構架耐腐蝕性好，全壽命費用低。

2.5 輕量化氣密車體

下一代地鐵列車突破復合材料輕量化設計，大部件采用激光焊、不銹鋼厚板激光-MIG復合焊、不銹鋼和鋁合金防電化學腐蝕等關鍵技術，研制了氣密性好、高強度、高剛度、輕量化的碳纖維增強復合材料(CFRP)及鋼鋁復合車體。系統掌握了材料、鋪層及結構的設計、成型、檢驗及試驗驗證技術，完成了列車主結構向CFRP遷移的技術準備。

采用CFRP結構的車體可以使單車減重35%，強度滿足EN 12663-1:2010標準要求。

防撞吸能結構滿足減重30%，撞擊性能滿足 EN 15227:2008標準要求。

鋼-鋁復合車體滿足減重10%，強度滿足EN 12663-1:2010標準要求。

2.6 快速網絡

基于控制以太網和控制技術的發展，構建新型列車控制網絡，由列車ETB骨干網+車輛ECN環網組成，列車級、車輛級傳輸帶寬分別達到100 Mb/s、1 Gb/s。列車控制網絡整合TCMS、PIS、CCTV和信號等系統，感知服務網整合智能運維與娛樂系統。列車控制網絡與感知服務網絡物理隔離，實現多網融合，降低了復雜度，提高了控制一致性，保障了網絡數據實時性和安全性，為智能運維提供了高帶寬的數據傳輸。

2.7 全息化狀態監測和在途預警主動運維

通過研發列車安全狀態及運行環境的智能監測與預警系統，對關鍵部件進行狀態監測和健康預警， 實現了智能運維模式，從而降低了車輛全壽命周期成本，滿足車輛高可用性的要求。

2.8 空調系統

下一代地鐵列車采用基于體感的PMV控制、被動壓力保護、CFRP機體、低噪風機、橢圓管換熱器及靜電除塵器等技術，研制了大功率冷暖變頻空調。空調機組制冷量為44 kW，制熱量為18 kW，減重30%，降噪(A計權聲級)為4 dB，隔聲量(A計權聲級)為45 dB，能耗降低25%，壓力波動低于1 250 Pa/3 s。

為實現綠色環保，研制了新型儲能空調，通過利用復合材料液-固相變儲能原理，儲存并利用空調多余冷量，使能耗降低20%。儲能空調系統主要技術參數見表1。

表1 儲能空調系統主要技術參數

2.9 氣動設計

下一代地鐵列車的氣動外形和表面采取平順化處理，重點解決21 m2小隧道內140 km/h運行時的阻力、噪聲、交會壓力波及微氣壓波等關鍵問題。與標準A型車相比，阻力系數降低31%～35%，橫風側向力降低約1%，隧道通過壓力波降低約3%～5%。

2.10 噪聲管理

設計過程中，通過研究噪聲聲源、頻譜特性及傳播機理，采用分頻段控制和等聲壓級設計策略。同時，隔聲降噪理念從關注隔聲材料進化到材料與結構并重，注重整體效果，關注結構完整性，避免局部漏聲。通過采用密封車體、類真空及納米阻力隔聲材料、降噪車輪、氣動設計技術，實現了更高等級的噪聲管理。與標準A型車相比，列車降噪不小于 5 dB。

2.11 減阻節能

通過氣動和輕量化設計，減少了運行阻力；通過系統優化牽引制動及空調、照明系統，提高了效率；通過車載系統能量管理，優化啟動運行順序與狀態等方式，系統提升了列車綜合效能，節能20%以上。具體體現在以下方面：

(1) 通過流線型列車頭形及設備艙設計，降低了氣動阻力，較傳統地鐵車輛阻力降低30%以上；

(2) 通過制定部件散熱能耗管理策略以及雙源制能量管理策略，降低了損耗；

(3) 通過輕量化設計，降低額定載客運行阻力6%以上；

(4) 通過系統提升牽引、輔助系統各環節的效率，降低了能耗,綜合效率提升15%以上。

3 結束語

下一代地鐵列車初步解決了時代和經濟發展對城軌列車安全、高速、高效、智能、綠色的一系列高要求，針對運能缺口、速度瓶頸、適應能力、節能環保、舒適方便、智能化等方面找到了系統的解決方案,成功實現了車輛代際指標,從自動駕駛、智能運維、智慧服務等方面全面實現了智能化。