尼日利亞阿布賈城鐵車輛選型研究

韓維明 滕 瑤

(中國土木工程集團有限公司 北京 100038)

1 項目背景

阿布賈城鐵是西非地區開通的第一條城鐵，位于尼日利亞首都阿布賈。全線采用中國鐵路技術標準，總長77.782 km。一期工程約45 km，設計最高速度100 km/h。線路連接了阿布賈市中心、阿布賈至卡杜納鐵路(阿卡鐵路)及阿布賈機場航站樓，共設有13個車站。阿布賈城鐵二期工程將連接阿布賈主城區與周邊的衛星城，帶動整個阿布賈城市群的發展[1]。

2 車輛環境運行條件及主要技術參數

2.1 車輛環境運行條件

(1)環境條件

尼日利亞阿布賈地區屬熱帶季風氣候區。分干、濕兩季。4～10月份為雨季，雨量充沛；11月到次年的4月為旱季，天氣悶熱，干旱少雨。車輛要求的使用環境溫度:10～50℃。

(2)運行條件

軌距: 1 435 mm

最小豎曲線半徑:

一般 10 000 m

困難 3 000 m

最小平面曲線半徑

一般: 800 m

困難: 400 m

車輛段: 150 m

最大坡度

正線:最大坡度不大于25‰，困難地段30‰

車站線路: 3‰

出入段、聯絡線(空載): ≤40‰

道岔:

正線9號道岔、輔助線(車輛段)7號道岔

軌道類型

正線: 60 kg/m

車輛段: 50 kg/m

軌道最大超高: 120 mm

站臺高度: 1 230 mm

站臺有效長度: 90 m

車輛段檢查坑長度: 84 m

車輛與站臺水平間距離(站臺高度處):≤100 mm

2.2 車輛主要技術參數

(1)車體

車輛長度(車鉤連接面之間長度)

列車總長度 ≤80 m

車體寬度

車體寬度(地板面高度處) 2 800 mm

車體高度:

車輛頂面距軌頂面高度 ≤3 980 mm

軌面到地板面高度(空載、新輪)1 280 mm

(2)轉向架

最高運行速度: 100 km/h

結構速度: 110 km/h

輪對內側距(空載) 1 353±2 mm

轉向架最低點離軌面最小距離(車輪全磨耗)

≥60 mm

軸重: ≤18 t

輪重減載率 ≤0.6

脫軌系數 ≤0.8

(3)牽引動力

額定負載(AW2)，半磨耗輪情況下:

列車最大運行速度 100 km/h

列車結構速度 110 km/h

車鉤連掛速度 3～5 km/h

沖擊極限 0.75 m/s3

平均初始加速度(0～18 km/h)≥0.55 m/s2

平均加速度(0～100 km/h) ≥0.13 m/s2

列車在車輛段內能以25 km/h的速度安全通過。

3 車輛選型原則

車輛是鐵路交通的載體，車型、制式的選擇是城鐵系統整體方案確定的關鍵因素之一，影響交通系統的運輸能力；其車輛、設備限界決定著建筑限界的大小，對工程投資、運輸費用均有極大的影響力。因此車輛選型研究須綜合考慮各方面關鍵因素，并全面分析帶來的影響，選型應遵循以下原則:

(1)車輛設備應選擇技術成熟、安全可靠的制造工藝，確保在全壽命周期內正常運行、便于維修，并具有一定的先進性和經濟性，滿足尼日利亞當地特殊的運營需求。

(2)應符合尼日利亞城鐵線路設計的技術條件，如以規定的速度通過最小半徑的平面曲線區段，并盡可能減小對周圍環境的影響，符合阿布賈城市客流量和行車密度的要求。

(3)車輛采取減震、降噪措施，以減少振動和噪聲對周邊生活區的影響，與尼日利亞人文景觀相協調。

(4)車輛選型應根據尼日利亞線路建設規劃，在采用中國技術標準前提下結合UCI、EU等國際標準，研究分析選型的通用性，方便遠期及其他路網車輛資源的共享。

(5)車輛制造關鍵技術盡量均采用國內成熟先進技術，選型應立足于國產化，為保障后期運營維修及車輛推廣。

4 車輛動力分步及編組選型分析

4.1 動力分步選型分析

(1)動力集中式列車

動力集中式列車是鐵路運輸中最傳統的運行方式，是由一臺動力機車牽引數個無動力車輛，在軌道上行駛。機車牽引方式一般較多采用前端牽引方式，也有車尾逆推牽引方式，如圖1所示。除使用于客運外，常見于貨運及軍事用途[2]。

動力集中式列車優點是:可以分別對機車、車輛進行維修，維修方便，車輛動力系統遠離乘客，安全性能好[3]。

在替換動力方面較優，在機車故障以及進入不同區間(內燃、電力)情況下，可以簡單換掛車頭而無需把整列動車組更換。

裝備更新方面，機車及車輛可以分別進行更新或升級而互不影響[4]。

缺點是:車輛軸重大，同樣車輛有效長下載客量少，牽引總功率低，動力學性能及運行平穩性差，同等速度車外噪聲震動更大，環境友好性差。而且由于客車車廂無動力，必須配置額外供電電源或者采用機車供電，能源利用率低[5]，與城市軌道交通快啟快停的需求不匹配。

(2)動力分散式列車

動力分散式列車是一種動力分布在多個車廂的鐵路列車，如圖2所示。特點是動力來源分散在列車各個車廂上的發動機或電動機[6]。

圖2 動力分散式列車動力分布

動力分散式列車的優缺點是:動力裝置分布在列車不同的位置上，能夠實現較大的牽引力，可以靈活編組并可以實現重聯。較與動力集中式列車相比，具有制動效率高，調速性能好，制動減速度大，運行平穩性及旅客舒適性能好等特點[7]。另外，列車中某節動車的牽引動力發生故障對全列車的牽引指標影響較小。動力分散式列車可以保持高速更久，對市郊市域鐵路、地鐵、通勤鐵路的模式來說，用同樣的運營時間可以?？扛嗾军c。動力分散式列車的軸重比動力集中式列車的機車部分小，列車運行時輪對對路基損害較低，有利降低路基沉降維修費用[8]。

(3)牽引制式選型分析

阿布賈城鐵車輛選型報告中進行了動力集中及分散牽引方式比選，最初推薦為動力集中型城鐵列車。

動力集中型列車、動力分散型列車應用情況:兩種牽引制式列車在國內及國際均有應用，國內廠家均有出口到海外應用的業績。動力分散型列車造價略高。除造價略高外，動力分散動車組四節車輛均可載客，可以進一步提高載客量，持續滿足阿布賈增長的客流量。

動力分散動車組啟動加速度大，運行更加平穩、舒適性好，車形外觀流線型更好、更具有現代感能夠提升阿布賈的城市形象，配置兩個動力系統，列車運行的可靠性更高，便于處理緊急情況，整列車制動的一致性能好，安全性、舒適性更好。

依據牽引計算，考慮運行速度、啟動加速度、制動減速度等參數計算出來總的牽引功率，確定動力單元數量，結合尼日利亞阿布賈城鐵線路主要設計標準、客流密度、旅行速度、乘坐舒適度等綜合因素，故研究將動力集中型一動三拖動車組變更為動力分散型兩動兩拖動車組，并選用臥式柴油機，交流傳動內燃動車組，以滿足阿布賈城鐵旅客運輸需求。

4.2 車輛編組

阿布賈(Abuja)是尼日利亞首都，位于中部尼日爾河支流古拉河畔，尼日爾、卡杜納、高原和夸拉四州的交界處，位列2019年全球城市500強榜單第463名，人口約200萬。因此客流需求量較大且存在一定增長空間。車輛的編組依托于客流需求，在客流敏感性分析的基礎上，對城鐵列車編組方案進行了研究分析，提供了兩種編組方案[9]。

(1)方案一

列車編組:4節編組，兩動兩拖，兩動車的結構及功能以及兩拖車的結構及功能均相同，且能互換。

編組形式:＋Mc－T－T－Mc＋

(＋:半自動車鉤，－:半永久牽引桿)

車型:Mc車－帶動力系統和司機室的車

T車－拖車

(2)方案二

列車編組:4節編組，兩動兩拖，兩動車的結構及功能以及兩拖車的結構及功能均相同，且能互換。

編組形式:＋Tc－M－M－Tc＋

(＋:半自動車鉤，－:半永久牽引桿)

車型:M車－帶動力系統的車

Tc車－帶司機室的車

結合內燃動車組室內座椅布置、載客量、站立密度等因素，并考慮將軸重大的車作為頭車，最終選用方案一。

5 車輛動力包的選型分析

內燃機車以內燃機作為原動力，通過傳動裝置驅動車輪。在內燃動車上，柴油機和動輪不能直接相連，傳動裝置是必不可少的一部分。內燃機車的傳力傳動裝置的形式有:機械傳動、電力傳動和液力傳動。傳動裝置起到直接相連不能解決的啟動、速度擴展、特性變換的作用。一般液力傳動主要用于小型內燃機車、窄軌內燃機車。機械傳動內燃機車僅適用于工礦專用的小功率內燃機車上。因此干線內燃機車其傳動裝置一般為電力傳動和液力傳動。下面將從重量、牽引性能、載客量及成本等方面對內－電、內－液兩種傳動選型進行分析[10]。

在AW3工況下，啟動加速度和平均加速度對比如表1所示。

表1 內液、內電牽引性能對比

動力包功率一樣大的條件下，車輛不同荷載情況載客量對比如表2所示。

表2 不同荷載情況下載客量對比

5.1 內－液傳動特點

(1)結構簡單:主要采用機械傳動方式，無過多的電力傳動元器件，結構形式相對簡單。

(2)成本較低:無超級電容、逆變器、牽引電機等設備，價格相對較低。

(3)重量輕:由于結構簡單，無超級電容、逆變器、牽引電機等設備，相比內電傳動輕約20%。

(4)難實現高功率:受制于液壓機械傳動的特點及車輛設備布置的限制，內液傳動很難實現大功率傳輸。

5.2 內－電傳動特點

(1)結構復雜:相比內－液傳動，增加了超級電容、逆變器、牽引電機等電氣傳動設備，整套牽引系統相對比較復雜。

(2)成本較高:因增加了上述設備，成本相對較高。

(3)重量大:因增加了上述設備重量也較重。

(4)容易實現高功率:采用超級電容作為儲能元器件，采用牽引電機作為能量輸出，列車可以根據運行需要對超級電容和牽引電機進行選型，更容易實現高功率。

(5)控制精確:內電可以實現電氣的無級控制，列車運行更精準。

綜合考慮到性能、控制等方面的因素，研究在尼日利亞阿布賈城鐵內燃動車組項目上采用內燃－電力傳動的動車組。

6 車體材料選型分析

車體是車輛結構的主體，又是安裝其他設備和部件的基礎。車體的強度、剛度等關系到車輛運行的安全性、輕量性、舒適性、經濟性、適用性。車體的防腐耐腐能力、表面保護、裝飾方法，關系到車輛的美觀、周期壽命等。所有這些都直接影響到運營質量和經濟效益。目前在我國國鐵、地鐵車輛車體結構使用的材料主要為車不銹鋼和鋁合金，而碳鋼車體由于其耐熱性高焊接性能好，原材料價格低，在一些熱帶、亞熱帶發展中國家和地區受到歡迎。

6.1 車體材料的重量對比

據了解目前國內外地鐵車輛碳鋼車體結構自重約9～10 t，不銹鋼車體自重約6～7 t，鋁合金車體自重約4～5 t。

6.2 車體材料的制造工藝對比

碳鋼車體各部件之間采用對接、搭接的焊接方式連接。制造工藝簡單，其焊接性能良好。不銹鋼車體采用板梁組合整體承載全焊結構，為了保持板材強度和減小變形，通常采用點焊的方式，不允許采用弧焊焊接強度高的材料，不銹鋼車體采用接觸焊。鋁合金車體普遍采用大型桁架式中空型材組焊式，車輛制造廠只需下料、拼裝、氬弧焊接，工藝簡單、效率高時間比較短[11]。

6.3 車體材料的外觀質量對比

不銹鋼車體在制造過程中雖然不需要防腐保護及涂漆，但為了提高裝飾美觀度，板材自帶點狀或線條裝飾。因為外墻板既薄又光，對不平度反應敏感性高，只要有輕微凹凸，經反光折射，肉眼就能察覺。相比之下，鋁合金、碳鋼車體型材表面平整、挺拔，但耐腐蝕性能較差，可結合尼日利亞人文風俗選擇不同的顏色和裝飾，因此更加美觀，接受度較高。

6.4 車體材料防劃傷磕碰性能對比

碳鋼和鋁合金材料與不銹鋼相比在此方面性能占優，且可以修復。不銹鋼由于是拉絲、薄板，容易劃傷，若出現異向劃痕則造成損傷更大，在出現日常劃痕和事故磕碰情況下難以消除。

6.5 車體材料維修成本分析

不銹鋼車體的維修成本較其他兩種材料比最低，鋁合金車體的維修成本居中，碳鋼車體的維修成本最高。

通過以上綜合對比分析，結合技術發展以及節能減排及維修成本因素，并考慮尼日利亞熱帶草原氣候高溫多雨，以及撒哈拉沙漠影響下經常性的沙霧，研究對尼日利亞阿布賈城鐵內燃動車組車體材料優先推薦使用鋁合金材料[12]。

7 結束語

通過對車輛的牽引模式、列車編組、車輛動力包、車體、轉向架、制動系統、車輛內部結構、空調系統、電氣系統、車門車窗等的合理選型，阿布賈城鐵列車運營至今，性能優異、質量穩定，較好地滿足了運營需求，受到了尼日利亞政府及人民的高度認可。