三編組地鐵車輛的總體設(shè)計(jì)方案探討

高武 莊文鋒 劉亞寧

摘要：目前國內(nèi)地鐵車輛對三編組車輛的研究及應(yīng)用較少。三編組車輛總體設(shè)計(jì)難度大，部分專業(yè)設(shè)計(jì)需要統(tǒng)籌考慮總體的可實(shí)現(xiàn)性能。本文從總體尺寸，動力配置及故障運(yùn)行、車門及座椅布置、防滑控制、重聯(lián)及改造四個關(guān)鍵方面分析三編組車輛的總體設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合既有項(xiàng)目案例，給出推薦的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：三編組;動力配置;車門及座椅;防滑控制;重聯(lián);改造

1?概述

采用三編組快速地鐵車輛可以通過單獨(dú)運(yùn)行或重聯(lián)運(yùn)行，滿足客流潮汐性明顯的線路，實(shí)現(xiàn)高峰期“大編組，高密度”、一般時段“短編組，高密度”、低谷區(qū)“短編組、低密度”的運(yùn)營方式，平衡了運(yùn)力及服務(wù)水平之間的矛盾。

對于三編組車輛，國內(nèi)應(yīng)用案例較少，其總體尺寸，動力配置及故障運(yùn)行、車門及座椅布置、防滑控制、重聯(lián)運(yùn)行及車輛改造等方面均具有特殊性，本文通過三編組車輛進(jìn)行分析，并結(jié)合廣州3號線[1]、上海16號線[2]以及寧高城際[3]的實(shí)際應(yīng)用案例，分析三編組車輛相關(guān)的設(shè)計(jì)方案。

2?車輛總體設(shè)計(jì)

2.1車輛總體尺寸分析說明

三編組車輛設(shè)置兩個帶司機(jī)室頭車和一個不帶司機(jī)室的中間車。常規(guī)六編組車輛的總體尺寸設(shè)置如下：

當(dāng)三編組車輛按此方案進(jìn)行車輛設(shè)計(jì)時，車輛編組圖如下：

對于常規(guī)車輛而言，如此設(shè)置并無問題。但是對于三編組車輛，由于考慮后期客流量的增加，需要新采購6編組的車輛，并且既有車輛需要采用重聯(lián)方式進(jìn)行運(yùn)營，3+3重聯(lián)車輛與新采購的六編組車輛的總體尺寸就存在不一致的問題。

以A型車為例，新采購6編組的車輛，共有2個頭車和4個中間車，車輛全長為140m，對于3+3重聯(lián)車輛，共有4個頭車和2個中間車，車輛全長為143.2m。主要差異就在第三節(jié)車和第四節(jié)車之間的距離。對于新采購6編組的車輛，第三節(jié)車與第四節(jié)車相鄰轉(zhuǎn)向架的距離為7100mm，而對于3+3重聯(lián)車輛，第三節(jié)車與第四節(jié)車的距離為10300mm（=5150*2），兩者差值為3200mm。此問題會導(dǎo)致站臺屏蔽門與車輛車門設(shè)置不匹配的問題。對此，解決辦法如下：

方案一：對于三編組車輛，采用等長的方式設(shè)置，所有車輛長度均設(shè)置為22800mm，則車輛全長為68.8m，3+3重聯(lián)車輛全長為136.8m;而新采購的6編組車輛，也均采用等長的方式，所有車輛也設(shè)置為22800mm，則車輛全長為136.8m。兩者長度、轉(zhuǎn)向架相對位置、車門相對位置均保持一致。

方案二：對于三編組車輛，采用常規(guī)地鐵車輛的設(shè)置方式，頭車長度設(shè)置為24400mm，中間車車輛長度設(shè)置為22800mm，則列車長度為71.6m，3+3重聯(lián)車輛全長為143.2m;;而新采購的6編組車輛，其第三節(jié)車和第四節(jié)車的長度設(shè)置為24400mm，與頭車設(shè)置方式保持一致，則車輛全長為143.2m。兩者長度、轉(zhuǎn)向架相對位置、車門相對位置均保持一致。

方案三：若后期不考慮采用3+3重聯(lián)的運(yùn)營方式，則需要將三編組改造為六編組車輛，通過改造既有車輛，與新采購的車輛總體尺寸保持一致。

目前，廣州3號線設(shè)計(jì)時采用的就是方案1，所有車輛長度設(shè)置為等長，為解決頭車尺寸較小問題，其車端距設(shè)置為920mm，比常規(guī)的B型地鐵車端距更大。上海16號線在增購六編組新車是，在方案2和方案3之間進(jìn)行了討論，最終決定采用方案2，第三節(jié)車和第四節(jié)車采用單端加長1600mm的方式實(shí)現(xiàn)列車長度、轉(zhuǎn)向架相對位置、車門相對位置的一致性。

2.2動力配置及故障運(yùn)行能力

對于常規(guī)地鐵車輛，車輛的動力配置有動車和拖車兩種，部分車輛還可能設(shè)置半動車，牽引控制方式有車控和架控兩種方式;動車的牽引控制方式考慮采用車控方式或架控方式，即一套牽引逆變器控制一節(jié)車或一個轉(zhuǎn)向架;對于半動車，牽引控制方式只能采用架控方式，即即一套牽引逆變器控制一個轉(zhuǎn)向架。因此，針對三編組車輛，其根據(jù)動力配置和牽引控制方式分為以下幾種方案，不同方案間存在差異，具體對比如下：

對于推薦的方案2和方案4，目前均有成熟的應(yīng)用案例，如廣州3號線采用方案2，上海16號線和寧高城際采用方案4。方案1的配置太高，實(shí)用性較差，但適用于坡度較大的線路。方案3的故障運(yùn)行能力較差，當(dāng)出現(xiàn)一個動力單元故障的情況下，車輛僅剩下一動兩拖，運(yùn)行到下一站后就必須退出運(yùn)營。

當(dāng)線路后期考慮三編組和六編組車輛混合運(yùn)營時，以上方案除全動車外，均存在車輛故障后需救援的問題。即：當(dāng)六編組車輛故障時，無法通過三編組車輛進(jìn)行救援，只能通過調(diào)派6編組車輛來實(shí)現(xiàn)。對于三編組車輛無法救援6編組車輛的問題，近期開始出現(xiàn)在上海崇明線、南寧機(jī)場線等線路車輛設(shè)計(jì)討論交流會上，后續(xù)全動車也有可能出現(xiàn)應(yīng)用案例。

2.3?車門布置及座椅

常規(guī)地鐵列車具有快上快下的需求，需要設(shè)置足夠多的車門。一般B型地鐵車輛每節(jié)車每側(cè)設(shè)置4對車門，A型地鐵車輛每節(jié)車每側(cè)設(shè)置5對車門。同時客室座椅一般設(shè)置成縱向座椅。座椅數(shù)少，站立面積大。

對于城際鐵路和市域快線而言，其站間距長、速度快，更多的是考慮車輛安全性和客室的舒適性，每節(jié)車每側(cè)僅設(shè)置2對車門或3對車門。同時客室座椅一般設(shè)置成橫排座椅，座椅數(shù)多、更為舒適，客室站立面積少。

下面以B型地鐵為例，分析車門及座椅布置的方案差異：

綜合以上對比，方案四適用于站間距中等，潮汐客流較明顯的市域快線等線路，方案一和方案三適用于市區(qū)和郊區(qū)兼有的線路，方案二則不推薦，其優(yōu)勢不明顯。

2.4車輛防滑設(shè)計(jì)

對于常規(guī)的六編組或者低速運(yùn)營地鐵車輛，當(dāng)列車發(fā)生滑行控制時，只對發(fā)生滑行的車進(jìn)行制動力調(diào)節(jié)糾正，待滑行消失后再恢復(fù)制動力，而其它車的制動力保持不變。或者采用對發(fā)生滑行的動車的制動力限制粘著系數(shù)，而缺失的制動力將平均分配在拖車上或者其它沒有發(fā)生滑行的車輛上。

對于速度等級較高的三編組列車，當(dāng)運(yùn)營速度達(dá)到120km/h以上時，其防滑設(shè)計(jì)要求更高[3]，主要因素有如下：（1）列車為三編組的短編組列車，前車對后車的粘著改善情況有限;（2）列車最高運(yùn)營速度較大，隨著列車速度的增加，輪軌間的可用粘著也隨之降低;（3）列車采用盤型制動，較踏面制動相比，車輪得不到有效的清潔，輪軌間的可用粘著會有所降低;（4）一般快線的線路存在較多的高架線路，下雨天后濕度較大，在惡劣天氣下可用粘著較低。

目前主要的其防滑控制有2種方案。第一種方案比較簡單，當(dāng)系統(tǒng)檢測到較長時間的滑行后，系統(tǒng)切除該轉(zhuǎn)向架的電制動，將剩余的電制動根據(jù)目前粘著水平重新分配，不足的制動力由空氣制動補(bǔ)齊，補(bǔ)充的空氣制動平均分配到拖車轉(zhuǎn)向架和故障的轉(zhuǎn)向架上。第二種方案采用的是等黏著方案，當(dāng)系統(tǒng)檢測到滑行后，首先將剩余所需的制動力平均分配到所有轉(zhuǎn)向架上，動力轉(zhuǎn)向架仍采用電制動，拖車轉(zhuǎn)向架采用空氣制動;當(dāng)車輛滑行未能緩解，則切除該動力轉(zhuǎn)向架的電制動，將電制動根據(jù)目前粘著水平分配到未發(fā)生滑行的轉(zhuǎn)向架上，拖車轉(zhuǎn)向架和被切除的轉(zhuǎn)向架施加空氣制動，所有車輛的制動力仍保持一致。

當(dāng)然，車輛還可以通過設(shè)置踏面清掃[4]和撒砂裝置[5]，有助于改善粘著，降低滑行出現(xiàn)的概率。

2.5車輛重聯(lián)及改造分析

三編組車輛的載客量較少，一般用于近期和中期的線路規(guī)劃。隨著城市的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)期一般考慮采用五編組或者六編組車輛。對此，在線路規(guī)劃時，既有三編組車輛采用重聯(lián)或者改造方案也要體現(xiàn)在規(guī)劃文件中。

重聯(lián)方案：將三編組車輛進(jìn)行重聯(lián)為六編組后直接在線路上運(yùn)行。新增的列車直接采用六編組的方案。該方案較為簡單，只需要在初始設(shè)計(jì)時預(yù)留列車重聯(lián)的接口即可。但重聯(lián)后的車輛重量較大，配有4個司機(jī)室、且牽引系統(tǒng)配置冗余度過高，首期和后期車輛的設(shè)備無法互換，性價比較差。

改造方案：將既有三編組車輛直接改造為五編組或六編組后在線路上運(yùn)行。后續(xù)新增的列車也是直接五編組或者六編組的車輛。該方案一次性投入成本較大，既有的車輛設(shè)備需要報廢，且需要根據(jù)車輛實(shí)際情況確認(rèn)是否能夠改造。由于改造方案困難極大，目前國內(nèi)暫無實(shí)際應(yīng)用的改造案例。

目前國內(nèi)一般采用既有列車重聯(lián)的方式來運(yùn)營，并且通過新增采購六編組車輛來滿足客流的增長，如廣州3號線。也可以通過六編組和三編組混合運(yùn)營的方式來運(yùn)營，部分既有車輛仍采用三編組運(yùn)營，剩余的三編組采用重聯(lián)方式和新采購的六編組車輛以六編組方式運(yùn)營，如上海16號線。

對于考慮通過改造車輛來實(shí)現(xiàn)加大編組的線路，必須在車輛設(shè)計(jì)時充分考慮，預(yù)留相同的設(shè)備接口和改造空間，這種理念在六編組改八編組的項(xiàng)目上較為普遍，并且已經(jīng)有成熟的技術(shù)方案了。

結(jié)語

隨著城市功能分區(qū)的完善以及城市群規(guī)劃的提出，對于連接城市郊區(qū)與市區(qū)、衛(wèi)星城與中心城或機(jī)場與市區(qū)的市域軌道交通，三編組地鐵車輛成為一種備選方案進(jìn)入了各個城市的規(guī)劃中。

本文通過對分析三編組車輛的特點(diǎn)，選取了總體尺寸，動力配置及故障運(yùn)行、車門及座椅布置、防滑控制、重聯(lián)及改造等方面進(jìn)行分析，通過對所有可能的方案進(jìn)行分析和對比，并結(jié)合既有項(xiàng)目案例，提供車輛設(shè)計(jì)的建議和推薦方案。

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