三編組地鐵車輛的總體設計方案探討

高武 莊文鋒 劉亞寧

摘要：目前國內地鐵車輛對三編組車輛的研究及應用較少。三編組車輛總體設計難度大，部分專業設計需要統籌考慮總體的可實現性能。本文從總體尺寸，動力配置及故障運行、車門及座椅布置、防滑控制、重聯及改造四個關鍵方面分析三編組車輛的總體設計方案，并結合既有項目案例，給出推薦的設計方案。

關鍵詞：三編組;動力配置;車門及座椅;防滑控制;重聯;改造

1?概述

采用三編組快速地鐵車輛可以通過單獨運行或重聯運行，滿足客流潮汐性明顯的線路，實現高峰期“大編組，高密度”、一般時段“短編組，高密度”、低谷區“短編組、低密度”的運營方式，平衡了運力及服務水平之間的矛盾。

對于三編組車輛，國內應用案例較少，其總體尺寸，動力配置及故障運行、車門及座椅布置、防滑控制、重聯運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行分析，并結合廣州3號線[1]、上海16號線[2]以及寧高城際[3]的實際應用案例，分析三編組車輛相關的設計方案。

2?車輛總體設計

2.1車輛總體尺寸分析說明

三編組車輛設置兩個帶司機室頭車和一個不帶司機室的中間車。常規六編組車輛的總體尺寸設置如下：

當三編組車輛按此方案進行車輛設計時，車輛編組圖如下：

對于常規車輛而言，如此設置并無問題。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方式進行運營，3+3重聯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車和第四節車之間的距離。對于新采購6編組的車輛，第三節車與第四節車相鄰轉向架的距離為7100mm，而對于3+3重聯車輛，第三節車與第四節車的距離為10300mm（=5150*2），兩者差值為3200mm。此問題會導致站臺屏蔽門與車輛車門設置不匹配的問題。對此，解決辦法如下：

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

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

方案三：若后期不考慮采用3+3重聯的運營方式，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號線設計時采用的就是方案1，所有車輛長度設置為等長，為解決頭車尺寸較小問題，其車端距設置為920mm，比常規的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之間進行了討論，最終決定采用方案2，第三節車和第四節車采用單端加長1600mm的方式實現列車長度、轉向架相對位置、車門相對位置的一致性。

2.2動力配置及故障運行能力

對于常規地鐵車輛，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車或一個轉向架;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向架。因此，針對三編組車輛，其根據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，實用性較差，但適用于坡度較大的線路。方案3的故障運行能力較差，當出現一個動力單元故障的情況下，車輛僅剩下一動兩拖，運行到下一站后就必須退出運營。

當線路后期考慮三編組和六編組車輛混合運營時，以上方案除全動車外，均存在車輛故障后需救援的問題。即：當六編組車輛故障時，無法通過三編組車輛進行救援，只能通過調派6編組車輛來實現。對于三編組車輛無法救援6編組車輛的問題，近期開始出現在上海崇明線、南寧機場線等線路車輛設計討論交流會上，后續全動車也有可能出現應用案例。

2.3?車門布置及座椅

常規地鐵列車具有快上快下的需求，需要設置足夠多的車門。一般B型地鐵車輛每節車每側設置4對車門，A型地鐵車輛每節車每側設置5對車門。同時客室座椅一般設置成縱向座椅。座椅數少，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，每節車每側僅設置2對車門或3對車門。同時客室座椅一般設置成橫排座椅，座椅數多、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和郊區兼有的線路，方案二則不推薦，其優勢不明顯。

2.4車輛防滑設計

對于常規的六編組或者低速運營地鐵車輛，當列車發生滑行控制時，只對發生滑行的車進行制動力調節糾正，待滑行消失后再恢復制動力，而其它車的制動力保持不變。或者采用對發生滑行的動車的制動力限制粘著系數，而缺失的制動力將平均分配在拖車上或者其它沒有發生滑行的車輛上。

對于速度等級較高的三編組列車，當運營速度達到120km/h以上時，其防滑設計要求更高[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，當系統檢測到較長時間的滑行后，系統切除該轉向架的電制動，將剩余的電制動根據目前粘著水平重新分配，不足的制動力由空氣制動補齊，補充的空氣制動平均分配到拖車轉向架和故障的轉向架上。第二種方案采用的是等黏著方案，當系統檢測到滑行后，首先將剩余所需的制動力平均分配到所有轉向架上，動力轉向架仍采用電制動，拖車轉向架采用空氣制動;當車輛滑行未能緩解，則切除該動力轉向架的電制動，將電制動根據目前粘著水平分配到未發生滑行的轉向架上，拖車轉向架和被切除的轉向架施加空氣制動，所有車輛的制動力仍保持一致。

當然，車輛還可以通過設置踏面清掃[4]和撒砂裝置[5]，有助于改善粘著，降低滑行出現的概率。

2.5車輛重聯及改造分析

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

重聯方案：將三編組車輛進行重聯為六編組后直接在線路上運行。新增的列車直接采用六編組的方案。該方案較為簡單，只需要在初始設計時預留列車重聯的接口即可。但重聯后的車輛重量較大，配有4個司機室、且牽引系統配置冗余度過高，首期和后期車輛的設備無法互換，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行。后續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，既有的車輛設備需要報廢，且需要根據車輛實際情況確認是否能夠改造。由于改造方案困難極大，目前國內暫無實際應用的改造案例。

目前國內一般采用既有列車重聯的方式來運營，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營的方式來運營，部分既有車輛仍采用三編組運營，剩余的三編組采用重聯方式和新采購的六編組車輛以六編組方式運營，如上海16號線。

對于考慮通過改造車輛來實現加大編組的線路，必須在車輛設計時充分考慮，預留相同的設備接口和改造空間，這種理念在六編組改八編組的項目上較為普遍，并且已經有成熟的技術方案了。

結語

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

本文通過對分析三編組車輛的特點，選取了總體尺寸，動力配置及故障運行、車門及座椅布置、防滑控制、重聯及改造等方面進行分析，通過對所有可能的方案進行分析和對比，并結合既有項目案例，提供車輛設計的建議和推薦方案。

參考文獻：

[1]??陶功安，袁立祥，馬喜成.廣州地鐵3?號線地鐵車輛[J].機車電傳動，2006（4）：52-59.

[2]??柳曉峰，曹增明.上海軌道交通16號線列車重聯技術研究與應用[J].電力機車與城軌車輛，2015（5）：1-5，43.

[3]??康亞慶.南京地鐵寧高城際線列車防滑控制方案[J].電子測試，?2018（10）：78，105-107.

[4]??茍青炳，伍安旭，江浪.城軌車輛踏面清掃器增粘試驗研究[J].機車車輛工藝，2013（3）：11-13.

[5]??任得鵬，張青.城軌車輛撒砂系統設計方案簡述[J].技術與市場，2019（1）：68-69.