西非某城軌內燃動車組選型研究

焦 龍

（中國土木工程集團有限公司，北京 100038）

1 前言

自2013年“一帶一路”合作倡議提出以來，依托中國與有關國家既有的雙多邊機制，借助既有的、行之有效的區域合作平臺，2015年，中國企業對“一帶一路”相關的49個國家進行直接投資，投資額同比2014年增長18.2%。“一帶一路”經濟區開放后，承包工程項目已突破3000個。

基礎設施項目是“一帶一路”建設的優先領域，隨著非洲地區經濟發展水平的不斷提高，區域內大型城市對于城市軌道交通的需求逐漸顯現，若干“中國標準”“中國制造”的城市軌道交通項目陸續落地非洲。

車輛作為城市軌道交通系統的重要組成部分，其選型關乎旅客運輸的安全性、舒適性和總體滿意度。本文以西非某城市軌道交通項目為例，針對項目所在地電力供應匱乏但石油資源豐富的背景，對其車輛選型開展研究。

2 研究背景

項目所在地為西部非洲某國首都城市，該國是非洲第一大產油國、世界第十大石油生產國及第七大原油出口國，已探明的石油儲量約371億桶。該地區屬熱帶草原氣候，總體高溫多雨，全年分為旱季和雨季，年均氣溫約為26～27℃，最高溫度可達40℃。項目線路全長為45.245 km，軌距1435 mm，工程全部為地面線路，包含12 座車站及1座車輛段，最小站間距為1330 m、最大站間距為9950 m。

項目實施過程中，考慮到該城市基礎設施較落后、電力供應不足、輸變電網絡覆蓋面積小等情況，結合該區域石油資源豐富的優勢因素，因此該項目選用的內燃動車組相較于電力動車組更符合市場及運營使用需求。另因項目全部工程采用中國標準，故應優先選擇中國制造的機車車輛，以滿足項目各子系統的適應性與匹配性。

3 國內外內燃動車組發展情況

國內內燃動車組的生產在2000年前后處于生產高潮期，特點是型號多樣，技術成熟。因產業政策調整，大部分目前已不在國內線路運營使用，現階段全部面向出口市場，其中主要型號有廬山號、神州號、和諧長城號、出口突尼斯內燃動車組及出口阿根廷內燃動車組等。國內主要型號內燃動車組技術特點如表1所示。

表1 國內主要型號內燃動車組技術特點 km / h

目前，據不完全統計，世界上擁有內燃動車組的鐵路公司近百家，分布在約90多個國家和地區。運用較多的國家是德國、法國、意大利、西班牙和日本等國家。除工業發達國家以外，一些發展中國家也陸續開始注重發展內燃動車組運輸。斯里蘭卡鐵路從20世紀50年代開始進口內燃動車組，到21世紀該國鐵路已擁有從德國、日本、韓國及中國進口的各型內燃動車組。

內燃動車組自研發投入使用至今已有100多年的歷史，近年來，國內外內燃動車組無論是在設計制造技術方面還是運營維護體系建設方面，都取得跨越性發展，現代內燃動車組的技術性能及乘坐舒適度得到大幅提升。在低運量的線路或區段使用內燃動車組，由于毋須投資建造電氣化設施，項目的整體投資成本大幅降低。除此之外，內燃動車組的車輛造價和壽命周期成本低，是搭配電力牽引客運車輛的理想選擇，已被廣泛用于中短途的城際鐵路線路或市郊鐵路線路。

4 與干線內燃動車組的差異分析

從國內外內燃動車組的發展歷程來看，既有車型的內燃動車組主要服務于干線鐵路，鮮有用于城市軌道交通的案例。本項目所用內燃動車組由于載客量、站停時間、運行時間等服務需求與干線內燃動車組不同，導致兩者在安全性能、機械性能、動力性能、服務設備等方面差異明顯，因此相較于干線內燃動車組在設計上需特別對待。

4.1 機械特點差異

4.1.1 車門數量及尺寸差異

干線鐵路內燃動車組車輛多為單側2門或1門設計，車門寬度為800 mm，城市軌道交通內燃動車組車輛為4門或5門設計，車門寬度為1400 mm，由此引發車窗設計尺寸及數量的差異。

4.1.2 車鉤差異

城市軌道交通站間距小、運行間隔短，為節約連掛時間，特別是救援實施時間，城市軌道交通內燃動車組車頭通常采用自動車鉤，由于車廂連接處需預留乘客站立空間，車體間采用密貼式車鉤。干線內燃動車組則不用采用該種方式的設置。

4.1.3 貫通道差異

干線內燃動車組貫通道為過道式設計，城市軌道交通內燃動車組貫通道為載客式設計，從而引發寬度、扶靠設施、承載能力等方面差異。

4.1.4 車內布局差異

干線內燃動車組車以坐席為主，立席為輔，載客量在每節100 人上下；城市軌道交通內燃動車組以立席為主，坐席為輔，載客量在300 人左右，導致座位、扶手等車內設施布局存在較大差異。

4.2 牽引特性差異

與干線鐵路相比，城市軌道交通線路的站間距小、站停時間短。如北京市郊鐵路S2線以和諧長城號內燃動車組作為運營車輛，該線路全長108.3 km，全線共設車站6座，平均站間距為21.66 km。而本項目線路平均站間距4.23 km，僅為北京市郊鐵路S2線的五分之一。

根據列車運行組織方案，本項目內燃動車組約5 min起停一次，需頻繁進行牽引及制動。另外，城市軌道交通的站停精度按國內運營標準為250 mm，相對干線列車精準控制要求高。

4.3 可靠性需求差異

城軌內燃動車組站間運行時間短、運行強度大，開關車門、牽引制動及司機換端等操作次數明顯高于干線內燃動車組，因此對于列車的可靠性及大部件壽命有著更高的需求，特別體現在車門及控制其開關的繼電器、牽引系統電氣壽命及控制繼電器、制動系統機械壽命及控制繼電器、空壓機系統容量及送風能力、司機控制器使用壽命、司機換端操縱控制設備壽命等系統與部件。

5 選型研究

5.1 基本車型

基本車型的選擇需綜合考慮客流量、線路狀況、列車運行組織與經濟性等因素，目前國內城市軌道交通車輛以A型車和B型車為主，本項目線路參數及車輛限界以國內B型車為基礎進行設計，因站臺高度抬升180 mm，故內燃動車組車體高度與標準B型車相比有較大變動。另因內燃動車組車底安裝內燃動力包、燃油箱等部件，車輛軸重也有所增加。本項目內燃動車組與國內B型車技術規格對比見表2。

表2 本項目內燃動車組與國內B型車技術規格對比

5.2 動力布置方式

內燃動車組按動力布置方式分為動力集中式和動力分散式2種，國內主要型號內燃動車組多為動力集中式，需將柴油機等設備集中布置于動車設備間，占用車體空間較多且會產生較大的噪聲，進而影響乘客舒適性；反觀動力分散式的內燃動車組，動力設備為分散式布置，小型化以及集成化程度高，且列車控制精準度更佳，故本項目以動力分散式內燃動車組為基礎進行選型。

5.3 動力包

動力包為車輛牽引和輔助提供動力，主要由柴油機及其輔助系統、發電機、冷卻系統、電控系統、安裝框架和懸掛系統等組成，安裝于車體底架下方。其中柴油機和發電機為車輛動力的來源，其性能決定動力包的各項技術規格指標，是動力包選型的關鍵因素。

因項目所在地工況較惡劣，對柴油機性能、質量及售后服務要求較高，故應優先考慮選用國際知名品牌的柴油機。經前期比對技術參數、交貨期及業績能力，篩選出由M公司和C公司的2套方案，2種方案的比選分析見表3。

表3 柴油機方案比選分析

綜合比選2種方案，C公司柴油機自重較大且其布置方式會導致動車車底需布置柴油機和牽引電機2種大型設備，致使動車車底有缺乏操作及維修空間的可能。M公司柴油機自重輕、性能更優異，布置方式合理，可為后期設計、操作及維修預留較大的空間，因此選用M公司柴油機方案更為合理。

動力包采用永磁同步發電機，與普通交流發電機相比，體積更小、重量更輕，傳動效率更高。發電機采用雙軸承支承結構，發輸出端為花鍵軸結構，與固定在柴油機飛輪上的聯軸器花鍵孔連接，殼體通過連接套與柴油機飛輪殼固定在一起，組成柴油發電機組。同時使用柴油機冷卻水系統的分支冷卻永磁同步發電機，可大幅降低重量。動力包結構如圖1所示。

圖1 動力包結構示意圖

5.4 傳動方式

內燃動車組按牽引動力的傳動方式可分為液力傳動和電傳動，其中電傳動又可分為交-直流電傳動和交-直-交流電傳動。各傳動方式的性能特點分析如表4所示。

從表4分析可知，交-直-交流電傳動方式技術成熟、性能優越、環境適應性強，且全壽命周期內具備較好的經濟性，符合城市軌道交通的運營特點，能很好的滿足本項目內燃動車組的技術需求及使用場景需要。故選用交-直-交流電傳動方式，即每輛動車上配置一套牽引動力系統，動力包輸出電壓、電流經過整流器給牽引逆變器，牽引逆變器控制牽引電機，牽引電機通過聯軸節將動力傳給安裝在輪對車軸上的齒輪箱，帶動輪對在軌道上轉動，驅動列車運行。

表4 內燃動車組傳動方式性能特點分析

5.5 列車編組

根據項目工程設計、客流量預測及牽引力計算，內燃動車組基礎編組形式為4節編組，2動2拖。故有2種列車編組方案可供選擇，如表5所示。

表5 列車編組方案選擇

動車與拖車主要區別為動車轉向架為動力轉向架，拖車轉向架為非動力轉向架，即動車的轉向架必然帶有牽引電機，則電力牽引系統的設備如牽引逆變器箱、制動電阻箱等也必然安裝于動車上，又鑒于空間原因動力包系統、燃油箱系統也安裝于拖車上，而動力包加燃油箱的重量要比牽引系統重；另一方面由于司機室置于頭車中，一般情況下頭車整體載客量小于中間車。基于以上情況，對列車編組形式的選擇主要考慮以下因素。

（1）重量偏差。方案1在空載情況下，中間車較頭車輕，中間車載客量大于頭車，故在大載客量情況下，兩車最大軸重幾乎相同。方案2在空載情況下，中間車較頭車重，中間車載客量大于頭車，故在大載客量情況下，會產生中間車最大軸重與頭車最大軸重偏差較大的情況。此時，中間車車輪磨耗速度會快于頭車。重量相差過大時，牽引制動時也會造成沖擊。另外，頭車帶有司機室，車輛兩端為非對稱結構，司機室端較重，如車輛軸重偏差過大容易造成輪緣異常磨耗等一系列問題。

（2）線路黏著。中間車設置為動車時，拖車車輪提前于動車先碾壓一遍軌道，對于車輛牽引系統來說，有利于提高牽引系統的黏著系數，利于牽引系統更好的發揮。

（3）設備干涉。頭車轉向架需要安裝信號設備。如將頭車設置為動車，轉向架由于有牽引電機等空間限制，引起信號設備安裝空間不足，另外還會造成電磁干擾。

（4）受電弓改造。鑒于列車受電方式后續有改為受電弓的可能，因此受電弓最好與電力牽引系統安裝在同一車廂上，這樣中間車轉彎時偏移更小，頂部空間更大，更適合安裝受電弓。綜上，將動車編至中間位置更有利于列車運行的安全性及穩定性，故選用方案1作為列車編組方案。

5.6 車體

城市軌道交通B型車主要有V型和鼓型2種車體形狀，2種型式的車體斷面最大寬度相近，但鼓形車體最大寬度在地板高度約600～700 mm處，外觀效果更加立體美觀。由于鼓型車體中部有1處外鼓圓弧，客室座椅可在此圓弧處外移，有利于增加客室內乘客站立面積。在滿足車輛安全運行的前提下，鼓形車體能更大限度地利用車輛限界，可帶來一定的社會效益和經濟效益，因此本項目內燃動車組選用鼓型車體。

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。本項目內燃動車組運行環境為高溫多雨多風沙的地面線路，且車輛自身重量較大，鋁合金車體具有良好的減重效果、耐腐蝕性強，使其成為車體制造的首選型材。

5.7 轉向架

轉向架分為2種結構相似的動車轉向架和拖車轉向架，均為無搖枕結構型式。動車轉向架和拖車轉向架的主要區別是動車轉向架裝有驅動傳動裝置（牽引電動機、齒輪傳動裝置、聯軸節），拖車轉向架未安裝驅動傳動裝置。由于本項目車輛軸重比標準B型車輛增加較多，故轉向架設計須按最大載荷、結構速度、最惡劣的線路條件以及所有其他可能出現的最惡劣條件等綜合工況進行分析和確定，同時對該項目大軸重要求的轉向架進行針對性研究，完成轉向架構架的靜強度和振動模態計算以及轉向架動力學計算，通過動力學試驗驗證轉向架結構性能和走行行為特性。

6 研究結論

西非地區供電設施不發達，無成熟的發電設施及輸變電網絡，選用內燃動車組作為城市軌道交通項目車輛更具可行性及經濟性。

目前國內外既有車型的內燃動車組多應用于干線鐵路，本文進行選型研究的內燃動車組用于城市軌道交通，兩者在機械結構、牽引特性及可靠性需求等方面存在較大的差異。

通過對車輛基本車型、編組方式、核心大部件等關鍵規格制式進行比對，結合本項目線路條件、運用環境及性能需求，最終選定以國內B型車為基礎車型，采用鼓型鋁合金車體并將車輛高度提升180 mm，由安裝在拖車車底的內燃動力包提供動力，采用交-直-交流電傳動方式牽引，編組形式為“+Tc-M-M-Tc+”2動2拖的動力分散式內燃動車組。