廣州1、22、88號線增購項目地鐵車輛研制

李春明 李 駿 彭冬良

廣州1、22、88號線增購項目地鐵車輛研制

李春明 李 駿 彭冬良

增購項目根據(jù)廣州地鐵要求，從安全可靠、智能環(huán)保、人性化的車輛設(shè)計理念出發(fā)，采用先進的設(shè)計軟件，提供高度國產(chǎn)化、受電弓受流、鋁合金車體的80 km/h速度等級A型地鐵車輛。介紹該車主要技術(shù)特征，闡述了列車組成及其主要技術(shù)參數(shù)，并詳細分析說明了車輛的主要部件及系統(tǒng)。

地鐵車輛；國產(chǎn)化；車輛設(shè)計；鋁合金車體；系統(tǒng)部件

0 引言

廣州地鐵1、2、8號線增購項目采購6節(jié)編組A型鋁合金車體車輛，共計32列192輛，動拖比為4動2拖。列車最高運行速度為80 km/h，額定電壓DC1500V，受電弓受流。該項目在南車株洲電力機車有限公司現(xiàn)有的A型車平臺的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，致力于為用戶提供可靠安全、綠色智能、易于維護、升級版高端的地鐵車輛。

1 技術(shù)特征

廣州地鐵1、2、8號線增購項目車輛研制采用Unigraphics NX軟件，并用Teamcenter軟件進行數(shù)據(jù)和流程管理，實現(xiàn)了車體、內(nèi)裝、管路等車輛三維模型并行設(shè)計；運用ANSYS軟件對車體的結(jié)構(gòu)強度、剛度及模態(tài)進行有限元計算分析。該車的制動系統(tǒng)、車鉤及緩沖器、牽引輔助系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化。列車具有如下技術(shù)特征。

（1）采用高強度的鋁合金全焊接車體，列車碰撞采用符合歐洲標準的3級能量吸收方案，最大限度地保護乘客的安全。

（2）采用國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863）列車在途故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)了列車安全狀態(tài)在途故障診斷、隱患挖掘和安全預(yù)警，有效地提高安全性和可靠性。

（3）采用自主設(shè)計的成熟的ZMA080型無搖枕轉(zhuǎn)向架，二系懸掛結(jié)構(gòu)，車輪采取降噪環(huán)降噪。

（4）采用國產(chǎn)化集成度高、易于維護的車控空氣制動系統(tǒng)，采用了振動小、耐久性高的螺桿式空氣壓縮機。

（5）采用兩端送風(fēng)、底部回風(fēng)的四壓縮機空調(diào)機組，制冷量可以實現(xiàn)5檔調(diào)節(jié)，更加節(jié)能環(huán)保。

（6）采用由上翻轉(zhuǎn)式門體和緊急疏散坡道兩部分組成的緊急疏散門，坡道平緩，具有強的疏散能力。

（7）采用分布式輔助逆變器，全列車共有6臺輔助逆變器單元，為車內(nèi)擴展供電方式，提高了系統(tǒng)的冗余性和可靠性。

（8）采用19英寸LCD彩色圖文顯示屏，每輛車客室設(shè)置3套360°全景模擬攝像機。

（9）采用節(jié)能環(huán)保的LED客室照明，運用了4路獨立交錯4個驅(qū)動電源集中供電方式，更節(jié)能環(huán)保。

2 技術(shù)性能

2.1 列車編組及車輛型式

列車編組為：－A+B+C*C+B +A

A車是帶司機室的拖車，B車是有受電弓的動車，C車是無受電弓的動車，“+”為半永久牽引桿，“－”為全自動車鉤，“*”為半自動車鉤。

2.2 車輛主要結(jié)構(gòu)尺寸

車輛主要結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

表1 車輛主要結(jié)構(gòu)尺寸 mm

2.3 載客量

根據(jù)GB 50490-2009《城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，乘客站立面積除去座椅及前緣250 mm外的客室面積；按GB 10000-1988《中國成年人人體尺寸》標準，考慮我國乘客身高，將高度不小于1 860 mm區(qū)域?qū)?yīng)的地板面積也計算入乘客站立面積。各種工況下的載客量如表2所列。

表2 各種工況下載客量 人

2.4 列車牽引及制動性能參數(shù)

在干燥、清潔的平直軌道上，在定員載荷、額定網(wǎng)壓和車輪半磨耗狀態(tài)時，列車的性能如下。

（1）列車運行速度。最大運行速度80 km/h，結(jié)構(gòu)速度90 km/h，車鉤連掛速度3 km/h，反向運行最大速度10 km/h。

（2）列車牽引性能。初始平均加速度（從0到40 km/h）≥1.0 m/s2，平均加速度（從0到80 km/h）≥0.6 m/s2。

（3）列車制動性能。常用制動平均減速度（從80 km/h到0）≥1.0 m/s2，緊急制動平均減速度（從80 km/h到0）≥1.2 m/s2，緊急制動距離（包括響應(yīng)時間）≤204 m。

2.5 列車碰撞設(shè)計

列車碰撞設(shè)計符合EN 15227-2008《鐵路車輛車體防撞性要求》C-IV類碰撞場景要求，碰撞能量吸收采用3級能量吸收的方式。如圖1所示，當(dāng)1列空載（AW0）列車以8 km/h速度與1列處于停放制動著的空載列車連掛時，沖擊能量全部由第1級橡膠可恢復(fù)緩沖器吸收；當(dāng)1列空載列車以15 km/h速度與1列處于停放制動著的空載列車連掛時，沖擊能量除了由第1級能量吸收裝置吸收外，剩余能量由第2級壓潰管吸收；當(dāng)1列空載列車以大于15 km/h、小于20 km/h的速度與1列靜止的空載列車碰撞時，列車前端全自動車鉤的過載保護裝置起作用，全自動車鉤向后移動，沖擊能量除了由第1級和第2級能量吸收裝置吸收外，剩余能量由第3級后部車鉤過載保護裝置及司機室前端防爬器、車體吸能區(qū)吸收，客室無損壞，保證乘客的生存空間。

3 設(shè)備布置

圖1 列車前端能量吸收示意圖

該型地鐵列車采用模塊化設(shè)計，簡潔明了的設(shè)備布置。電氣屏柜設(shè)置在車輛客室兩端，如：A車2位端設(shè)置微機柜、空調(diào)控制柜；B車1位端設(shè)置空調(diào)控制柜、繼電器柜，2位端設(shè)置863設(shè)備柜（故障診斷設(shè)備柜）、升弓柜；C車1位端設(shè)置繼電器柜、空調(diào)控制柜，2位端設(shè)置863設(shè)備柜；司機室后端設(shè)有繼電器柜和信號柜?；诜奖憔S護、平衡軸重和利于管線的原則布置底架設(shè)備，底架設(shè)備的分配情況詳見表3。

表3 底架主要設(shè)備的分配

4 列車在途故障診斷系統(tǒng)

列車配備了863計劃“基于傳感網(wǎng)的列車關(guān)鍵設(shè)備在途故障診斷技術(shù)及系統(tǒng)研制”的列車在途故障診斷系統(tǒng)（圖2），基于列車傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知節(jié)點設(shè)備，采用傳感器組網(wǎng)技術(shù)及魯棒檢測、高可信濾波、故障分離和辨識技術(shù)，建立了走行系、動力系、輔助系、制動系、信號系、列車安防系、乘客信息系的故障集、故障描述及故障診斷模型，布署列車運行狀態(tài)綜合監(jiān)測平臺，并開發(fā)列車地面綜合預(yù)警及主動運維決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)安全保障和運營維護的一體化。該系統(tǒng)有效地提高城軌列車運用安全性和可靠性，實現(xiàn)了從被動安全向主動安全保障的技術(shù)轉(zhuǎn)型。

圖2 列車在途故障診斷系統(tǒng)拓撲圖

5 主要機械部件

5.1 車體

A型地鐵車輛車體采用自主化設(shè)計的鋁合金全焊接V形斷面，運用模塊化、輕量化設(shè)計理念，采用鋁合金大型中空擠壓型材、底架無中梁整體承載全焊接結(jié)構(gòu)，其強度、剛度、模態(tài)、防碰撞等性能滿足EN 12663《鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》，靜壓載荷1 200 kN，靜拉載荷980 kN，AW3（超載）+1 200 kN狀態(tài)下應(yīng)力分布如圖3所示。車體由底架、側(cè)墻、端墻、頂蓋和司機室等部分組成，承受垂直、縱向、扭轉(zhuǎn)等載荷。鋁擠壓型材采用6000系鋁合金，牌號、成份和性能滿足歐洲EN 755-2-2008《鋁和鋁合金—擠壓桿材棒材、管材和型—第2部分：機械性能》標準，熱處理滿足EN 515-1993《鋁和鋁合金—鍛制品—回火標志》。

圖3 AW3+1 200 kN狀態(tài)下應(yīng)力云圖

5.2 轉(zhuǎn)向架

轉(zhuǎn)向架為ZMA080型無搖枕轉(zhuǎn)向架，最大軸重16 t。拖車轉(zhuǎn)向架和動車轉(zhuǎn)向架2種結(jié)構(gòu)相似，見圖4，采用二系懸掛結(jié)構(gòu)，一系彈簧采用金屬橡膠疊層人字彈簧，二系懸掛系統(tǒng)裝配有2個空氣彈簧。在動車轉(zhuǎn)向架上，安裝牽引電動機、齒輪傳動裝置、聯(lián)軸節(jié)等。其主要技術(shù)特點如下。

（1）構(gòu)架采用H形、無搖枕全焊接結(jié)構(gòu)。

（2）車輪采用整體輾鋼輪材料ER9，磨耗型踏面，輻板為S形，采取降噪環(huán)降噪。

（3）牽引裝置采用中心銷、Z字形拉桿牽引方式。

圖4 動車轉(zhuǎn)向架三維圖

（4）空氣彈簧的高度控制閥采用“三點調(diào)平”布置。

5.3 空氣制動系統(tǒng)

空氣制動系統(tǒng)主要由制動控制裝置、空氣供給裝置、空氣懸掛裝置、基礎(chǔ)踏面制動裝置、車輪防滑保護裝置組成，空氣供給裝置并為升弓裝置供風(fēng)。系統(tǒng)滿足EN13452-2003《鐵路應(yīng)用—制動—軌道交通制動系統(tǒng)》標準要求，具備常用及快速空氣制動控制、常用電空混合制動控制、空氣制動防滑控制、緊急制動控制、停放制動控制、車輛載荷信號檢測及制動載荷補償?shù)裙δ堋Ｈ熊嚺渲糜?套空氣供給裝置，采用螺桿式壓縮機?？刂葡到y(tǒng)采用微機控制的模擬式電空制動模式，采用車控方式，在每輛車上，配有1套電空制動控制裝置和監(jiān)控終端，具有自診斷和故障記錄功能。常用和快速制動指令由司控器或信號系統(tǒng)發(fā)出，由中央單元接收處理后，傳送給各車的電子制動控制單元。由貫通全列車的安全環(huán)路控制緊急制動，當(dāng)緊急制動列車線環(huán)路失電時，產(chǎn)生緊急制動作用。

5.4 空調(diào)及通風(fēng)

每輛車客室車頂?shù)?/4和3/4位置裝各安裝有1臺44 kW的大功率單元式空調(diào)機組，為兩端送風(fēng)、底部回風(fēng)型式。在每臺機組中，由4臺全封閉式渦旋式壓縮機提供制冷輸出，由2個相互獨立的循環(huán)構(gòu)成，每個循環(huán)由2臺并聯(lián)的壓縮機、1個冷凝器、機組兩端各半個蒸發(fā)器組成。制冷量可以實現(xiàn)0、25%、50%、75%、100%的5檔調(diào)節(jié)，減少了壓縮機的啟停次數(shù)，比采用2臺壓縮機的空調(diào)機組更加節(jié)能環(huán)保，客室內(nèi)溫度波動小，能獲得車廂內(nèi)更高的溫、濕度舒適性?？照{(diào)控制系統(tǒng)采用微機控制器作為核心控制單元，1輛車中的2臺空調(diào)機組采用獨立的控制單元，通過總線結(jié)構(gòu)與列車網(wǎng)絡(luò)進行通信，具有預(yù)冷模式、正常制冷模式、緊急通風(fēng)模式、保護和故障診斷等功能。

客室送風(fēng)道安裝在車頂天花板上方，采用交叉靜壓式風(fēng)道，保證在1臺空調(diào)機組故障的情況下，另1臺空調(diào)機也能為3/4車輛長度提供制冷風(fēng)。在允許的過濾器灰塵阻力的情況下，每輛車總風(fēng)量不低于10 000 m3/h，新風(fēng)量不低于3 200 m3/h，緊急通風(fēng)送風(fēng)量不低于4 000 m3/h。

5.5 內(nèi)部裝飾

車輛內(nèi)部裝飾時尚簡潔，符合人機工程學(xué)設(shè)計理念，牢固可靠、易于保養(yǎng)和清潔（圖5）。車體沿車輛中心線天花板表面距地板面的標稱高度2 100 mm，乘客站立區(qū)最小高度1 880 mm。每輛車有8個寬幅雙層安全玻璃窗，客室內(nèi)設(shè)置縱向排列長座椅，還有殘疾人專區(qū)。車廂內(nèi)有足夠數(shù)量的立柱扶手桿。內(nèi)飾主要部件采用的材料如表4所列，符合DIN5510《鐵路車輛防火保護措施》系列標準3級的防火要求，滿足乘客的安全要求。

表4 內(nèi)飾主要部件材料清單

圖5 內(nèi)部裝飾效果圖

5.6 車門系統(tǒng)

車門系統(tǒng)包括客室側(cè)門、司機室側(cè)門和緊急疏散門。在正常運行情況下，為了乘客能快速上下，在每節(jié)車廂設(shè)有10套雙扇電動電控塞拉式客室側(cè)門，均布于車廂兩側(cè)。在緊急情況下，為了疏散乘客，在列車的兩端設(shè)有緊急疏散門。在司機室兩側(cè)還設(shè)有方便司機上下車的內(nèi)藏式手動司機室側(cè)門。

（1）客室側(cè)門?？褪覀?cè)門具有障礙物探測、強行開門、故障切除、故障指示和診斷、順序開關(guān)門、參數(shù)集中調(diào)整等功能。客室側(cè)門凈開寬度1 400 mm，凈開高度1 880 mm，供電電壓DC110V，開、關(guān)門時間3 s ± 0.5 s。

（2）緊急疏散門。由上翻轉(zhuǎn)式緊急疏散門門體和緊急疏散坡道兩部分組成。門體周圍有2道由密封橡膠條形成的密封裝置，緊急疏散坡道與地面角度平緩為22°。緊急疏散門凈通過高度1 900 mm，疏散坡道凈通過寬度560 mm，完全展開時間15 s，收攏時間≤10 min，疏散能力2 025人/30 min。

圖6 牽引系統(tǒng)主電路圖

6 電氣部分主要部件

6.1 牽引系統(tǒng)

國產(chǎn)化牽引系統(tǒng)采用交流傳動，每輛動車有2個動力轉(zhuǎn)向架，每個動力轉(zhuǎn)向架安裝2臺190 kW的鼠籠式三相交流異步牽引電動機，控制方式為車控。如圖6所示，牽引系統(tǒng)由高壓電器（QS1、1Q01、1Q02）、電容器充放電單元（KM1、KM2、KM3、R1、R3）、濾波單元（L、C11、C21）、逆變器單元（INVMK1、INVMK2）、制動電阻（1R01）、異步牽引電動機(1M01～1M04)以及檢測單元（LH1、LH2、LH13、LH14、LH23、LH24、LH16、LH26、VH1、VH2）等組成。

牽引系統(tǒng)主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路。受電弓與接觸網(wǎng)接觸受流，輸入DC1500V直流電，經(jīng)VVVF逆變器變頻、變壓為可調(diào)的三相交流電向異步牽引電動機供電。2個逆變模塊單元組成VVVF逆變器， 驅(qū)動4臺牽引電動機，逆變模塊單元與電阻制動斬波單元集成在一起。

6.2 輔助系統(tǒng)

國產(chǎn)化輔助系統(tǒng)由高壓電器、輔助逆變器、DC110V蓄電池充電器、擴展供電電路等組成（圖7），輔助逆變器（DC1500V/AC380V）的輸出功率為90 kVA，每列車6臺，為空調(diào)、空壓機、照明及控制電路等提供穩(wěn)定的三相AC380V電源，給整列車的交流負載供電；DC/DC充電最大輸出功率為25 kW，蓄電池每組容量為220 A?h，給整列車的直流負載供電。

如圖7所示，兩單元內(nèi)輔助逆變器通過擴展供電箱進行冗余，擴展供電僅在單元車內(nèi)進行，即在單元內(nèi)的A、B、C 3輛車之間進行，具有配置靈活、冗余度高的優(yōu)點。當(dāng)某1個輔助逆變器發(fā)生故障時，不會對列車運營造成任何影響；當(dāng)單元內(nèi)2臺輔助逆變器故障時，正常車輛與相鄰故障車擴展供電、切除一半空調(diào)負載，另1臺故障車輛進行緊急通風(fēng)；當(dāng)單元內(nèi)3臺輔助逆變器故障時，本單元內(nèi)全部緊急通風(fēng)，另一單元車所有負載不受影響。

圖7 輔助電源負載分配圖

6.3 列車控制及診斷系統(tǒng)

列車控制及診斷系統(tǒng)為國產(chǎn)化系統(tǒng)，采用符合IEC 61375-1-1999《鐵路電氣設(shè)備—列車總線—第1部分：列車通信網(wǎng)絡(luò)》、IEC61131-3《編程語言》標準的分布式控制技術(shù)，分為列車控制級和車輛控制級。包括：車載硬件、操作系統(tǒng)、控制軟件、診斷軟件、監(jiān)視軟件以及維護工具。為了提高故障情況下列車的可用性，采取列車總線、車輛總線均雙通道、控制主機熱備份、自動主權(quán)轉(zhuǎn)移等冗余措施。列車故障診斷系統(tǒng)具有車載各部件故障數(shù)據(jù)的采集、分析、轉(zhuǎn)儲和顯示功能。故障等級劃分為嚴重故障、中等故障、輕微故障3個等級，通過司機臺上顯示器顯示故障信息，并可采用便攜式維護工具將其上傳到地面維修和服務(wù)系統(tǒng)中，用于長期儲存和深入的地面分析。

6.4 乘客信息系統(tǒng)

采用高度集成音頻、信息顯示和視頻監(jiān)控于一體的乘客信息系統(tǒng)包括顯示系統(tǒng)、列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)及廣播對講系統(tǒng)，為乘客提供高質(zhì)量的視音頻和文本信息，以及為運營控制中心提供視頻監(jiān)控和音頻監(jiān)聽功能。采用19英寸LCD彩色圖文顯示屏，每輛車8臺；通過無線寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接收信息，通過車載LCD播放控制器解碼后，在列車上的LCD顯示屏上實時播放，也可通過本地播放。在客室和兩端司機室將分別安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備，每輛車客室設(shè)置3套360°全景模擬攝像機，每個司機室設(shè)置1套彩色固定式半球形攝像頭。列車廣播對講系統(tǒng)由列車廣播、對講、LED點陣文字屏動態(tài)地圖顯示系統(tǒng)組成。

6.5 照明系統(tǒng)

客室照明采用節(jié)能環(huán)保的LED平面照明燈具，設(shè)計壽命不小于50 000 h，較熒光燈燈具能節(jié)能30%以上。在距地板面高800 mm處，照度不小于300 lux?？褪艺彰鞑捎?路獨立交錯4個驅(qū)動電源集中供電方案，與分散LED供電方案相比，電源集中供電利用LED恒流驅(qū)動的固有特點，不需要在每個燈具上附帶電源裝置，可維護性好，有效地解決了分散供電電源散熱和壽命不均勻的問題。外部照明由前照燈、尾燈、運行燈組成，采用DC110V供電。前照燈采用氙燈，尾燈采用低功耗的紅色LED燈，運行燈設(shè)有白色和紅色2套不聚焦的LED燈。

7 結(jié)束語

該項目車輛研制工作完成后，在廣州地鐵1、2、8號線完成了各項試驗，車輛各項技術(shù)指標達到了設(shè)計要求，2013年6月增購車輛正式投入運營。隨著我國城市軌道交通的蓬勃發(fā)展，搭建節(jié)能環(huán)保、智能化、高度國產(chǎn)化升級版的80 km/h速度等級A型地鐵產(chǎn)品平臺，將帶來顯著的經(jīng)濟及社會效益。

[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）.

[2] 柳曉峰，李耘蘢. 100 km/h速度等級A型地鐵車輛計[J]. 電力機車與城軌車輛，2010，33（1）.

[3] 柳曉峰，周利，曹增明. 上海軌道交通11號線南段車輛設(shè)計[J].電力機車與城軌車輛，2014（5）.

[4] 中國南車株機公司. 廣州市軌道交通一二八號線增購項目車輛技術(shù)規(guī)格書[G]. 湖南株洲：南車株機電力機車有限公司，2013.

責(zé)任編輯 冒一平

Development of Vehicles of Guangzhou Metro 1, 2, 8 Lines

Li Chunming, Li Jun, Peng Dongliang

Project for buying more vehicles based on the requirements of the Guangzhou metro, from design concept of safe, reliable, smart, environmental protection, and the vehicles uses advanced design software and provides a high percentage of localization, pantograph currenting, aluminum alloy car body of 80 km/h type A metro vehicles. This paper introduces main technical characteristics of the vehicles, and expounds the train formation and its main technical paramenters, and analyzes the vehicle main components and system.

metro vehicle, localization, vehicle design, aluminum alloy car body, system components

U266.2

2014-12-28

李春明：南車株洲電力機車有限公司技術(shù)中心，碩士研究生，工程師，湖南株洲 412001

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2011AA110503）