城市軌道交通車(chē)輛選型相關(guān)技術(shù)因素分析

劉玉文 尤維秀

(1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司,266111，青島; 2.中車(chē)四方車(chē)輛有限公司,266111,青島∥第一作者，教授級(jí)高級(jí)工程師)

城市軌道交通車(chē)輛選型相關(guān)技術(shù)因素分析

劉玉文1尤維秀2

(1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司,266111，青島; 2.中車(chē)四方車(chē)輛有限公司,266111,青島∥第一作者，教授級(jí)高級(jí)工程師)

分析了目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行的各型式軌道交通車(chē)輛的技術(shù)規(guī)格。說(shuō)明了如何根據(jù)客流量對(duì)車(chē)輛型式進(jìn)行初步選擇,并分析了線(xiàn)路狀況、投資能力、互聯(lián)互通要求及全壽命費(fèi)用對(duì)車(chē)輛型式選擇的影響。詳細(xì)討論了車(chē)輛的車(chē)體材料、電氣牽引及輔助供電系統(tǒng)、車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)門(mén)及空調(diào)系統(tǒng)等主要系統(tǒng)的選擇。

城市軌道交通; 車(chē)輛選型; 技術(shù)因素

城市軌道交通車(chē)輛的選型,不僅關(guān)乎先期投入和后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本,也關(guān)乎乘客的乘坐安全性、舒適度和總體滿(mǎn)意度,因而需要進(jìn)行全方位論證。

目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)行的軌道交通車(chē)輛主要為A型車(chē)、B型車(chē)、Lb型車(chē)、Lc型車(chē),以及其他類(lèi)型的車(chē)輛。各型式城市軌道交通車(chē)輛的主要技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 各型式城市軌道交通車(chē)輛技術(shù)規(guī)格

1 與車(chē)輛選型式有關(guān)的技術(shù)因素

1.1 客流量與車(chē)輛型式的關(guān)系

客流量是車(chē)輛選型的基礎(chǔ)。在完成客流量后預(yù)測(cè),可根據(jù)表2對(duì)車(chē)輛型式做出初步選擇。

初步選擇車(chē)輛型式后,首先，根據(jù)列車(chē)運(yùn)行間隔時(shí)間可計(jì)算線(xiàn)路單向高峰小時(shí)斷面通過(guò)列車(chē)數(shù)n;然后，即可得到1列列車(chē)的最大載員P1=單向高峰小時(shí)客流量/n;最后，根據(jù)預(yù)算的列車(chē)編組數(shù)n1,即可得到每節(jié)車(chē)輛的最大載員P2=P1/n1。

表2 車(chē)型選擇與高峰客流量[2]

根據(jù)上述計(jì)算,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各車(chē)型單輛車(chē)載員和可選擇的列車(chē)編組數(shù)(見(jiàn)表3),最終確定車(chē)輛型號(hào)和列車(chē)編組。

表3 各車(chē)型單車(chē)載員和可供選擇的列車(chē)編組

1.2 線(xiàn)路狀況與車(chē)輛型式的關(guān)系

線(xiàn)路狀況中影響車(chē)輛型式選擇的主要因素是坡度和最小半徑曲線(xiàn)。根據(jù)相關(guān)范圍各車(chē)型的適應(yīng)情況見(jiàn)表4。

1.3 當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和投資能力對(duì)車(chē)輛型式的影響

車(chē)輛型式可根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)能力,情況作不同的選擇。經(jīng)濟(jì)條件好的城市,可選擇較高檔次的車(chē)輛,也可通過(guò)增加座椅數(shù)量,或增加人均站立面積來(lái)增加乘客舒適性;即使選擇同檔次車(chē)型,也可以通過(guò)提高內(nèi)裝材質(zhì),或升級(jí)旅行信息娛樂(lè)設(shè)施等手段來(lái)提升服務(wù)質(zhì)量。

1.4 互聯(lián)互通要求

如果待建線(xiàn)路與既有線(xiàn)路或干線(xiàn)鐵路有互聯(lián)互通要求,則待建線(xiàn)路所選車(chē)輛應(yīng)按不同需求調(diào)整。

表4 各車(chē)型可通過(guò)的最小半徑曲線(xiàn)和坡度

如果待建線(xiàn)路與既有線(xiàn)路或干線(xiàn)鐵路有共用站臺(tái),則待建線(xiàn)路選擇車(chē)輛時(shí)還要考慮運(yùn)輸能力的匹配。

如待建線(xiàn)路與既有線(xiàn)路或干線(xiàn)鐵路共用部分線(xiàn)路,則待建線(xiàn)路選擇車(chē)輛時(shí),不僅要考慮車(chē)輛運(yùn)輸能力的匹配,還要考慮車(chē)輛車(chē)型的匹配(包括限界、供電電壓與供電方式、站臺(tái)高度等)的一致性。

1.5 全壽命費(fèi)用對(duì)車(chē)輛型式選擇的影響

目前,國(guó)內(nèi)城市軌道交通車(chē)輛以A型車(chē)和B型車(chē)為主,Lb型車(chē)也有較大份額。選擇市場(chǎng)占有率高的車(chē)型,不會(huì)改變線(xiàn)路要求的車(chē)輛載員及列車(chē)最大運(yùn)行速度等參數(shù)。但由于這些車(chē)型經(jīng)過(guò)多輪次設(shè)計(jì)、制造和長(zhǎng)期運(yùn)行,產(chǎn)品投入運(yùn)營(yíng)后,配件和售后服務(wù)可以得到更好保障,可確保配件采購(gòu)周期,降低車(chē)輛維護(hù)運(yùn)營(yíng)成本。

2 車(chē)輛主要系統(tǒng)選擇

2.1 車(chē)體材料

目前,城市軌道交通車(chē)輛常用的車(chē)體材料有不銹鋼、鋁合金和碳鋼3大類(lèi)。碳鋼車(chē)體存在強(qiáng)度低、重量大、能耗高、腐蝕重、維修量大、使用壽命短等不足,已逐漸被不銹鋼和鋁合金材料取代。城市軌道交通車(chē)輛運(yùn)行速度較低,氣密性對(duì)乘客的影響可忽略不計(jì)。不銹鋼車(chē)體和鋁合金車(chē)體的性能比較見(jiàn)表5。

由表5可見(jiàn),不銹鋼車(chē)體不僅具有更高的安全性和耐腐蝕性,而且在后期維護(hù)保養(yǎng)過(guò)程中,其養(yǎng)護(hù)更簡(jiǎn)單、成本更低,對(duì)運(yùn)營(yíng)商的其他投入要求也更低。因此建議采用不銹鋼車(chē)體。

2.2 電氣牽引及輔助供電系統(tǒng)

2.2.1 列車(chē)供電型式

全球范圍內(nèi),城市軌道交通的供電電壓有DC 600 V、DC 750 V、DC 825 V、DC 1 500 V和DC 3 000 V等多個(gè)等級(jí)。按我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),城市軌道交通車(chē)輛采用DC 1 500 V和DC 750 V兩種電壓制式。其中，DC 1 500 V電壓多采用架空接觸網(wǎng)供電方式,DC 750 V電壓多采用第三軌供電方式。

DC 1 500 V弓網(wǎng)供電系統(tǒng)在同樣功率下,供電距離可達(dá)DC 750 V的1.3倍以上,可減少變電所數(shù)量,降低固定設(shè)備投入;其輸送同樣功率的電能時(shí),所需供電電流也僅為DC 750 V供電方的一半,線(xiàn)路耗電較少,運(yùn)營(yíng)成本較低;又因DC 1 500 V供電系統(tǒng)的電氣設(shè)備體積小,故所需安裝空間更小,便于設(shè)備布置和散熱,可提高設(shè)備可靠性,提高車(chē)輛使用壽命。另外,當(dāng)列車(chē)速度>100 km/h,特別是>120 km/h時(shí),不宜采用DC 750 V供電。

DC 750 V第三軌供電系統(tǒng)在列車(chē)運(yùn)行中不受風(fēng)速影響;車(chē)輛VVVF(變壓變頻調(diào)速)逆變器功率元件成本更低,接觸軌材料為鋼材,且無(wú)需上部受流空間,可降低隧道的結(jié)構(gòu)高度,由此降低維護(hù)、材料費(fèi)用,降低工程造價(jià),降低運(yùn)營(yíng)商的先期投入。

表5 不銹鋼和鋁合金車(chē)體對(duì)比

除此以外,弓網(wǎng)受電系統(tǒng)較受流器系統(tǒng)斷電區(qū)更小,可減少列車(chē)上母線(xiàn)的配置,高壓過(guò)橋線(xiàn)的配置,也避免了斷電區(qū)過(guò)長(zhǎng)、高壓設(shè)備承受瞬間斷電、上電對(duì)高壓設(shè)備的影響,進(jìn)而延長(zhǎng)了這些設(shè)備的使用壽命,從而延長(zhǎng)車(chē)輛的使用壽命。綜上所述,建議采用DC 1 500 V弓網(wǎng)受電系統(tǒng)。

2.2.2 列車(chē)動(dòng)力配置

城市軌道交通車(chē)輛中,動(dòng)車(chē)在編組中所占比例(動(dòng)車(chē)比率)影響列車(chē)的技術(shù)速度、旅行速度等性能,對(duì)列車(chē)牽引性能、制動(dòng)性能、輪軌間粘著系數(shù)的利用等均有不同的影響,從而進(jìn)一步影響列車(chē)的起動(dòng)加速度、平均加速度及最大電制動(dòng)減速度等。目前,我國(guó)城市軌道交通車(chē)輛的主流動(dòng)車(chē)比率是2:1和1:1。

如果動(dòng)車(chē)比率2:1的列車(chē)有一個(gè)牽引動(dòng)力單元發(fā)生故障,仍剩余1:1的動(dòng)力比率,其起動(dòng)加速度仍可維持列車(chē)正常運(yùn)營(yíng);而動(dòng)車(chē)比率為1:1的列車(chē),一且1個(gè)牽引動(dòng)力單元發(fā)生故障，則僅剩余33%的動(dòng)力,故列車(chē)一般會(huì)在清客后退出運(yùn)營(yíng)。

動(dòng)車(chē)比率為2:1的列車(chē),可選用較小功率的電機(jī),而整列車(chē)的總軸功率與1:1的動(dòng)車(chē)比率相近。這樣將提高黏著重量的使用率,提高黏著力,進(jìn)而提高加速度和列車(chē)旅行速度,提高線(xiàn)路運(yùn)力。

較高的動(dòng)車(chē)比率,有利于產(chǎn)生較大的電制動(dòng)力,減少空氣制動(dòng)的使用,降低閘瓦磨耗,降低車(chē)輛運(yùn)營(yíng)成本。

動(dòng)車(chē)比率為2:1的列車(chē)會(huì)因?yàn)楦邏弘姎庀?、牽引變流器、牽引電機(jī)及齒輪箱和制動(dòng)電阻等動(dòng)車(chē)專(zhuān)用配置而導(dǎo)致初期購(gòu)置成本的增加,但動(dòng)車(chē)和拖車(chē)的后期維護(hù)成本相差無(wú)幾。

所以,在預(yù)算充足的情況下,建議選擇動(dòng)車(chē)比率較大的動(dòng)力配置。

2.2.3 輔助系統(tǒng)供電方式

目前,車(chē)輛輔助系統(tǒng)供電方式主要有交叉供電、擴(kuò)展供電及并網(wǎng)供電3種。

交叉供電采用2個(gè)(或多個(gè))大容量的輔助逆變器為列車(chē)供電,每輛車(chē)的負(fù)載由2個(gè)逆變器共同提供電源。車(chē)輛采用該供電方式時(shí),需布置2套供電電纜,因而車(chē)端過(guò)橋線(xiàn)較多,提高了整車(chē)成本,其車(chē)輛故障率較高。

擴(kuò)展供電采用2個(gè)(或多個(gè))大容量的輔助逆變器為列車(chē)供電。當(dāng)1臺(tái)逆變器故障時(shí),可通過(guò)擴(kuò)展供電方式對(duì)另1單元提供電源。此工況下,空調(diào)系統(tǒng)需減載運(yùn)行。

并網(wǎng)供電是采用多個(gè)中等容量的輔助逆變器,通過(guò)并網(wǎng)方式對(duì)整列車(chē)進(jìn)行供電。即使單個(gè)逆變器發(fā)生故障,其余逆變器的容量也足夠滿(mǎn)足整列列車(chē)的負(fù)載,因而列車(chē)不必停運(yùn)。

鑒于此,項(xiàng)目執(zhí)行中,建議采用并網(wǎng)供電,以適當(dāng)降低車(chē)輛制造成本,降低車(chē)輛故障率。當(dāng)1個(gè)輔助逆變器發(fā)生故障時(shí),列車(chē)輔助電源系統(tǒng)不會(huì)受影響,輔助逆變器本身也不會(huì)受到負(fù)載變化的沖擊。

2.3 車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)

2.3.1 制動(dòng)型式

目前,國(guó)內(nèi)地鐵車(chē)輛普遍采用電制動(dòng)。常用電制動(dòng)有電阻制動(dòng)和再生制動(dòng)2種方式。

電阻制動(dòng)具有吸收電能比較穩(wěn)定,成本低、簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)其應(yīng)用更為廣泛。但制動(dòng)能量消耗在電阻上,無(wú)法加以利用,且產(chǎn)生大量熱量,給環(huán)境造成一定影響。

再生制動(dòng)的優(yōu)勢(shì)是利于能量的回收、利用,但需要在車(chē)上或變電所安裝儲(chǔ)能設(shè)備。且由于儲(chǔ)能設(shè)備體積較大,而軌道車(chē)輛空間有限,所以?xún)?chǔ)能設(shè)備一般安裝于地面。儲(chǔ)能制動(dòng)是車(chē)輛制動(dòng)的發(fā)展方向。

2.3.2 基礎(chǔ)制動(dòng)型式

如果能確保電制動(dòng)性能良好,則大比例的制動(dòng)能量可由性能良好的電制動(dòng)承擔(dān),而基礎(chǔ)制動(dòng)可采用踏面制動(dòng)方式。但現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目中,經(jīng)常發(fā)生電制動(dòng)未發(fā)揮正常功能,從而出現(xiàn)制動(dòng)力不足的情況。這種情況會(huì)使基礎(chǔ)制動(dòng)承擔(dān)大比例的制動(dòng)能量,從而導(dǎo)致車(chē)輪發(fā)生踏面異常磨耗。

由此建議基礎(chǔ)制動(dòng)采用輪盤(pán)或軸盤(pán)制動(dòng)系統(tǒng)。與踏面制動(dòng)系統(tǒng)相比,輪盤(pán)或軸盤(pán)制動(dòng)系統(tǒng)可減少制動(dòng)熱量對(duì)車(chē)輪的影響,從而延長(zhǎng)車(chē)輪的生命周期,降低車(chē)輪的鏇修工作量,降低車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

2.4 車(chē)門(mén)

目前,城市軌道交通車(chē)輛使用的客室側(cè)門(mén)主要有塞拉門(mén)、內(nèi)移門(mén)、外掛門(mén),外掛密閉門(mén)4種,由于我國(guó)城市軌道交通車(chē)輛客流量的特殊性,具體車(chē)輛選型時(shí),要根據(jù)車(chē)輛載客量、運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路、車(chē)輛運(yùn)行速度、密封性、車(chē)內(nèi)噪聲要求等具體特點(diǎn),選擇合適的種類(lèi)。

2.4.1 車(chē)門(mén)類(lèi)型選擇

在車(chē)輛對(duì)密封性、車(chē)內(nèi)噪聲要求較高,或要求客室側(cè)門(mén)與車(chē)輛外表面平齊的情況下,在車(chē)輛軸重符合合同要求的基礎(chǔ)上,推存選擇塞拉門(mén)。目前,塞拉門(mén)的密封性是最好的。

在車(chē)輛對(duì)密封性和車(chē)內(nèi)噪聲要求不高的情況下,應(yīng)側(cè)重考慮內(nèi)藏門(mén)。內(nèi)藏門(mén)具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)保養(yǎng)方便、占用客室內(nèi)空間少的優(yōu)勢(shì),在車(chē)輛載客量較大的線(xiàn)路上可更好地保障車(chē)輛安全運(yùn)行。

在車(chē)輛對(duì)隔熱性能要求較高、車(chē)輛載客量及客室空間要求較大的情況下,應(yīng)側(cè)重考慮外掛門(mén)。外掛門(mén)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電氣部分安裝在車(chē)內(nèi),承載導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、兩扇門(mén)頁(yè)安裝在車(chē)輛外部。這一特點(diǎn)解決了座椅安裝與車(chē)門(mén)運(yùn)動(dòng)相干涉、乘客太多關(guān)不上門(mén)等問(wèn)題,且有利于提高門(mén)口側(cè)墻的隔熱性能。

外掛密閉門(mén)具有外掛門(mén)的所有優(yōu)點(diǎn),而且在關(guān)閉的最后階段有微量的塞緊運(yùn)動(dòng),故車(chē)門(mén)與門(mén)框間有更好的密封性。

2.4.2 車(chē)門(mén)凈開(kāi)度計(jì)算

車(chē)輛載工況下的乘客數(shù)量和列車(chē)停站時(shí)間,決定了客室側(cè)門(mén)數(shù)量及車(chē)門(mén)凈開(kāi)度尺寸。即

式中：

S——每個(gè)人的占地面積;

n——流動(dòng)的人數(shù)(上下車(chē)總?cè)藬?shù));

e——車(chē)門(mén)開(kāi)度;

t——停站時(shí)間;

Q——表示流量,即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的客流所占面積;

v——人的步行速度,一般為1.03～1.28 m/ s,取1.2 m/s。

計(jì)算所得的車(chē)門(mén)開(kāi)度需要按EN 14752進(jìn)行修正。如果計(jì)算結(jié)果小于標(biāo)準(zhǔn)要求,則按標(biāo)準(zhǔn)最小要求設(shè)置;如果計(jì)算結(jié)果大于標(biāo)準(zhǔn)要求,則執(zhí)行計(jì)算結(jié)果。

2.5 空調(diào)

空調(diào)機(jī)組按結(jié)構(gòu)形式可分為車(chē)頂單元式和分體式兩大類(lèi)。

車(chē)頂單元式空調(diào)具有結(jié)構(gòu)緊湊,接口簡(jiǎn)單,安裝方便,質(zhì)量、體積小,整體性強(qiáng),可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)主要是由于冷凝器散熱位置接近新風(fēng)口,故在車(chē)輛靜止?fàn)顟B(tài)下,易造成冷凝風(fēng)短路,增大新風(fēng)熱負(fù)荷;而且，因機(jī)組位于車(chē)頂,故檢修維護(hù)作業(yè)時(shí)維修人員登頂作業(yè),或需使用起吊裝置卸下機(jī)組。

分體式空調(diào)分為車(chē)上(蒸發(fā)器)和車(chē)下(冷凝器)2部分。這不僅有利于車(chē)輛均衡配重,而且檢修更換時(shí)也無(wú)需特殊場(chǎng)地,設(shè)備日常維護(hù)和故障處理更方便。同時(shí)，分體式空調(diào)在制冷工況不會(huì)造成額外的熱負(fù)荷,阻塞工況時(shí)新風(fēng)口也不會(huì)產(chǎn)生熱量淤積。這提升了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)極端工況的能力。

分體式空調(diào)貫穿車(chē)內(nèi)的冷媒管路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。若對(duì)低溫管路隔熱處理不當(dāng),易產(chǎn)生冷凝結(jié)露。而冷媒管路又因多采用焊接方式連接,故對(duì)施工質(zhì)量要求較高,且故障點(diǎn)較多；在交變載荷作用下,易發(fā)生斷裂及滲漏情況。額外增加的殼體和框架等也增加了系統(tǒng)總重量。此外,由于冷凝系統(tǒng)位于車(chē)下,環(huán)境相對(duì)較差,因而濾網(wǎng)更換周期短,維護(hù)成本高。

綜上所述,推薦采用車(chē)頂單元式空調(diào)。

3 結(jié)語(yǔ)

具體項(xiàng)目的車(chē)輛選型,一方面可采用正向的確定方式,即根據(jù)上述計(jì)算和建議,逐步確定車(chē)輛型式;另一種方面還可采用逆向方式,即先根據(jù)城市經(jīng)濟(jì)實(shí)力和工程預(yù)算,預(yù)定某種型式的車(chē)輛,然后再根據(jù)上述數(shù)據(jù)和分析,逐項(xiàng)驗(yàn)證,最終選出適合本地情況和項(xiàng)目要求的車(chē)輛。

[1] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.地鐵車(chē)輛通用技術(shù)條件:GB/T 7928—2003 [S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[2] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.城市公共交通分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn):CJJ/T 114—2007[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[3] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城市軌道交通直線(xiàn)電機(jī)車(chē)輛通用技術(shù)條件:CJ/T 310—2009[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[4] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.低地板有軌電車(chē)車(chē)輛通用技術(shù)條件:CJ/T417—2012[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[4] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.跨座式單軌交通車(chē)輛通用技術(shù)條件:CJ/T287—2008[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

Analysis of the Related Technical Factors in Urban Rail Transit Vehicle Type Selection

LIU Yuwen, YOU Weixiu

The key technical parameters of different urban rail transit(URT) rolling stocks are analyzed, the preliminary selection of URT rolling stocks is explained based on an analysis of the line conditions, investment capability, requirements of interworking and interconnection, life circle cost. The carbody materials, electric traction, auxiliary power supply, braking system, vehicle door and air-condition system are discussed in detail for the selection of URT vehicles.

urban rail transit; vehicle type selection; technical

CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.,266111，Qingdao,China

U 270.9; U 293.13

10.16037/j.1007-869x.2017.03.032

2016-04-12)