城市軌道交通車輛選型的研究

李逸群 張占周

(1. 西南交通大學機械工程學院 四川 成都 611730；2.石家莊市軌道交通有限責任公司 河北 石家莊 050035)

我國部分大城市如北京、上海、廣州等的軌道交通已形成網(wǎng)絡化運營，已開通線路均在15條以上，運營線路總長均超過450 km，并且仍在擴大。地鐵車輛的合理選型至關重要，下文主要從實際應用的角度出發(fā)，以石家莊市地鐵3號線為實例，針對地鐵車輛具體的選型過程進行分析，從而為合理制定地鐵車輛選型方案提供可靠的依據(jù)，供其他城市參考和借鑒。

1 車型選擇的原則

石家莊市軌道交通車輛在技術性能上要求應用成熟、易于管理和維護，故應遵循以下原則[1-2]。

(1)應以客流量為基礎?？土髁坑绍囕v型式、編組數(shù)量、發(fā)車間隔時間、列車運行速度和圖定對數(shù)等主要因素決定。

(2)應整體考慮既有線路的車輛類型。從資源共享的角度來看，新線車型的選擇應盡量與既有線車型兼容，合理配置現(xiàn)有車輛，提高車輛利用率。

(3)應做到標準統(tǒng)一，盡量實現(xiàn)車輛運營環(huán)境和車輛本身的接口互換性；提高兼容性，需在車輛選型時充分考慮與既有的供變電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、線路條件和站場條件等的匹配度。

(4)應選擇美觀舒適的車輛，以吸引更多的乘客，并盡量減少對周圍環(huán)境的影響。

2 車型對比分析

目前我國上海、廣州、深圳、南京的地鐵車輛使用A型車的線路較多；而北京、天津、武漢、大連則使用B型車的線路較多。兩種車型的主要應用參數(shù)如表1所示。

表1 A、B型車主要技術參數(shù)

從表1可以看出，兩種車型主要尺寸和軸重的差異必然會導致不同的土建、車輛購置和運營成本。

(1)客流量。一般情況下，6輛編組A型車的高峰斷面客流量比同樣6輛編組的B型車高出約27%。石家莊市軌道交通線網(wǎng)由6條線路組成，在線網(wǎng)規(guī)劃初始階段已經(jīng)將各條線路的作用、服務對象和服務水平進行了初步定位，1、2、3號線形成了線網(wǎng)的骨架結構。根據(jù)客流預測結果，1、2、3號線遠期高峰斷面客流規(guī)模在4萬人左右，從斷面客流來看，1、2、3號線處于同一運量級別。因此，在車輛選型上對于同一運量級別的線路應選擇相同車型，即3號線的車輛選型應與1號線保持一致，便于實現(xiàn)線網(wǎng)車輛維修資源的共享。

(2)土建工程規(guī)模。由表1可知，A型車比B型車寬0.2 m，必然導致建筑和設備限界比B型車有所增大。根據(jù)GB 50157—2003及《城市快速軌道交通工程項目建設標準》，A型車矩形隧道橫斷面積比B1型車增加11.5%，比B2型車增加4.9%。因此，土建工程施工量增加了約4%～12%。其次考慮車輛長度，其主要影響車站土建工程。經(jīng)計算，每增加1輛A型車，車站平面面積將增加約140 m2～170 m2，那么每個車站則增加土建投資約112萬元～136萬元。此外，車輛長度和寬度也會影響車輛段的土建施工規(guī)模。

(3)車輛購置費。車輛購置費與車輛單價和配置數(shù)量有關，目前我國A型車多為鋁合金車體，平均價格約為800萬元/輛；而B型車多為不銹鋼車體，平均價格約為600萬元/輛。經(jīng)估算，石家莊地鐵3號線如果配屬A型車6輛編組，遠景年運用車最多為312輛，如果配置B型車完成相同的運量，運用車則增加125輛，投資增加1.25億元。

(4)運營成本。目前我國關于A、B型車節(jié)能的爭議很大。龍百畫[3]在分析運營成本時，考慮了滿載和空載兩種極端情況。假設車輛人均載荷為60 kg/人，可計算出A、B型車滿載時的人均牽引負重分別為266.5 kg/人和284 kg/人，即滿載情況下B型車每運送1位乘客要比A型車多承擔17.5 kg的負荷。單從這方面考慮，A型車比B型車節(jié)能。但是當A型車滿載率等于80.6%時，即此時B型車能滿足運能要求，A、B型車滿載時的人均牽引負重分別為316 kg/人和284 kg/人。因此當A型車的滿載率在80.6%或以下時，B型車更節(jié)能。

(5)舒適度。根據(jù)客流預測資料，各車型3號線早高峰區(qū)間舒適度比較如表2所示。

表2 3號線不同編組舒適度比較表

經(jīng)過對不同編組舒適度的計算分析，A型車6輛編組舒適度最高，不超過4人/m2，主要集中在2～3人/m2；B型車7輛編組舒適度居中，不超過5人/m2，主要集中在2～3人/m2。從全日列車平均滿載率可以看出，B型車7輛編組只比A型車6輛編組高2%，且都達到了20%以上，因此均有較好的運營經(jīng)濟性。

綜上所述，A型車和B型車之間沒有本質區(qū)別，客流完成相同時的總采購成本亦相似。A型車較B型車工程投資略有增加，但A型車較B型車在運營成本上占有一定的優(yōu)勢。同時，考慮地下空間開發(fā)的不可逆性和前期設計的包容性，A型車的規(guī)模能包容運營B型車。借鑒了北京、上海、廣州、南京等城市在車輛選型上的經(jīng)驗，充分了解了目前國內外的車輛裝備水平和發(fā)展方向，綜合考慮該市的建設規(guī)劃條件和內容，經(jīng)過專家論證，本工程決定推薦選用A型車作為方案。該線路為市區(qū)骨干線路，途經(jīng)火車站、新百廣場等客流集散點，規(guī)劃全長62.3 km，全線共設車站33座，平均站間距1.2 km，預計最高車速80 km/h。

3 列車編組分析

列車編組除滿足運營組織和行車能力的要求外，還涉及列車編組技術領域的要求。A型車不同編組列車完成的客流量如表3所示。

表3 不同編組列車長度和客流量

通過對該市的客流量分析，中遠期高峰斷面客流量能達到5萬人/h左右，因此選擇6輛編組較為適宜，亦可滿足長遠需求。確定了每列6輛之后，就要考慮動拖比，動車數(shù)量的配置對車輛的黏著利用、啟動加速度、實際運營速度、全線圖定列數(shù)、電制動特性、故障運行能力、救援能力和車輛維修方面等均有影響。于振華等人[4]已經(jīng)對不同動拖比的列車進行過詳細分析，得出了以下公認的結論。

(1)假設全動車黏著系數(shù)為μ，則3M3T的黏著系數(shù)為2μ,4M2T的黏著系數(shù)為1.5μ，故列車編組中動拖比增大，黏著系數(shù)減小。

(2)整車編組中，動拖比增大對提高列車的平均啟動加速度有決定性作用。

(3)由于動車的配置會影響平均啟動加速度，因此不可避免地會影響實際運營速度。

(4)3號線全長62.3 km，已得知4M2T編組的平均運營速度為38 km/h，3M3T編組為36 km/h，假設線路遠期高峰間隔時間為2 min，折返時間為2 min，則4M2T編組所需運營的列車總數(shù)為29.58列，3M3T為31.3列。

(5)在AW3負載下，4M2T編組的列車在恒電制動力階段則基本不需補充空氣制動，可減少閘瓦或閘片的磨耗。

(6)在1輛動車喪失動力的情況下，3M3T編組的動力占33.3%，幾乎不能維持運行到終點，會打亂運行圖。4M2T編組的動力約占50%，基本上可以在不干擾運行圖的情況下保持正常運行，但單軸牽引力較4M2T有所增加，黏著系數(shù)亦增加。

(7)一列3M3T編組的空載列車很難在坡道上救援另一列3M3T編組的故障列車。啟用高加速開關后的黏著系數(shù)已高達0.22以上，干燥平直軌面可以啟動，潮濕的彎道可能會存在問題。

(8)在受電弓方式下，4M2T編組車型種類比3M3T少，沒有中間拖車，車輛段內的備品備件種類相對較少。另外4M2T編組在段內可分解為2個獨立的2M1T可動單元，使用維護更加靈活多變。而3M3T編組每輛車之間均為半永久牽引桿聯(lián)接，只能為一整體，不宜拆解。

綜上所述，4M2T編組形式的各項性能指標均優(yōu)于3M3T，故3號線最終推薦采用初、近、遠期6輛4M2T編組形式的方案，其中每輛動車配置1組牽引逆變裝置，1C4M的控制方式。

4 結論

上文通過對石家莊地鐵3號線進行車輛選型實例分析，得到了以下結論。

(1) 該市3號線為市區(qū)骨干線路，綜合考慮該市的實際發(fā)展水平和近遠期客流預測分析，決定選用A型車。

(2) 通過對車輛的黏著利用、啟動加速度、實際運營速度、全線圖定列數(shù)、電制動特性、故障運行能力、救援能力和維修等方面的分析，得知4M2T編組形式的各項性能指標均優(yōu)于3M3T，故該市3號線選用6輛編組4M2T形式。

該結果與1號線可研車輛選型結果一致，保證了線網(wǎng)車輛制式的統(tǒng)一性，為線網(wǎng)資源的共享提供了基礎。