下一代地鐵列車創(chuàng)新設(shè)計(jì)

劉 玉 文，丁 叁 叁，尤 維 秀

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中車四方車輛有限公司，山東 青島 266111)

下一代地鐵列車(圖1)聚焦研究系統(tǒng)集成技術(shù)，突破了高適應(yīng)性走行系統(tǒng)、高強(qiáng)度輕量化承載結(jié)構(gòu)與輕質(zhì)量高強(qiáng)度復(fù)合材料相結(jié)合的高性能車體、雙源制供電的新型傳動(dòng)系統(tǒng)、全能量反饋動(dòng)力制動(dòng)和新型復(fù)合材料高效能基礎(chǔ)制動(dòng)、全息化狀態(tài)監(jiān)測和在途預(yù)警主動(dòng)運(yùn)維支持、輕量化高能效輔助供電等關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 下一代地鐵列車外形圖

1 下一代地鐵列車技術(shù)路線及技術(shù)指標(biāo)

1.1 技術(shù)路線

下一代地鐵列車采取“設(shè)計(jì)—仿真分析—臺(tái)架試驗(yàn)—線路試驗(yàn)”循環(huán)迭代、反復(fù)驗(yàn)證、系統(tǒng)優(yōu)化的科學(xué)研發(fā)流程，循序漸進(jìn)，全面創(chuàng)新。

本文基于設(shè)計(jì)研發(fā)工作中形成的譜系化和模塊化設(shè)計(jì)平臺(tái)，對下一代地鐵列車的性能需求進(jìn)行技術(shù)分析，對地鐵列車的頂層技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分解，對地鐵運(yùn)營維護(hù)重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行量化。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

1.2.1 列車級指標(biāo)

(1) 車輛最高設(shè)計(jì)速度為 140 km/h。以 GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》 規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)A型車為基準(zhǔn)，列車降噪不小于 5 dB，減重不小于 13%，節(jié)能不小于 20%。

(2) 車輛防火性能滿足 EN 45545-2：2013《鐵路應(yīng)用 鐵路車輛的防火》 和 CJ/T 416—2012《城市軌道交通車輛防火要求》 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(3) 車輛碰撞耐受性滿足 EN 15227：2008《鐵路應(yīng)用 鐵路車輛車體防撞性要求》 C-Ⅱ等級的要求。

1.2.2 系統(tǒng)級指標(biāo)

(1) 完成柔性徑向直驅(qū)轉(zhuǎn)向架研制，轉(zhuǎn)向架最高設(shè)計(jì)速度140 km/h，適應(yīng)80 km/h、100 km/h、120 km/h速度等級運(yùn)行，適應(yīng)最大軸重16 t。

(2) 完成輕量化車體研制，車體強(qiáng)度滿足EN 12663-1:2010《鐵路應(yīng)用 鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》P-Ⅲ等級的要求。

(3) 研制基于永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)的雙源制牽引系統(tǒng)，適用于直流電網(wǎng)和車載儲(chǔ)能裝置等多種供電模式，與傳統(tǒng)交流異步電動(dòng)機(jī)牽引系統(tǒng)相比，額定工況下永磁電動(dòng)機(jī)工作效率達(dá)94%，噪聲(A計(jì)權(quán)聲級)降低5 dB。

(4) 形成基于多網(wǎng)融合技術(shù)的列車網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，列車級、車輛級控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸帶寬分別為100 Mb/s、1 Gb/s，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)技術(shù)在軌道車輛平臺(tái)的應(yīng)用。

(5) 研制高冗余度輔助供電系統(tǒng)，具備并網(wǎng)供電功能，冗余性強(qiáng)，系統(tǒng)單路故障時(shí)整車輔助用電設(shè)備仍可滿額運(yùn)行；額定工況下逆變器工作效率達(dá)92%，與同等級的高冗余度輔助電源相比，容量密度由100 VA/kg提高至150 VA/kg。

(6) 研制列車安全狀態(tài)實(shí)時(shí)故障診斷設(shè)備。

(7) 研制一套基于歷史故障鏈的專家系統(tǒng)和智能維保設(shè)備。

2 下一代地鐵列車技術(shù)創(chuàng)新

下一代地鐵列車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在列車靈活編組、牽引及供電裝置、制動(dòng)系統(tǒng)、自適應(yīng)輕量化轉(zhuǎn)向架、輕量化氣密車體、快速網(wǎng)絡(luò)、全息化狀態(tài)監(jiān)測和在途預(yù)警主動(dòng)運(yùn)維、空調(diào)系統(tǒng)、氣動(dòng)設(shè)計(jì)、噪聲管理及減阻節(jié)能等方面。

2.1 列車靈活編組

下一代地鐵列車采用動(dòng)力、制動(dòng)及控制單元式配置，自適應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)，快速編解車端連接系統(tǒng)及在線編解技術(shù)，編組數(shù)量為2～12輛，編解時(shí)間小于5 min。

列車端部2輛動(dòng)車為1個(gè)基本單元，2個(gè)基本單元組成4輛編組列車，中間可隨意增加動(dòng)拖車或多單元重聯(lián)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)靈活編組。牽引、制動(dòng)及各系統(tǒng)均按此原則布置，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別。下一代地鐵列車編組見圖2。

圖2 下一代地鐵列車編組圖

2.2 牽引及供電裝置

采用單臂弓受流、架空DC 1 500 V及儲(chǔ)能裝置DC 750 V雙源制供電，混合SIC軸控牽引變流器，永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，2動(dòng)1拖為一個(gè)動(dòng)力單元，減重約15%，傳動(dòng)效率提高5%，啟動(dòng)加速度1.0 m/s2?？蓪?shí)現(xiàn)無電網(wǎng)運(yùn)行，自動(dòng)力回送 ，跨線運(yùn)行，為互聯(lián)互通奠定了基礎(chǔ)。

2.2.1 輔助供電

輔助供電的基本單元為2臺(tái)輔助逆變器(SIV)+1臺(tái)蓄電池，高頻并網(wǎng)供電。采用大功率高頻變壓器，應(yīng)用諧振軟開關(guān)技術(shù)、錯(cuò)相控制技術(shù)，同時(shí)采用全SIC變流裝置、鈦酸鋰電池及CFRP機(jī)箱，使輔助供電系統(tǒng)具有輕量化、噪聲低、冗余性高的特點(diǎn)。

2.2.2 氫能源輔助供電

氫燃料電池供電系統(tǒng)主要包括燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)，具有清潔、環(huán)保、噪聲低、容量密度高、可持續(xù)供電的優(yōu)勢，既可用于空調(diào)系統(tǒng)供電，也可為列車啟動(dòng)階段峰值功率補(bǔ)充及車載儲(chǔ)能單元充電。

2.3 制動(dòng)系統(tǒng)

下一代地鐵列車采用微機(jī)控制直通式電空制動(dòng)及單元級分布式EBCU，可適應(yīng)靈活編組。常用制動(dòng)采用速度-黏著的減速度控制，緊急制動(dòng)采用恒減速度控制，具有空重車調(diào)整功能，防滑軸控?；A(chǔ)制動(dòng)采用大容量鋁基/碳陶復(fù)合材料制動(dòng)盤。風(fēng)源系統(tǒng)采用環(huán)保的無油空壓機(jī)。常用制動(dòng)為電空復(fù)合制動(dòng)，電制動(dòng)優(yōu)先，電制動(dòng)可發(fā)揮到零速，實(shí)現(xiàn)全能量反饋動(dòng)力制動(dòng)。緊急制動(dòng)為純空氣制動(dòng)。

為簡化系統(tǒng)，提高響應(yīng)速度和精度，同步研制電機(jī)械基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)，以取代電空制動(dòng)系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)間≤0.5 s，制動(dòng)控制精度誤差≤5%，并可取消制動(dòng)配管。

2.4 自適應(yīng)輕量化轉(zhuǎn)向架

下一代地鐵列車融合碳纖維構(gòu)架及各種輕量化高性能部件、主動(dòng)控制徑向裝置、全主動(dòng)橫向減振系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架感知與診斷系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，研制了主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架、碳纖維轉(zhuǎn)向架及永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架，3種轉(zhuǎn)向架接口相同，可根據(jù)需要互換裝車。輕量化高性能部件可有效提升轉(zhuǎn)向架及整車的動(dòng)態(tài)性能，質(zhì)量輕，輪軌力小，磨耗輕，噪聲低，線路適應(yīng)性強(qiáng)，動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)越。轉(zhuǎn)向架最高運(yùn)行速度140 km/h，最大軸重16 t，最小通過曲線半徑R80 m。

2.4.1 主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架

主動(dòng)徑向轉(zhuǎn)向架為2軸二系無搖枕轉(zhuǎn)向架。采用U形梁H型全鋼焊接構(gòu)架，一系轉(zhuǎn)臂+主動(dòng)徑向定位，兼容傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臂定位結(jié)構(gòu)；二系采用空氣彈簧、全主動(dòng)橫向減振器、抗側(cè)滾扭桿、四點(diǎn)式高度閥和差壓閥高度調(diào)整裝置；采用橡膠堆式中央牽引裝置?；A(chǔ)制動(dòng)采用輪盤制動(dòng)，每軸設(shè)停放制動(dòng)。動(dòng)車轉(zhuǎn)向架電動(dòng)機(jī)剛性架懸，平行軸式一級齒輪傳動(dòng)。該轉(zhuǎn)向架主要特點(diǎn)為質(zhì)量輕，線路適應(yīng)性強(qiáng)，輪軌作用力小，磨耗低，動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)越。

2.4.2 永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架

永磁直驅(qū)轉(zhuǎn)向架為2軸二系無搖枕轉(zhuǎn)向架。采用雙T型彈性鉸接式柔性構(gòu)架，轉(zhuǎn)臂定位結(jié)構(gòu)，可兼容一系轉(zhuǎn)臂+主動(dòng)徑向定位；二系采用空氣彈簧、全主動(dòng)橫向減振器、抗側(cè)滾扭桿、四點(diǎn)式高度閥和差壓閥高度調(diào)整裝置；采用橡膠堆式中央牽引裝置?；A(chǔ)制動(dòng)采用輪盤制動(dòng)，每軸設(shè)停放制動(dòng)。采用架懸式永磁同步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。該轉(zhuǎn)向架主要特點(diǎn)為轉(zhuǎn)向架簧下質(zhì)量小，運(yùn)行噪聲低，輪軌作用力小，磨耗低，線路適應(yīng)性強(qiáng)，動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)越。

2.4.3 碳纖維轉(zhuǎn)向架

碳纖維轉(zhuǎn)向架為2軸二系懸掛無搖枕拖車轉(zhuǎn)向架。采用碳纖維復(fù)合材料構(gòu)架，碳纖維附加氣室，一系雙彈簧彈性拉板式定位結(jié)構(gòu)；二系采用空氣彈簧、全主動(dòng)橫向減振器、抗側(cè)滾扭桿、四點(diǎn)式高度閥和差壓閥高度調(diào)整裝置；采用橡膠堆式中央牽引裝置?；A(chǔ)制動(dòng)采用輪盤制動(dòng)，制動(dòng)盤為碳陶制動(dòng)盤，每軸設(shè)停放制動(dòng)。轉(zhuǎn)向架主要特點(diǎn)為質(zhì)量輕，安全系數(shù)高，結(jié)構(gòu)簡潔，線路適應(yīng)性強(qiáng)，輪軌作用力小，構(gòu)架耐腐蝕性好，全壽命費(fèi)用低。

2.5 輕量化氣密車體

下一代地鐵列車突破復(fù)合材料輕量化設(shè)計(jì)，大部件采用激光焊、不銹鋼厚板激光-MIG復(fù)合焊、不銹鋼和鋁合金防電化學(xué)腐蝕等關(guān)鍵技術(shù)，研制了氣密性好、高強(qiáng)度、高剛度、輕量化的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)及鋼鋁復(fù)合車體。系統(tǒng)掌握了材料、鋪層及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、成型、檢驗(yàn)及試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)，完成了列車主結(jié)構(gòu)向CFRP遷移的技術(shù)準(zhǔn)備。

采用CFRP結(jié)構(gòu)的車體可以使單車減重35%，強(qiáng)度滿足EN 12663-1:2010標(biāo)準(zhǔn)要求。

防撞吸能結(jié)構(gòu)滿足減重30%，撞擊性能滿足 EN 15227:2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

鋼-鋁復(fù)合車體滿足減重10%，強(qiáng)度滿足EN 12663-1:2010標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.6 快速網(wǎng)絡(luò)

基于控制以太網(wǎng)和控制技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建新型列車控制網(wǎng)絡(luò)，由列車ETB骨干網(wǎng)+車輛ECN環(huán)網(wǎng)組成，列車級、車輛級傳輸帶寬分別達(dá)到100 Mb/s、1 Gb/s。列車控制網(wǎng)絡(luò)整合TCMS、PIS、CCTV和信號(hào)等系統(tǒng)，感知服務(wù)網(wǎng)整合智能運(yùn)維與娛樂系統(tǒng)。列車控制網(wǎng)絡(luò)與感知服務(wù)網(wǎng)絡(luò)物理隔離，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合，降低了復(fù)雜度，提高了控制一致性，保障了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和安全性，為智能運(yùn)維提供了高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸。

2.7 全息化狀態(tài)監(jiān)測和在途預(yù)警主動(dòng)運(yùn)維

通過研發(fā)列車安全狀態(tài)及運(yùn)行環(huán)境的智能監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，對關(guān)鍵部件進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和健康預(yù)警， 實(shí)現(xiàn)了智能運(yùn)維模式，從而降低了車輛全壽命周期成本，滿足車輛高可用性的要求。

2.8 空調(diào)系統(tǒng)

下一代地鐵列車采用基于體感的PMV控制、被動(dòng)壓力保護(hù)、CFRP機(jī)體、低噪風(fēng)機(jī)、橢圓管換熱器及靜電除塵器等技術(shù)，研制了大功率冷暖變頻空調(diào)?？照{(diào)機(jī)組制冷量為44 kW，制熱量為18 kW，減重30%，降噪(A計(jì)權(quán)聲級)為4 dB，隔聲量(A計(jì)權(quán)聲級)為45 dB，能耗降低25%，壓力波動(dòng)低于1 250 Pa/3 s。

為實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保，研制了新型儲(chǔ)能空調(diào)，通過利用復(fù)合材料液-固相變儲(chǔ)能原理，儲(chǔ)存并利用空調(diào)多余冷量，使能耗降低20%。儲(chǔ)能空調(diào)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 儲(chǔ)能空調(diào)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2.9 氣動(dòng)設(shè)計(jì)

下一代地鐵列車的氣動(dòng)外形和表面采取平順化處理，重點(diǎn)解決21 m2小隧道內(nèi)140 km/h運(yùn)行時(shí)的阻力、噪聲、交會(huì)壓力波及微氣壓波等關(guān)鍵問題。與標(biāo)準(zhǔn)A型車相比，阻力系數(shù)降低31%～35%，橫風(fēng)側(cè)向力降低約1%，隧道通過壓力波降低約3%～5%。

2.10 噪聲管理

設(shè)計(jì)過程中，通過研究噪聲聲源、頻譜特性及傳播機(jī)理，采用分頻段控制和等聲壓級設(shè)計(jì)策略。同時(shí)，隔聲降噪理念從關(guān)注隔聲材料進(jìn)化到材料與結(jié)構(gòu)并重，注重整體效果，關(guān)注結(jié)構(gòu)完整性，避免局部漏聲。通過采用密封車體、類真空及納米阻力隔聲材料、降噪車輪、氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更高等級的噪聲管理。與標(biāo)準(zhǔn)A型車相比，列車降噪不小于 5 dB。

2.11 減阻節(jié)能

通過氣動(dòng)和輕量化設(shè)計(jì)，減少了運(yùn)行阻力；通過系統(tǒng)優(yōu)化牽引制動(dòng)及空調(diào)、照明系統(tǒng)，提高了效率；通過車載系統(tǒng)能量管理，優(yōu)化啟動(dòng)運(yùn)行順序與狀態(tài)等方式，系統(tǒng)提升了列車綜合效能，節(jié)能20%以上。具體體現(xiàn)在以下方面：

(1) 通過流線型列車頭形及設(shè)備艙設(shè)計(jì)，降低了氣動(dòng)阻力，較傳統(tǒng)地鐵車輛阻力降低30%以上；

(2) 通過制定部件散熱能耗管理策略以及雙源制能量管理策略，降低了損耗；

(3) 通過輕量化設(shè)計(jì)，降低額定載客運(yùn)行阻力6%以上；

(4) 通過系統(tǒng)提升牽引、輔助系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的效率，降低了能耗,綜合效率提升15%以上。

3 結(jié)束語

下一代地鐵列車初步解決了時(shí)代和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對城軌列車安全、高速、高效、智能、綠色的一系列高要求，針對運(yùn)能缺口、速度瓶頸、適應(yīng)能力、節(jié)能環(huán)保、舒適方便、智能化等方面找到了系統(tǒng)的解決方案,成功實(shí)現(xiàn)了車輛代際指標(biāo),從自動(dòng)駕駛、智能運(yùn)維、智慧服務(wù)等方面全面實(shí)現(xiàn)了智能化。