尼日利亞阿布賈城鐵車輛選型研究

韓維明 滕 瑤

(中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司 北京 100038)

1 項(xiàng)目背景

阿布賈城鐵是西非地區(qū)開(kāi)通的第一條城鐵，位于尼日利亞首都阿布賈。全線采用中國(guó)鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，總長(zhǎng)77.782 km。一期工程約45 km，設(shè)計(jì)最高速度100 km/h。線路連接了阿布賈市中心、阿布賈至卡杜納鐵路(阿卡鐵路)及阿布賈機(jī)場(chǎng)航站樓，共設(shè)有13個(gè)車站。阿布賈城鐵二期工程將連接阿布賈主城區(qū)與周邊的衛(wèi)星城，帶動(dòng)整個(gè)阿布賈城市群的發(fā)展[1]。

2 車輛環(huán)境運(yùn)行條件及主要技術(shù)參數(shù)

2.1 車輛環(huán)境運(yùn)行條件

(1)環(huán)境條件

尼日利亞阿布賈地區(qū)屬熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。分干、濕兩季。4～10月份為雨季，雨量充沛；11月到次年的4月為旱季，天氣悶熱，干旱少雨。車輛要求的使用環(huán)境溫度:10～50℃。

(2)運(yùn)行條件

軌距: 1 435 mm

最小豎曲線半徑:

一般 10 000 m

困難 3 000 m

最小平面曲線半徑

一般: 800 m

困難: 400 m

車輛段: 150 m

最大坡度

正線:最大坡度不大于25‰，困難地段30‰

車站線路: 3‰

出入段、聯(lián)絡(luò)線(空載): ≤40‰

道岔:

正線9號(hào)道岔、輔助線(車輛段)7號(hào)道岔

軌道類型

正線: 60 kg/m

車輛段: 50 kg/m

軌道最大超高: 120 mm

站臺(tái)高度: 1 230 mm

站臺(tái)有效長(zhǎng)度: 90 m

車輛段檢查坑長(zhǎng)度: 84 m

車輛與站臺(tái)水平間距離(站臺(tái)高度處):≤100 mm

2.2 車輛主要技術(shù)參數(shù)

(1)車體

車輛長(zhǎng)度(車鉤連接面之間長(zhǎng)度)

列車總長(zhǎng)度 ≤80 m

車體寬度

車體寬度(地板面高度處) 2 800 mm

車體高度:

車輛頂面距軌頂面高度 ≤3 980 mm

軌面到地板面高度(空載、新輪)1 280 mm

(2)轉(zhuǎn)向架

最高運(yùn)行速度: 100 km/h

結(jié)構(gòu)速度: 110 km/h

輪對(duì)內(nèi)側(cè)距(空載) 1 353±2 mm

轉(zhuǎn)向架最低點(diǎn)離軌面最小距離(車輪全磨耗)

≥60 mm

軸重: ≤18 t

輪重減載率 ≤0.6

脫軌系數(shù) ≤0.8

(3)牽引動(dòng)力

額定負(fù)載(AW2)，半磨耗輪情況下:

列車最大運(yùn)行速度 100 km/h

列車結(jié)構(gòu)速度 110 km/h

車鉤連掛速度 3～5 km/h

沖擊極限 0.75 m/s3

平均初始加速度(0～18 km/h)≥0.55 m/s2

平均加速度(0～100 km/h) ≥0.13 m/s2

列車在車輛段內(nèi)能以25 km/h的速度安全通過(guò)。

3 車輛選型原則

車輛是鐵路交通的載體，車型、制式的選擇是城鐵系統(tǒng)整體方案確定的關(guān)鍵因素之一，影響交通系統(tǒng)的運(yùn)輸能力；其車輛、設(shè)備限界決定著建筑限界的大小，對(duì)工程投資、運(yùn)輸費(fèi)用均有極大的影響力。因此車輛選型研究須綜合考慮各方面關(guān)鍵因素，并全面分析帶來(lái)的影響，選型應(yīng)遵循以下原則:

(1)車輛設(shè)備應(yīng)選擇技術(shù)成熟、安全可靠的制造工藝，確保在全壽命周期內(nèi)正常運(yùn)行、便于維修，并具有一定的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，滿足尼日利亞當(dāng)?shù)靥厥獾倪\(yùn)營(yíng)需求。

(2)應(yīng)符合尼日利亞城鐵線路設(shè)計(jì)的技術(shù)條件，如以規(guī)定的速度通過(guò)最小半徑的平面曲線區(qū)段，并盡可能減小對(duì)周圍環(huán)境的影響，符合阿布賈城市客流量和行車密度的要求。

(3)車輛采取減震、降噪措施，以減少振動(dòng)和噪聲對(duì)周邊生活區(qū)的影響，與尼日利亞人文景觀相協(xié)調(diào)。

(4)車輛選型應(yīng)根據(jù)尼日利亞線路建設(shè)規(guī)劃，在采用中國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)前提下結(jié)合UCI、EU等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，研究分析選型的通用性，方便遠(yuǎn)期及其他路網(wǎng)車輛資源的共享。

(5)車輛制造關(guān)鍵技術(shù)盡量均采用國(guó)內(nèi)成熟先進(jìn)技術(shù)，選型應(yīng)立足于國(guó)產(chǎn)化，為保障后期運(yùn)營(yíng)維修及車輛推廣。

4 車輛動(dòng)力分步及編組選型分析

4.1 動(dòng)力分步選型分析

(1)動(dòng)力集中式列車

動(dòng)力集中式列車是鐵路運(yùn)輸中最傳統(tǒng)的運(yùn)行方式，是由一臺(tái)動(dòng)力機(jī)車牽引數(shù)個(gè)無(wú)動(dòng)力車輛，在軌道上行駛。機(jī)車牽引方式一般較多采用前端牽引方式，也有車尾逆推牽引方式，如圖1所示。除使用于客運(yùn)外，常見(jiàn)于貨運(yùn)及軍事用途[2]。

動(dòng)力集中式列車優(yōu)點(diǎn)是:可以分別對(duì)機(jī)車、車輛進(jìn)行維修，維修方便，車輛動(dòng)力系統(tǒng)遠(yuǎn)離乘客，安全性能好[3]。

在替換動(dòng)力方面較優(yōu)，在機(jī)車故障以及進(jìn)入不同區(qū)間(內(nèi)燃、電力)情況下，可以簡(jiǎn)單換掛車頭而無(wú)需把整列動(dòng)車組更換。

裝備更新方面，機(jī)車及車輛可以分別進(jìn)行更新或升級(jí)而互不影響[4]。

缺點(diǎn)是:車輛軸重大，同樣車輛有效長(zhǎng)下載客量少，牽引總功率低，動(dòng)力學(xué)性能及運(yùn)行平穩(wěn)性差，同等速度車外噪聲震動(dòng)更大，環(huán)境友好性差。而且由于客車車廂無(wú)動(dòng)力，必須配置額外供電電源或者采用機(jī)車供電，能源利用率低[5]，與城市軌道交通快啟快停的需求不匹配。

(2)動(dòng)力分散式列車

動(dòng)力分散式列車是一種動(dòng)力分布在多個(gè)車廂的鐵路列車，如圖2所示。特點(diǎn)是動(dòng)力來(lái)源分散在列車各個(gè)車廂上的發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)[6]。

圖2 動(dòng)力分散式列車動(dòng)力分布

動(dòng)力分散式列車的優(yōu)缺點(diǎn)是:動(dòng)力裝置分布在列車不同的位置上，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的牽引力，可以靈活編組并可以實(shí)現(xiàn)重聯(lián)。較與動(dòng)力集中式列車相比，具有制動(dòng)效率高，調(diào)速性能好，制動(dòng)減速度大，運(yùn)行平穩(wěn)性及旅客舒適性能好等特點(diǎn)[7]。另外，列車中某節(jié)動(dòng)車的牽引動(dòng)力發(fā)生故障對(duì)全列車的牽引指標(biāo)影響較小。動(dòng)力分散式列車可以保持高速更久，對(duì)市郊市域鐵路、地鐵、通勤鐵路的模式來(lái)說(shuō)，用同樣的運(yùn)營(yíng)時(shí)間可以?？扛嗾军c(diǎn)。動(dòng)力分散式列車的軸重比動(dòng)力集中式列車的機(jī)車部分小，列車運(yùn)行時(shí)輪對(duì)對(duì)路基損害較低，有利降低路基沉降維修費(fèi)用[8]。

(3)牽引制式選型分析

阿布賈城鐵車輛選型報(bào)告中進(jìn)行了動(dòng)力集中及分散牽引方式比選，最初推薦為動(dòng)力集中型城鐵列車。

動(dòng)力集中型列車、動(dòng)力分散型列車應(yīng)用情況:兩種牽引制式列車在國(guó)內(nèi)及國(guó)際均有應(yīng)用，國(guó)內(nèi)廠家均有出口到海外應(yīng)用的業(yè)績(jī)。動(dòng)力分散型列車造價(jià)略高。除造價(jià)略高外，動(dòng)力分散動(dòng)車組四節(jié)車輛均可載客，可以進(jìn)一步提高載客量，持續(xù)滿足阿布賈增長(zhǎng)的客流量。

動(dòng)力分散動(dòng)車組啟動(dòng)加速度大，運(yùn)行更加平穩(wěn)、舒適性好，車形外觀流線型更好、更具有現(xiàn)代感能夠提升阿布賈的城市形象，配置兩個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，列車運(yùn)行的可靠性更高，便于處理緊急情況，整列車制動(dòng)的一致性能好，安全性、舒適性更好。

依據(jù)牽引計(jì)算，考慮運(yùn)行速度、啟動(dòng)加速度、制動(dòng)減速度等參數(shù)計(jì)算出來(lái)總的牽引功率，確定動(dòng)力單元數(shù)量，結(jié)合尼日利亞阿布賈城鐵線路主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、客流密度、旅行速度、乘坐舒適度等綜合因素，故研究將動(dòng)力集中型一動(dòng)三拖動(dòng)車組變更為動(dòng)力分散型兩動(dòng)兩拖動(dòng)車組，并選用臥式柴油機(jī)，交流傳動(dòng)內(nèi)燃動(dòng)車組，以滿足阿布賈城鐵旅客運(yùn)輸需求。

4.2 車輛編組

阿布賈(Abuja)是尼日利亞首都，位于中部尼日爾河支流古拉河畔，尼日爾、卡杜納、高原和夸拉四州的交界處，位列2019年全球城市500強(qiáng)榜單第463名，人口約200萬(wàn)。因此客流需求量較大且存在一定增長(zhǎng)空間。車輛的編組依托于客流需求，在客流敏感性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)城鐵列車編組方案進(jìn)行了研究分析，提供了兩種編組方案[9]。

(1)方案一

列車編組:4節(jié)編組，兩動(dòng)兩拖，兩動(dòng)車的結(jié)構(gòu)及功能以及兩拖車的結(jié)構(gòu)及功能均相同，且能互換。

編組形式:＋Mc－T－T－Mc＋

(＋:半自動(dòng)車鉤，－:半永久牽引桿)

車型:Mc車－帶動(dòng)力系統(tǒng)和司機(jī)室的車

T車－拖車

(2)方案二

列車編組:4節(jié)編組，兩動(dòng)兩拖，兩動(dòng)車的結(jié)構(gòu)及功能以及兩拖車的結(jié)構(gòu)及功能均相同，且能互換。

編組形式:＋Tc－M－M－Tc＋

(＋:半自動(dòng)車鉤，－:半永久牽引桿)

車型:M車－帶動(dòng)力系統(tǒng)的車

Tc車－帶司機(jī)室的車

結(jié)合內(nèi)燃動(dòng)車組室內(nèi)座椅布置、載客量、站立密度等因素，并考慮將軸重大的車作為頭車，最終選用方案一。

5 車輛動(dòng)力包的選型分析

內(nèi)燃機(jī)車以內(nèi)燃機(jī)作為原動(dòng)力，通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)車輪。在內(nèi)燃動(dòng)車上，柴油機(jī)和動(dòng)輪不能直接相連，傳動(dòng)裝置是必不可少的一部分。內(nèi)燃機(jī)車的傳力傳動(dòng)裝置的形式有:機(jī)械傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和液力傳動(dòng)。傳動(dòng)裝置起到直接相連不能解決的啟動(dòng)、速度擴(kuò)展、特性變換的作用。一般液力傳動(dòng)主要用于小型內(nèi)燃機(jī)車、窄軌內(nèi)燃機(jī)車。機(jī)械傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車僅適用于工礦專用的小功率內(nèi)燃機(jī)車上。因此干線內(nèi)燃機(jī)車其傳動(dòng)裝置一般為電力傳動(dòng)和液力傳動(dòng)。下面將從重量、牽引性能、載客量及成本等方面對(duì)內(nèi)－電、內(nèi)－液兩種傳動(dòng)選型進(jìn)行分析[10]。

在AW3工況下，啟動(dòng)加速度和平均加速度對(duì)比如表1所示。

表1 內(nèi)液、內(nèi)電牽引性能對(duì)比

動(dòng)力包功率一樣大的條件下，車輛不同荷載情況載客量對(duì)比如表2所示。

表2 不同荷載情況下載客量對(duì)比

5.1 內(nèi)－液傳動(dòng)特點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單:主要采用機(jī)械傳動(dòng)方式，無(wú)過(guò)多的電力傳動(dòng)元器件，結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單。

(2)成本較低:無(wú)超級(jí)電容、逆變器、牽引電機(jī)等設(shè)備，價(jià)格相對(duì)較低。

(3)重量輕:由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)超級(jí)電容、逆變器、牽引電機(jī)等設(shè)備，相比內(nèi)電傳動(dòng)輕約20%。

(4)難實(shí)現(xiàn)高功率:受制于液壓機(jī)械傳動(dòng)的特點(diǎn)及車輛設(shè)備布置的限制，內(nèi)液傳動(dòng)很難實(shí)現(xiàn)大功率傳輸。

5.2 內(nèi)－電傳動(dòng)特點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜:相比內(nèi)－液傳動(dòng)，增加了超級(jí)電容、逆變器、牽引電機(jī)等電氣傳動(dòng)設(shè)備，整套牽引系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜。

(2)成本較高:因增加了上述設(shè)備，成本相對(duì)較高。

(3)重量大:因增加了上述設(shè)備重量也較重。

(4)容易實(shí)現(xiàn)高功率:采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元器件，采用牽引電機(jī)作為能量輸出，列車可以根據(jù)運(yùn)行需要對(duì)超級(jí)電容和牽引電機(jī)進(jìn)行選型，更容易實(shí)現(xiàn)高功率。

(5)控制精確:內(nèi)電可以實(shí)現(xiàn)電氣的無(wú)級(jí)控制，列車運(yùn)行更精準(zhǔn)。

綜合考慮到性能、控制等方面的因素，研究在尼日利亞阿布賈城鐵內(nèi)燃動(dòng)車組項(xiàng)目上采用內(nèi)燃－電力傳動(dòng)的動(dòng)車組。

6 車體材料選型分析

車體是車輛結(jié)構(gòu)的主體，又是安裝其他設(shè)備和部件的基礎(chǔ)。車體的強(qiáng)度、剛度等關(guān)系到車輛運(yùn)行的安全性、輕量性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性、適用性。車體的防腐耐腐能力、表面保護(hù)、裝飾方法，關(guān)系到車輛的美觀、周期壽命等。所有這些都直接影響到運(yùn)營(yíng)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。目前在我國(guó)國(guó)鐵、地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)使用的材料主要為車不銹鋼和鋁合金，而碳鋼車體由于其耐熱性高焊接性能好，原材料價(jià)格低，在一些熱帶、亞熱帶發(fā)展中國(guó)家和地區(qū)受到歡迎。

6.1 車體材料的重量對(duì)比

據(jù)了解目前國(guó)內(nèi)外地鐵車輛碳鋼車體結(jié)構(gòu)自重約9～10 t，不銹鋼車體自重約6～7 t，鋁合金車體自重約4～5 t。

6.2 車體材料的制造工藝對(duì)比

碳鋼車體各部件之間采用對(duì)接、搭接的焊接方式連接。制造工藝簡(jiǎn)單，其焊接性能良好。不銹鋼車體采用板梁組合整體承載全焊結(jié)構(gòu)，為了保持板材強(qiáng)度和減小變形，通常采用點(diǎn)焊的方式，不允許采用弧焊焊接強(qiáng)度高的材料，不銹鋼車體采用接觸焊。鋁合金車體普遍采用大型桁架式中空型材組焊式，車輛制造廠只需下料、拼裝、氬弧焊接，工藝簡(jiǎn)單、效率高時(shí)間比較短[11]。

6.3 車體材料的外觀質(zhì)量對(duì)比

不銹鋼車體在制造過(guò)程中雖然不需要防腐保護(hù)及涂漆，但為了提高裝飾美觀度，板材自帶點(diǎn)狀或線條裝飾。因?yàn)橥鈮Π寮缺∮止?，?duì)不平度反應(yīng)敏感性高，只要有輕微凹凸，經(jīng)反光折射，肉眼就能察覺(jué)。相比之下，鋁合金、碳鋼車體型材表面平整、挺拔，但耐腐蝕性能較差，可結(jié)合尼日利亞人文風(fēng)俗選擇不同的顏色和裝飾，因此更加美觀，接受度較高。

6.4 車體材料防劃傷磕碰性能對(duì)比

碳鋼和鋁合金材料與不銹鋼相比在此方面性能占優(yōu)，且可以修復(fù)。不銹鋼由于是拉絲、薄板，容易劃傷，若出現(xiàn)異向劃痕則造成損傷更大，在出現(xiàn)日常劃痕和事故磕碰情況下難以消除。

6.5 車體材料維修成本分析

不銹鋼車體的維修成本較其他兩種材料比最低，鋁合金車體的維修成本居中，碳鋼車體的維修成本最高。

通過(guò)以上綜合對(duì)比分析，結(jié)合技術(shù)發(fā)展以及節(jié)能減排及維修成本因素，并考慮尼日利亞熱帶草原氣候高溫多雨，以及撒哈拉沙漠影響下經(jīng)常性的沙霧，研究對(duì)尼日利亞阿布賈城鐵內(nèi)燃動(dòng)車組車體材料優(yōu)先推薦使用鋁合金材料[12]。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)車輛的牽引模式、列車編組、車輛動(dòng)力包、車體、轉(zhuǎn)向架、制動(dòng)系統(tǒng)、車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、車門(mén)車窗等的合理選型，阿布賈城鐵列車運(yùn)營(yíng)至今，性能優(yōu)異、質(zhì)量穩(wěn)定，較好地滿足了運(yùn)營(yíng)需求，受到了尼日利亞政府及人民的高度認(rèn)可。