下一代地鐵列車低碳設(shè)計

劉玉文，梁建英，王安軍

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111；2.武漢光谷交通建設(shè)有限公司，湖北武漢 430073）

1 引言

低碳交通的核心目標是節(jié)能減排——低排放、低能耗、高能效，具備“清潔低碳型燃料比例高”“交通工具排放效率高”“信息化利用程度高”的“三高”特征。

隨著社會對城軌車輛高速、高效、智能、低碳和廣泛環(huán)境適應(yīng)性的期待越來越高，下一代地鐵列車研究聚焦低碳技術(shù)，包括靈活編組、輕量高適應(yīng)性走行系統(tǒng)、高強輕量承載結(jié)構(gòu)與輕質(zhì)高強復(fù)合材料相結(jié)合的高性能車體、雙源制供電的新型傳動、全能饋動力制動和新型復(fù)合材料高效能基礎(chǔ)制動、全息化狀態(tài)監(jiān)測和在途預(yù)警主動運維支持、輕量化高能效輔助供電等低碳關(guān)鍵技術(shù)，踐行并初步達成低碳交通的核心目標和基本特征。

2 低碳軌道交通車輛

低碳軌道交通車輛并不是新的車輛類型，而是新的車輛設(shè)計理念。以節(jié)約資源和減少排放為出發(fā)點，設(shè)計安全、舒適、低能耗、低污染的軌道交通車輛，以提高車輛的能源利用率，改善車輛的能源結(jié)構(gòu)，優(yōu)化車輛的人均能耗。列車能耗主要包括輔助系統(tǒng)設(shè)備能耗和克服列車運行阻力能耗。與列車運行阻力正相關(guān)的是列車外形和平順度，各系統(tǒng)及部件結(jié)構(gòu)、效率，以及車輛整備質(zhì)量。因而，低碳軌道交通車輛設(shè)計理念之一是在保證安全性和可靠性的前提下實現(xiàn)輕量化設(shè)計。本文重點討論列車輕量化的低碳技術(shù)，同時給出在列車靈活編組、系統(tǒng)效率提高、氣動阻力降低等低碳技術(shù)設(shè)計方面的實現(xiàn)途徑。

3 下一代地鐵列車輕量化技術(shù)

下一代地鐵列車的輕量化設(shè)計主要從材料選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化2方面實現(xiàn)突破。材料選擇是指尋找更輕、更強、更穩(wěn)定耐候的新材料；結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指以輕量化為基礎(chǔ)，提升強度、優(yōu)化振動與噪聲、治理輻射等。目標系統(tǒng)及部件主要包括車體及附件、轉(zhuǎn)向架、牽引供電系統(tǒng)、門窗風擋、內(nèi)飾結(jié)構(gòu)。

根據(jù)重量管理頂層指標，下一代地鐵列車輕量化設(shè)計從結(jié)構(gòu)強度優(yōu)化減重及新材料、新結(jié)構(gòu)應(yīng)用減重等方面入手，實現(xiàn)重量分配與管理的目的。

3.1 材料選擇

車輛在運營過程中要經(jīng)受復(fù)雜的地理、氣候、運用工況，以及列車-線路-弓網(wǎng)之間復(fù)雜作用關(guān)系的考驗，需要解決振動沖擊、疲勞、腐蝕、風沙、積雪結(jié)冰、電磁干擾、雷電侵襲等適應(yīng)性問題。同時，車輛各系統(tǒng)及部件選用的材料必須滿足沖擊、防火、隔聲、隔熱等技術(shù)要求。車體材料必須滿足車體使用壽命、靜強度、剛度等要求。在全壽命周期中，必須保證設(shè)備在工作載荷下不產(chǎn)生疲勞失效，具有一定的拉伸載荷力和極小的變形性。因此，要突破傳統(tǒng)金屬材料的局限，達到高效、可靠、節(jié)能、環(huán)保的目的，需要尋求綜合性能優(yōu)良的新型材料與結(jié)構(gòu)。

碳纖維等復(fù)合材料具有輕量化、高強度、高耐候的優(yōu)異綜合性能，其與鋼、鋁的性能指標比較見表1。

表1 纖維復(fù)合材料與金屬材料性能對比

碳纖維復(fù)合材料在航空、航天、船舶、汽車、體育等領(lǐng)域的應(yīng)用已歷經(jīng)數(shù)年，隨著技術(shù)持續(xù)發(fā)展，已解決材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、服役性能及維護等多方面問題，對軌道交通領(lǐng)域具有良好的借鑒意義。

軌道交通領(lǐng)域，中車四方生產(chǎn)的復(fù)興號動車組碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）設(shè)備艙，可單件、也可模塊及整體拆裝，抽拉式底板和折頁式裙板，便于組裝、維護；同時，較鋁合金減重35%，可承受振動、沖擊和高溫、高濕、風沙雨雪侵蝕。CFRP在國外發(fā)達國家的軌道車輛上也得到廣泛應(yīng)用，如德國福伊特公司的碳纖維復(fù)合材料過渡車鉤總重23 kg，比鋼鐵過渡車鉤減重約 50%；日本鐵道綜合技術(shù)研究所與東日本客運鐵道公司聯(lián)合研制的CFRP高速列車車頂使每節(jié)車廂減重300～500 kg。

總之，CFRP的應(yīng)用在非承載的內(nèi)飾工件，次承載結(jié)構(gòu)（如頭罩、吸能元件、過渡車鉤、受電弓等），以及司機室、車體、轉(zhuǎn)向架等大型部件方面均有不同程度的應(yīng)用嘗試。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計技術(shù)、成型技術(shù)和整體裝配技術(shù)是影響其使用的關(guān)鍵因素，下一代地鐵列車成功突破車體、司機室、構(gòu)架及設(shè)備艙等大部件CFRP結(jié)構(gòu)設(shè)計和多種制造工藝的關(guān)鍵點，為列車主結(jié)構(gòu)向CFRP遷移奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

3.2.1 CFRP 司機室

下一代地鐵列車CFRP司機室采用材料、設(shè)計、工藝一體化，外殼、內(nèi)裝、臺柜、底架結(jié)構(gòu)一體化，承載一體化的方案。通過研究大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)非熱壓罐成型技術(shù)（OOA），5模塊成型后膠接連結(jié)，有效減少零部件、提高裝配精度和效率、實現(xiàn)輕量化、耐撞擊、集成度高、商品化程度高的預(yù)期。地面舾裝、整體裝車、撞擊滿足EN 15227的要求，較傳統(tǒng)鋁合金司機室減重30%以上。

3.2.2 CFRP 車體

下一代地鐵列車突破復(fù)合材料輕量化設(shè)計，研制氣密性、高強度、高剛度、輕量化的CFRP車體，系統(tǒng)掌握材料、鋪層及結(jié)構(gòu)的設(shè)計、成型、檢驗及試驗驗證技術(shù)。

列車車體采用全CFRP模塊化結(jié)構(gòu)（除枕梁），分模塊成型，膠鉚組裝，車體承載與安裝結(jié)構(gòu)一體化，整體承載，管線分層布置，底架可翻轉(zhuǎn)施工，提高組裝質(zhì)量和效率。探索大型承載部件拉擠、纏繞、編織及共膠接、共固化等整體成型技術(shù)，解決大尺度部件組裝及連接問題，實現(xiàn)靈活、高效生產(chǎn)及質(zhì)量控制，成型精度高，適于批量生產(chǎn)。

采用CFRP結(jié)構(gòu)碳纖維車體可以使單車減重35%，強度滿足EN 12663的要求，氣密性指標大于50 s，氣密強度±4 kPa，整備車體一階垂彎9.2 Hz。CFRP車體斷面如圖1所示，CFRP車體如圖2所示。

圖1 CFRP車體斷面（單位：mm）

圖2 CFRP車體

3.2.3 碳纖維轉(zhuǎn)向架

下一代地鐵碳纖維轉(zhuǎn)向架為二軸兩系懸掛無搖枕轉(zhuǎn)向架，包括碳纖維復(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)，二系空簧、全主動橫向減振器、抗側(cè)滾扭桿及4點式高度閥和差壓閥高度調(diào)整裝置，橡膠堆式中央牽引裝置?；A(chǔ)制動采用輪盤制動，碳陶制動盤，每軸設(shè)停放制動。

該轉(zhuǎn)向架的設(shè)計優(yōu)勢主要體現(xiàn)在重量輕、安全系數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡潔、線路適應(yīng)性強、輪軌作用力小、構(gòu)架耐腐蝕性好、全壽命費用低等方面。實施的輕量化技術(shù)如下。

（1）碳纖維轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用新材料和新結(jié)構(gòu)，側(cè)梁、橫梁、附加氣缸及制動吊座采用高模量CFRP，編織+樹脂傳遞模塑成型工藝（RTM）高壓及干濕法纏繞 +高溫固化等技術(shù)，組裝技術(shù)以機械連接為主、膠接為輔，整體減重40%。

（2）輪對組成中的軸箱體及端蓋、牽引拉桿采用輕質(zhì)合金化設(shè)計，其中輕質(zhì)合金牽引拉桿與同等條件下的碳鋼材質(zhì)相比，減重30%以上。

3.2.4 CFRP 設(shè)備艙

下一代地鐵列車設(shè)備艙的設(shè)計繼承復(fù)興號設(shè)備艙模塊化理念，可單件或分模塊及整體拆裝。在材料體系、結(jié)構(gòu)設(shè)計和成型工藝等方面得到優(yōu)化，采用拉擠、真空輔助樹脂灌注成型（VARI）等一系列先進成型固化技術(shù)，提升技術(shù)指標、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，減重30%。

3.2.5 碳陶制動盤

基于輕量化低碳設(shè)計，為下一代地鐵列車研制的碳陶制動盤，性能滿足國際鐵路聯(lián)盟（UIC）標準要求，完成速度140 km/h線路試驗，較鋼盤減重約60%，具有輕量化（每車減重1 t）、性能好（50 MJ/盤）、耐高溫（1 600 ℃）、適應(yīng)力強（全環(huán)境適用）的特點。

3.2.6 C/C 復(fù)合材料滑板

基于輕量化低碳設(shè)計，為下一代地鐵列車研制輕質(zhì)、耐磨受電弓C/C滑板，碳纖維預(yù)制體為增強體，化學氣相沉積形成碳條，力學性能提升2～3倍，壽命提高1 倍，成功突破2.5維碳纖維預(yù)制體設(shè)計和石墨化處理工藝的關(guān)鍵點，通過沖擊功試驗和300 km/h摩擦磨損等臺架試驗的驗證。

4 靈活編組

本著低碳設(shè)計的理念，下一代地鐵列車開發(fā)“靈活編組”功能，列車以2節(jié)為最小的編組單元，能夠根據(jù)運營需求實現(xiàn)“2+N”節(jié)靈活編組，在2節(jié)至12節(jié)范圍內(nèi)任意搭配車廂數(shù)量，整個過程編組解編所需時間小于5 min。

靈活配置列車編組，在方便運營和調(diào)度的同時，實現(xiàn)低峰期采用小編組列車，跟傳統(tǒng)的固定8編組A型地鐵列車相比，顯著降低運行能耗，降低運營和維護成本，是低碳交通實現(xiàn)的重要策略。

5 碳化硅永磁牽引系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)

下一代列車采用單臂弓受流、架空網(wǎng)DC1500V+儲能裝置DC750V雙源制供電，SIC軸控牽引變流器，永磁同步電機驅(qū)動，2M1T作為一個動力單元。這套牽引系統(tǒng)具有三大特點，分別是動力強大，可滿足140 km/h牽引需求，啟動加速度達1.0 m /s2；輕量化，整備質(zhì)量減重約15%；效率高，傳動效率提高5%。這種高效能、低消耗的設(shè)計特色，滿足低碳車輛的發(fā)展趨勢。

輔助系統(tǒng)方面，能耗以空調(diào)能耗占主導(dǎo)，占比90%以上；下一代列車空調(diào)機組采用變頻控制橢圓管換熱空調(diào)，額定能效比（2.61），相對于已統(tǒng)計的參照機組（平均額定能效比2.21）提高18%；按全年綜合運行工況計算，節(jié)能31.5%；制冷季下一代機組較參照機組節(jié)能25.9%；制熱季節(jié)能39%。這種低能耗特點契合低碳車輛的要求。

儲能裝置滿足15 km牽引運行，可實現(xiàn)無電網(wǎng)運行，自動力回送，跨線運行?？缇€運行能減少城市備用車的數(shù)量，也是低碳交通的實現(xiàn)手段。

6 氣動阻力降低

為進一步達到節(jié)能降耗的低碳效果，下一代地鐵列車構(gòu)建了廣義映射模型，從車型、頭部長度、鼻錐、裙板距軌面高度等方面進行分析，對列車頭型外形進行氣動性能優(yōu)化設(shè)計（圖3），對空調(diào)導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)構(gòu)型（即流線斷面優(yōu)化，見圖4），并首次在地板下增加車下設(shè)備艙結(jié)構(gòu)，這些措施使列車氣動阻力得以有效減小，下一代地鐵列車阻力系數(shù)較普通A型地鐵車輛降低31～35%，

圖3 氣動性能優(yōu)化

圖4 流線斷面優(yōu)化

7 智能運維系統(tǒng)

通過對列車進行健康監(jiān)測，優(yōu)化修程，降低全壽命周期費用，也是低碳設(shè)計的具體實現(xiàn)途徑之一。

基于輕量化低碳的設(shè)計理念，下一代地鐵列車設(shè)計以高可用性為目標，高可靠性為基礎(chǔ)，通過集成和接入各類傳感信息（如軸溫、振動、橫向失穩(wěn)、受電弓紅外監(jiān)控、轉(zhuǎn)向架紅外監(jiān)控、視頻、毫米波雷達等），全方位感知無人駕駛狀態(tài)下地鐵列車的各方面參數(shù)；構(gòu)建列車在途智能檢測預(yù)警與高效維保系統(tǒng)平臺，形成基于列車狀態(tài)的主動維保系統(tǒng)。

基于狀態(tài)修理論、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字信號處理和高可靠的多鏈路聚合寬帶無線通信技術(shù)，使列車關(guān)鍵系統(tǒng)狀態(tài)實時檢測和預(yù)警系統(tǒng)在實際的地鐵運營環(huán)境中得到有效應(yīng)用。該低碳設(shè)計理念使列車維修模式實現(xiàn)從“計劃修”到“狀態(tài)修”的轉(zhuǎn)變，從而降低運營方人力、物力消耗，提高列車的可用性，降低列車的全壽命維護費用，實現(xiàn)低碳交通的終極目標。

8 結(jié)語

低碳設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，下一代地鐵列車除采用上述低碳設(shè)計措施，還實施一系列低碳相關(guān)工程技術(shù)，為低碳軌道交通列車的設(shè)計初步探明道路。