刘玉文 尤维秀

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,266111，青岛; 2.中车四方车辆有限公司,266111,青岛∥第一作者，教授级高级工程师)

城市轨道交通车辆选型相关技术因素分析

刘玉文1尤维秀2

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,266111，青岛; 2.中车四方车辆有限公司,266111,青岛∥第一作者，教授级高级工程师)

分析了目前国内运行的各型式轨道交通车辆的技术规格。说明了如何根据客流量对车辆型式进行初步选择,并分析了线路状况、投资能力、互联互通要求及全寿命费用对车辆型式选择的影响。详细讨论了车辆的车体材料、电气牵引及辅助供电系统、车辆制动系统、车门及空调系统等主要系统的选择。

城市轨道交通; 车辆选型; 技术因素

城市轨道交通车辆的选型,不仅关乎先期投入和后期运营维护成本,也关乎乘客的乘坐安全性、舒适度和总体满意度,因而需要进行全方位论证。

目前，国内运行的轨道交通车辆主要为A型车、B型车、Lb型车、Lc型车,以及其他类型的车辆。各型式城市轨道交通车辆的主要技术规格见表1。

表1 各型式城市轨道交通车辆技术规格

1 与车辆选型式有关的技术因素

1.1 客流量与车辆型式的关系

客流量是车辆选型的基础。在完成客流量后预测,可根据表2对车辆型式做出初步选择。

初步选择车辆型式后,首先，根据列车运行间隔时间可计算线路单向高峰小时断面通过列车数n;然后，即可得到1列列车的最大载员P1=单向高峰小时客流量/n;最后，根据预算的列车编组数n1,即可得到每节车辆的最大载员P2=P1/n1。

表2 车型选择与高峰客流量[2]

根据上述计算,结合标准规定的各车型单辆车载员和可选择的列车编组数(见表3),最终确定车辆型号和列车编组。

表3 各车型单车载员和可供选择的列车编组

1.2 线路状况与车辆型式的关系

线路状况中影响车辆型式选择的主要因素是坡度和最小半径曲线。根据相关范围各车型的适应情况见表4。

1.3 当地经济和投资能力对车辆型式的影响

车辆型式可根据当地经济能力,情况作不同的选择。经济条件好的城市,可选择较高档次的车辆,也可通过增加座椅数量,或增加人均站立面积来增加乘客舒适性;即使选择同档次车型,也可以通过提高内装材质,或升级旅行信息娱乐设施等手段来提升服务质量。

1.4 互联互通要求

如果待建线路与既有线路或干线铁路有互联互通要求,则待建线路所选车辆应按不同需求调整。

表4 各车型可通过的最小半径曲线和坡度

如果待建线路与既有线路或干线铁路有共用站台,则待建线路选择车辆时还要考虑运输能力的匹配。

如待建线路与既有线路或干线铁路共用部分线路,则待建线路选择车辆时,不仅要考虑车辆运输能力的匹配,还要考虑车辆车型的匹配(包括限界、供电电压与供电方式、站台高度等)的一致性。

1.5 全寿命费用对车辆型式选择的影响

目前,国内城市轨道交通车辆以A型车和B型车为主,Lb型车也有较大份额。选择市场占有率高的车型,不会改变线路要求的车辆载员及列车最大运行速度等参数。但由于这些车型经过多轮次设计、制造和长期运行,产品投入运营后,配件和售后服务可以得到更好保障,可确保配件采购周期,降低车辆维护运营成本。

2 车辆主要系统选择

2.1 车体材料

目前,城市轨道交通车辆常用的车体材料有不锈钢、铝合金和碳钢3大类。碳钢车体存在强度低、重量大、能耗高、腐蚀重、维修量大、使用寿命短等不足,已逐渐被不锈钢和铝合金材料取代。城市轨道交通车辆运行速度较低,气密性对乘客的影响可忽略不计。不锈钢车体和铝合金车体的性能比较见表5。

由表5可见,不锈钢车体不仅具有更高的安全性和耐腐蚀性,而且在后期维护保养过程中,其养护更简单、成本更低,对运营商的其他投入要求也更低。因此建议采用不锈钢车体。

2.2 电气牵引及辅助供电系统

2.2.1 列车供电型式

全球范围内,城市轨道交通的供电电压有DC 600 V、DC 750 V、DC 825 V、DC 1 500 V和DC 3 000 V等多个等级。按我国国家标准,城市轨道交通车辆采用DC 1 500 V和DC 750 V两种电压制式。其中，DC 1 500 V电压多采用架空接触网供电方式,DC 750 V电压多采用第三轨供电方式。

DC 1 500 V弓网供电系统在同样功率下,供电距离可达DC 750 V的1.3倍以上,可减少变电所数量,降低固定设备投入;其输送同样功率的电能时,所需供电电流也仅为DC 750 V供电方的一半,线路耗电较少,运营成本较低;又因DC 1 500 V供电系统的电气设备体积小,故所需安装空间更小,便于设备布置和散热,可提高设备可靠性,提高车辆使用寿命。另外,当列车速度>100 km/h,特别是>120 km/h时,不宜采用DC 750 V供电。

DC 750 V第三轨供电系统在列车运行中不受风速影响;车辆VVVF(变压变频调速)逆变器功率元件成本更低,接触轨材料为钢材,且无需上部受流空间,可降低隧道的结构高度,由此降低维护、材料费用,降低工程造价,降低运营商的先期投入。

表5 不锈钢和铝合金车体对比

除此以外,弓网受电系统较受流器系统断电区更小,可减少列车上母线的配置,高压过桥线的配置,也避免了断电区过长、高压设备承受瞬间断电、上电对高压设备的影响,进而延长了这些设备的使用寿命,从而延长车辆的使用寿命。综上所述,建议采用DC 1 500 V弓网受电系统。

2.2.2 列车动力配置

城市轨道交通车辆中,动车在编组中所占比例(动车比率)影响列车的技术速度、旅行速度等性能,对列车牵引性能、制动性能、轮轨间粘着系数的利用等均有不同的影响,从而进一步影响列车的起动加速度、平均加速度及最大电制动减速度等。目前,我国城市轨道交通车辆的主流动车比率是2:1和1:1。

如果动车比率2:1的列车有一个牵引动力单元发生故障,仍剩余1:1的动力比率,其起动加速度仍可维持列车正常运营;而动车比率为1:1的列车,一且1个牵引动力单元发生故障，则仅剩余33%的动力,故列车一般会在清客后退出运营。

动车比率为2:1的列车,可选用较小功率的电机,而整列车的总轴功率与1:1的动车比率相近。这样将提高黏着重量的使用率,提高黏着力,进而提高加速度和列车旅行速度,提高线路运力。

较高的动车比率,有利于产生较大的电制动力,减少空气制动的使用,降低闸瓦磨耗,降低车辆运营成本。

动车比率为2:1的列车会因为高压电气箱、牵引变流器、牵引电机及齿轮箱和制动电阻等动车专用配置而导致初期购置成本的增加,但动车和拖车的后期维护成本相差无几。

所以,在预算充足的情况下,建议选择动车比率较大的动力配置。

2.2.3 辅助系统供电方式

目前,车辆辅助系统供电方式主要有交叉供电、扩展供电及并网供电3种。

交叉供电采用2个(或多个)大容量的辅助逆变器为列车供电,每辆车的负载由2个逆变器共同提供电源。车辆采用该供电方式时,需布置2套供电电缆,因而车端过桥线较多,提高了整车成本,其车辆故障率较高。

扩展供电采用2个(或多个)大容量的辅助逆变器为列车供电。当1台逆变器故障时,可通过扩展供电方式对另1单元提供电源。此工况下,空调系统需减载运行。

并网供电是采用多个中等容量的辅助逆变器,通过并网方式对整列车进行供电。即使单个逆变器发生故障,其余逆变器的容量也足够满足整列列车的负载,因而列车不必停运。

鉴于此,项目执行中,建议采用并网供电,以适当降低车辆制造成本,降低车辆故障率。当1个辅助逆变器发生故障时,列车辅助电源系统不会受影响,辅助逆变器本身也不会受到负载变化的冲击。

2.3 车辆制动系统

2.3.1 制动型式

目前,国内地铁车辆普遍采用电制动。常用电制动有电阻制动和再生制动2种方式。

电阻制动具有吸收电能比较稳定,成本低、简单可靠的优点其应用更为广泛。但制动能量消耗在电阻上,无法加以利用,且产生大量热量,给环境造成一定影响。

再生制动的优势是利于能量的回收、利用,但需要在车上或变电所安装储能设备。且由于储能设备体积较大,而轨道车辆空间有限,所以储能设备一般安装于地面。储能制动是车辆制动的发展方向。

2.3.2 基础制动型式

如果能确保电制动性能良好,则大比例的制动能量可由性能良好的电制动承担,而基础制动可采用踏面制动方式。但现实项目中,经常发生电制动未发挥正常功能,从而出现制动力不足的情况。这种情况会使基础制动承担大比例的制动能量,从而导致车轮发生踏面异常磨耗。

由此建议基础制动采用轮盘或轴盘制动系统。与踏面制动系统相比,轮盘或轴盘制动系统可减少制动热量对车轮的影响,从而延长车轮的生命周期,降低车轮的镟修工作量,降低车辆的运营维护成本。

2.4 车门

目前,城市轨道交通车辆使用的客室侧门主要有塞拉门、内移门、外挂门,外挂密闭门4种,由于我国城市轨道交通车辆客流量的特殊性,具体车辆选型时,要根据车辆载客量、运营线路、车辆运行速度、密封性、车内噪声要求等具体特点,选择合适的种类。

2.4.1 车门类型选择

在车辆对密封性、车内噪声要求较高,或要求客室侧门与车辆外表面平齐的情况下,在车辆轴重符合合同要求的基础上,推存选择塞拉门。目前,塞拉门的密封性是最好的。

在车辆对密封性和车内噪声要求不高的情况下,应侧重考虑内藏门。内藏门具有重量轻、结构简单、维护保养方便、占用客室内空间少的优势,在车辆载客量较大的线路上可更好地保障车辆安全运行。

在车辆对隔热性能要求较高、车辆载客量及客室空间要求较大的情况下,应侧重考虑外挂门。外挂门的传动机构和电气部分安装在车内,承载导向机构、两扇门页安装在车辆外部。这一特点解决了座椅安装与车门运动相干涉、乘客太多关不上门等问题,且有利于提高门口侧墙的隔热性能。

外挂密闭门具有外挂门的所有优点,而且在关闭的最后阶段有微量的塞紧运动,故车门与门框间有更好的密封性。

2.4.2 车门净开度计算

车辆载工况下的乘客数量和列车停站时间,决定了客室侧门数量及车门净开度尺寸。即

式中：

S——每个人的占地面积;

n——流动的人数(上下车总人数);

e——车门开度;

t——停站时间;

Q——表示流量,即单位时间内通过的客流所占面积;

v——人的步行速度,一般为1.03～1.28 m/ s,取1.2 m/s。

计算所得的车门开度需要按EN 14752进行修正。如果计算结果小于标准要求,则按标准最小要求设置;如果计算结果大于标准要求,则执行计算结果。

2.5 空调

空调机组按结构形式可分为车顶单元式和分体式两大类。

车顶单元式空调具有结构紧凑,接口简单,安装方便,质量、体积小,整体性强,可靠性高等优点。其缺点主要是由于冷凝器散热位置接近新风口,故在车辆静止状态下,易造成冷凝风短路,增大新风热负荷;而且，因机组位于车顶,故检修维护作业时维修人员登顶作业,或需使用起吊装置卸下机组。

分体式空调分为车上(蒸发器)和车下(冷凝器)2部分。这不仅有利于车辆均衡配重,而且检修更换时也无需特殊场地,设备日常维护和故障处理更方便。同时，分体式空调在制冷工况不会造成额外的热负荷,阻塞工况时新风口也不会产生热量淤积。这提升了系统应对极端工况的能力。

分体式空调贯穿车内的冷媒管路结构复杂。若对低温管路隔热处理不当,易产生冷凝结露。而冷媒管路又因多采用焊接方式连接,故对施工质量要求较高,且故障点较多；在交变载荷作用下,易发生断裂及渗漏情况。额外增加的壳体和框架等也增加了系统总重量。此外,由于冷凝系统位于车下,环境相对较差,因而滤网更换周期短,维护成本高。

综上所述,推荐采用车顶单元式空调。

3 结语

具体项目的车辆选型,一方面可采用正向的确定方式,即根据上述计算和建议,逐步确定车辆型式;另一种方面还可采用逆向方式,即先根据城市经济实力和工程预算,预定某种型式的车辆,然后再根据上述数据和分析,逐项验证,最终选出适合本地情况和项目要求的车辆。

[1] 中华人民共和国建设部.地铁车辆通用技术条件:GB/T 7928—2003 [S].北京:中国标准出版社，2003.

[2] 中华人民共和国建设部.城市公共交通分类标准:CJJ/T 114—2007[S].北京:中国建筑工业出版社，2007.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.城市轨道交通直线电机车辆通用技术条件:CJ/T 310—2009[S].北京:中国标准出版社，2009.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.低地板有轨电车车辆通用技术条件:CJ/T417—2012[S].北京:中国标准出版社，2012.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.跨座式单轨交通车辆通用技术条件:CJ/T287—2008[S].北京:中国标准出版社，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)