孫梅玉 鐘元木 劉天賦
(1.中車工業(yè)研究院有限公司,100067,北京;2.中車青島四方機車車輛股份有限公司,266111,青島//第一作者,高級工程師)
地鐵車輛的頂層設(shè)計指標分析*
孫梅玉1鐘元木2劉天賦1
(1.中車工業(yè)研究院有限公司,100067,北京;2.中車青島四方機車車輛股份有限公司,266111,青島//第一作者,高級工程師)
以地鐵車輛為主要分析對象,總結(jié)了車輛全生命周期環(huán)節(jié)中的頂層設(shè)計指標。從適應性、安全性、舒適性、環(huán)保性、經(jīng)濟性、可靠性等6個方面對頂層設(shè)計指標進行了分析,得出了影響車輛整體性能的關(guān)鍵因素。
地鐵車輛;頂層設(shè)計指標;安全性指標;舒適性指標;環(huán)保性指標
在地鐵車輛的設(shè)計過程中,首先需根據(jù)用戶招標技術(shù)條件、相關(guān)標準、設(shè)計經(jīng)驗等提煉出車輛的頂層設(shè)計指標[1-2],然后對頂層設(shè)計指標進行逐層分解,進而指導車輛的系統(tǒng)集成、車體、轉(zhuǎn)向架、牽引傳動、制動系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)和核心部件的設(shè)計(如圖1所示)。研究地鐵車輛頂層設(shè)計指標,開展正向設(shè)計,有助于提升地鐵裝備安全可靠、經(jīng)濟適用、節(jié)能環(huán)保等整體性能,有利于地鐵的輕量化、標準化、模塊化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化。
圖1 地鐵車輛設(shè)計流程示意圖
根據(jù)在地鐵全生命周期流程中的經(jīng)驗和知識積累,本文將地鐵車輛頂層設(shè)計指標按適應性、安全性、舒適性、環(huán)保性、經(jīng)濟性、可靠性6個方面進行歸類(如圖2所示),分析不同特性包含的指標內(nèi)容,并依據(jù)已有文件對個別指標給出參考標準或參考數(shù)值范圍等。
適應性主要是地鐵車輛在車輛外的特定環(huán)境條件下正常運行的能力。車輛外界因素分為氣候等自然環(huán)境條件、車輛運行的線路條件及車輛運營條件,車輛的適應性也相應分為環(huán)境適應性、線路適應性、運營適應性。各項指標的影響因素如圖3所示。
圖2 地鐵車輛頂層設(shè)計指標影響因素
圖3 地鐵車輛適應性指標的影響因素
對北京、上海及廣州等城市的地鐵線路技術(shù)條件進行分析,可得出共性的環(huán)境條件要求。
(1)環(huán)境適應性指標。環(huán)境溫度范圍一般為-5~45℃,北方寒冷地區(qū)低溫限值可達-25℃,極限最低溫度為-40℃。環(huán)境濕度方面按GB/T 7928規(guī)定應≤90%,沿海地區(qū)一般按99%。北京、上海及廣州的城市最大風速為90 km/h。海拔高度一般≤1 200 m;當高度>1 200 m時,電工電子產(chǎn)品及空壓機等部件需按系數(shù)進行海拔高度修正。其他氣候條件按產(chǎn)品應用地域的實際情況考慮。
(2)線路適應性指標。一般地鐵限界執(zhí)行CJJ 96—2003標準,根據(jù)城市建設(shè)規(guī)劃,分別執(zhí)行A型、B型或C型地鐵限界;設(shè)計過程進行動態(tài)包絡(luò)計算;該指標主要影響車輛外形尺寸、車輛定距等參數(shù),也將影響車頂空調(diào)的安裝方式。軸重方面,A型軸重≤16 t,B型軸重≤14 t,軸重指標主要影響整車重量分配、轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)設(shè)計等。線路最大坡度為40‰,特殊路段坡度有45‰或50‰;坡度指標主要影響牽引系統(tǒng)及制動系統(tǒng)能力的設(shè)計,特別是故障模式或救援模式下的電機牽引性能。曲線超高一般為120 mm,個別為150 mm;曲線超高會影響行車速度、旅客舒適度等。根據(jù)GB 50157—2013規(guī)定,正線的最小曲線半徑為300 m,輔助線最小曲線半徑為150 m;一般對影響曲線通過能力的部件主要有轉(zhuǎn)向架、車鉤及貫通道等。
(3)運營適應性指標。站臺高度一般為1 080 mm,地鐵地板面高度需與站臺高度協(xié)調(diào),根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》第 4.1.13條規(guī)定,車輛客室地板面高度在任何使用情況下均不應低于站臺面高度。為保證該要求,除了考慮車輪直徑的影響外,還需要考慮空氣彈簧與高度閥等的設(shè)置要求及正常工作要求。目前,國內(nèi)地鐵軌道交通供電電壓主要有DC 1 500 V、DC 750 V兩種,多為接觸網(wǎng)供電或第三軌供電。運營需求決定了車輛的速度、運能、牽引能力等指標。車輛速度要基于線路的站間距和運行時間等進行合理選擇和設(shè)定。同時結(jié)合客流情況和站臺參數(shù),選擇合適的車輛編組形式。在牽引能力方面,需要根據(jù)實際運輸要求選擇合適容量的牽引逆變器和牽引電機。而在制動能力方面,隨著制動初速的提高,也要由踏面制動更換為盤形制動。救援和重聯(lián)的要求主要影響車鉤、供電系統(tǒng)、制動管路及網(wǎng)絡(luò)控制等的設(shè)計。
安全性在RAMS(可靠性、可用性、可維護性及安全性)中定義為“產(chǎn)品所具有的不導致人員傷亡、系統(tǒng)損壞、重大財產(chǎn)損失、不危害員工健康與環(huán)境的能力”。
地鐵車輛的安全分為主動安全和被動安全。主動安全包括運行安全、制動安全、氣動安全、結(jié)構(gòu)安全、預警系統(tǒng)、故障導向安全。被動安全包括防火安全[3]、碰撞安全及防脫軌安全保護等。地鐵車輛安全性指標如圖4所示。
地鐵設(shè)計過程中,常用的安全指標參數(shù)及要求包括:脫軌系數(shù)≤0.8;輪重減載率≤0.6;平均全常用制動減速度(包括響應時間)≥1.0 m/s2;平均全常用制動減速度(不包括響應時間)≥1.1 m/s2;平均緊急制動減速度(包括響應時間)≥1.2 m/s2或≥1.3 m/s2;平均快速制動減速度(包括響應時間)≥1.3 m/s2;沖擊極限為0.75 m/s3;速度更高的地鐵車輛,可參照動車組設(shè)定尾車升力系數(shù)接近于零;車體強度滿足EN 12663標準;動車構(gòu)架強度滿足UIC 615標準,拖車構(gòu)架強度滿足UIC 515(拖車)標準;車軸強度滿足EN 13104(動軸)/EN 13103(非動軸)標準;車輪強度滿足EN 13260、EN 13979-1標準;防火安全和碰撞安全分別遵循EN 45545、EN15227標準要求。
圖4 地鐵車輛安全性指標
旅客在對交通工具提出更方便、更快捷要求的同時,對乘車環(huán)境及舒適度也提出了更高要求。影響舒適性指標的主要因素包括振動、噪聲、壓力、溫度、濕度及照度等。在人機工程方面的舒適性指標影響因素主要體現(xiàn)在可通過性、可到達性、可操作性、可接觸性等方面。具體舒適性指標內(nèi)容見圖5。
地鐵車輛車內(nèi)噪聲指標分解主要與司機室、客室端部及中部、貫通道等部位的結(jié)構(gòu)相關(guān)。其中司機室內(nèi)噪聲控制重點關(guān)注前窗玻璃、司機室門、地板、密封等;客室端部及中部降噪主要與玻璃窗、客室側(cè)門、結(jié)構(gòu)密封、結(jié)構(gòu)斷面等相關(guān);貫通道部分的噪聲控制主要與風擋、外端墻相關(guān)。
提高地鐵車輛的舒適度,要以乘客為核心,根據(jù)不同的人文特點和需求,進行相應設(shè)置。同時,還要為司乘人員提供便捷的操作條件。具體實現(xiàn)途徑為:提高輔助供電系統(tǒng)的冗余度,采用環(huán)境舒適度綜合調(diào)控系統(tǒng)及智能光感應照明系統(tǒng),提高信息傳輸速度,優(yōu)化地鐵車輛內(nèi)部空間等。
圖5 地鐵車輛舒適性指標
可靠性在RAMS中定義為“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi),完成規(guī)定功能的能力”。可靠性指標包括故障可能性、可維修性及可用性等方面。影響地鐵的故障可能性指標包括清客下線故障指標、3 min以上延誤故障(晚點)指標及維修故障(碎修、列檢)指標。為了提高車輛的可靠性,還需對關(guān)鍵系統(tǒng)或設(shè)備進行冗余設(shè)計。為了滿足可靠性要求,需在設(shè)計過程中,可將相關(guān)指標分解到地鐵的結(jié)構(gòu)疲勞、磨損磨耗及抗老化等方面。
可維修性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi),按規(guī)定的程序及方法進行維修時,保持或恢復到其規(guī)定狀態(tài)的能力,即產(chǎn)品是否易修的能力。地鐵產(chǎn)品的可維修性指標包括在線更換單元時間、修復性維修(不抬車)時間、修復性維修(抬車)時間、平均修復時間等。通過分析北京、上海及廣州等城市的地鐵線路統(tǒng)計結(jié)果,一般在線更換單元為0.5 h左右;修復性維修(不抬車)為3 h左右;修復性維修(抬車)在6 h左右。
可用性是反映可維修產(chǎn)品使用效率的可靠性指標,能綜合反映產(chǎn)品的可靠性與維修性。目前地鐵車輛可用性要求為96%(維修及檢修停用時間共計為15 d/a),隨著軌道交通技術(shù)的不斷進步,可用性指標將不斷提升。
地鐵車輛電磁兼容需滿足相關(guān)標準的要求。其中,地鐵車輛對外輻射的電磁兼容需滿足EN 50121標準;對客室電磁環(huán)境的要求來說,地鐵車輛靜態(tài)磁場需滿足標準BSEN 45502-2中對人體植入式醫(yī)療設(shè)備(心臟起搏器)的要求;時變磁場需滿足標準ICNIRP對300 GHz以下時變電場、磁場、電磁場暴露限值的要求。
列車行車密度的提高對車輛的可靠性、可維護性和可用性也提出了更高的要求。這就要不斷優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu),采用合理的連接方式、模塊化的部件及高性能的材料,設(shè)計過程中還要通過優(yōu)化設(shè)備布置等手段,為檢修和維護提供便利條件,縮短地鐵車輛檢修時間。
隨著人們環(huán)保意識的不斷提升,綠色出行理念逐漸深入人心。這對地鐵車輛的環(huán)保性提出更高要求。地鐵車輛的環(huán)保性指標可分為車外噪聲、環(huán)境振動、電磁輻射、材料環(huán)保、節(jié)能高效、可持續(xù)發(fā)展等,如圖6所示。
圖6 地鐵車輛環(huán)保性指標
地鐵車輛車外噪聲主要是在行車過程中,由軌道結(jié)構(gòu)和列車各個部分的振動經(jīng)由大氣和大地的傳播而產(chǎn)生的。根據(jù)噪聲發(fā)生源與發(fā)生機構(gòu),鐵路噪聲可以分為輪軌噪聲、空氣動力學噪聲、電弧噪聲、橋隧結(jié)構(gòu)物噪聲、機器噪聲等。目前國內(nèi)地鐵設(shè)計過程中,主要執(zhí)行 GB 7928、VDV-154和 ISO 3095《鐵路應用-聲學-軌道車輛外部噪聲測量》標準的規(guī)定。車輛設(shè)計時應重點從輪軌關(guān)系、車載設(shè)備等方面控制和降低噪聲,盡量減少對沿線環(huán)境的影響[4]。
地鐵引起的環(huán)境振動主要是輪軌相互作用引起的軌道結(jié)構(gòu)振動??赏ㄟ^降低簧下質(zhì)量、保持良好的輪軌表面狀態(tài)、采用減振軌道結(jié)構(gòu)等措施來控制環(huán)境振動。地鐵車輛振動與沖擊的測量或試驗執(zhí)行ISO 2631、UIC 513和IEC 61373標準要求。
地鐵車輛電磁輻射不止影響舒適度評價,還影響環(huán)保性評價。地鐵的電磁輻射指標要保證車輛與周圍基礎(chǔ)建設(shè)的電磁兼容,避免出現(xiàn)電磁危害。車輛電磁輻射的管理有兩種途徑:一種是從源頭控制,加強對電磁輻射的抑制能力;一種是降低或直接阻斷電磁波輻射的傳輸。電磁輻射相關(guān)設(shè)計要滿足EN 50121、GB 8702標準要求。
材料及部件的防火、耐火、防煙、防毒要求應符合DIN 5510標準規(guī)定。地鐵車輛應使用無鹵低煙阻燃或無鹵低煙耐火電線或電纜,不使用可燃材料或燃燒后會產(chǎn)生毒氣的材料。地鐵內(nèi)裝材料的選擇按照標準TB/T 3139—2006《機車車輛內(nèi)裝材料及室內(nèi)空氣有害物質(zhì)限量》的要求。
通過采用新型材料(如碳纖維)降低重量、合理優(yōu)化車輛外形降低運行阻力、采用制動或振動能量回收、提高牽引傳動效率等途徑實現(xiàn)節(jié)能高效。
為提高資源的利用效率、降低環(huán)境負荷、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,在地鐵車輛設(shè)計過程中,要多關(guān)注車輛的可再利用率和可回收利用率,多采用可拆解性結(jié)構(gòu),優(yōu)化材料選擇和利用,避免過度設(shè)計。在軌道交通領(lǐng)域,國外車輛制造廠商已經(jīng)將材料的回收利用率作為重要的、先進的評價指標之一,如法國的AGV高速列車材料回收利用率可達90%。
經(jīng)濟性是指從設(shè)計、制造到整個使用壽命周期的成本控制能力。全壽命周期經(jīng)濟性包括生產(chǎn)經(jīng)濟性(包括設(shè)計、制造等)、運行經(jīng)濟性、維護經(jīng)濟性。經(jīng)濟性指標如圖7所示。
圖7 地鐵車輛經(jīng)濟性指標
在設(shè)計、制造過程中,可通過規(guī)范流程、優(yōu)化配置資源、減少資源的重復投入、提升資源利用率等措施來降低生產(chǎn)成本。要實現(xiàn)降低能量消耗的目標,可通過選用新型材料、優(yōu)化車輛布局、合理配置各部件等措施來實現(xiàn)整車的輕量化;通過優(yōu)化車輛外形可減小氣動阻力;通過優(yōu)化車輪與軌道間的接觸,可減小機械阻力;采用新型能量回收技術(shù),可提升制動或振動能量回收利用率;提升空調(diào)節(jié)能水平等也是有效措施。
在維修階段,應優(yōu)化修程修制,建立地鐵車輛在線監(jiān)測[5]及綜合故障診斷系統(tǒng),利用信息化和數(shù)字化手段,實現(xiàn)車輛由計劃修向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變。
本文從適應性、安全性、舒適性、可靠性/可維護性、環(huán)保性、經(jīng)濟性等方面對地鐵車輛的頂層設(shè)計指標進行了分解和分析。
適應性方面綜合考慮了各種外界因素,如自然環(huán)境、線路特點、運營需求等。安全性方面,對車輛從災害故障識別、障礙物檢測、脫軌檢測、防碰撞監(jiān)控、應急處置能力等提出要求。舒適性方面,重點從乘客、司機、維修人員角度出發(fā),提出了振動、噪聲、壓力、溫度、濕度、照度、人機工程參數(shù)等指標。在可靠性/可用性方面,從列車運維角度出發(fā),通過提高車輛的服務(wù)水平、降低車輛故障率、提升故障診斷和預測水平等途徑,以提升RAMS指標。環(huán)保性方面,主要從節(jié)能、減振降噪、材料綠色可回收等方面進行控制;經(jīng)濟性方面,從生產(chǎn)、運行、維護三個階段分析了影響地鐵經(jīng)濟性的因素。
在以后的研究過程中,還需要對地鐵車輛的頂層設(shè)計指標進一步分析和細化,并研究如何將頂層指標正確分解到車輛的各子系統(tǒng)或零部件上去。通過頂層指標到具體部位的循環(huán)反饋和不斷優(yōu)化,提升車輛的整體性能。
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Analysis of Top-level Design Specifications for Metro Vehicle
SUN Meiyu,ZHONG Yuanmu,LIU Tianfu
Taking metro vehicle as the analysis object,toplevel design specifications in the life cycle of metro vehicle aresummarized from 6 aspects,including theadaptable index,safety index,comfort index,environmental protection index,economy and reliability index.The key factors that affect the overall performance of the metro vehicle are detected.
metro vehicle;top-level design specification;safety index;comfort index;environmental protection index
First-author′s address CRRC Institute,100067,Beijing,China
U270.2
10.16037/j.1007-869x.2017.12.001
*國家科技支撐計劃項目(2015BAG12B01-01)
2017-07-01)