王成龍， 董 皓， 李 文

(1.武漢車都軌道交通有限公司， 武漢 430056；

武漢市大漢陽地區(qū)現(xiàn)代有軌電車試驗(yàn)線工程線路全長(zhǎng)約16.8 km，全線共設(shè)車站22座，均為地面站. 線路西起黃陵官蓮湖東側(cè)，終點(diǎn)位于沌陽大道車輪廣場(chǎng)，與地鐵3號(hào)線換乘. 全線設(shè)官蓮湖車輛段與綜合基地(以下簡(jiǎn)稱官蓮湖車輛基地)一處，位于鳳凰大道—幸福三路西南角地塊，接軌于幸福三路站. 車輛段占地約16.9 hm2. 車輛基地承擔(dān)全線車輛停放、運(yùn)用和各修程檢修作業(yè).

本工程初期配屬21列車輛，車輛采用100%低地板鋼輪鋼軌現(xiàn)代有軌電車，正線和車輛基地采用儲(chǔ)能式供電方式. 該工程初、近期采用4模塊組運(yùn)行，近遠(yuǎn)期高峰時(shí)段采用4模塊兩列聯(lián)掛編組模式，以解決高峰時(shí)段大客流問題，且該方案編組靈活，維護(hù)方便[1].

1 車輛概況

車輛采用超級(jí)電容儲(chǔ)能供電模式，無接觸網(wǎng)，車站充電與儲(chǔ)能電源供電運(yùn)行. 儲(chǔ)能電源采用功率型超級(jí)電容單元，大電流充放電可保障實(shí)現(xiàn)高效、循環(huán)使用電能，達(dá)到潔凈節(jié)能、低碳環(huán)保的效果[2]. 每個(gè)站臺(tái)均設(shè)置成套直流充電裝置，充電電壓為DC500～DC900V. 車輛采用被動(dòng)式受電器受電，在車輛進(jìn)站?？可舷驴蜁r(shí)完成車輛充電，充電時(shí)間約10～30 s. 列車設(shè)計(jì)速度70 km/h，車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命為30年.

1.1 車輛編組形式

車輛采用模塊化裝配方式，其包含4個(gè)基本功能模塊，各模塊之間采用單鉸或雙鉸等鉸接裝置和貫通道連接成一列車，每列車設(shè)置4臺(tái)轉(zhuǎn)向架；列車端部設(shè)有折疊車鉤，用于實(shí)現(xiàn)兩列車的聯(lián)掛編組；每列車的編組方式如圖1[3].

圖1 車輛編組示意圖

車輛編組方式=(折疊車鉤)Mc1(帶司機(jī)的動(dòng)車模塊)+(單鉸)T(拖車模塊)+(雙鉸)M(動(dòng)車模塊)+Mc2(帶司機(jī)的動(dòng)車模塊)=(折疊車鉤)

1.2 儲(chǔ)能電源

超級(jí)電容作為主要的儲(chǔ)能電源，為車輛提供運(yùn)行所需的能量，地面充電裝置在車輛到站時(shí)給儲(chǔ)能電源充電，車運(yùn)行中由儲(chǔ)能電源給車輛供電，同時(shí)制動(dòng)狀態(tài)時(shí)回收制動(dòng)能量. 儲(chǔ)能電源主要由箱體、模組、主控單元、檢測(cè)與保護(hù)電路、散熱系統(tǒng)等構(gòu)成，其中模組的電壓均衡單元、主控單元、檢測(cè)與保護(hù)電路等構(gòu)成電源管理系統(tǒng).

圖2 儲(chǔ)能電源

每套儲(chǔ)能電源的參數(shù)如表1所示.

1.3 轉(zhuǎn)向架

車輛轉(zhuǎn)向架采用西門子成熟平臺(tái)Combino Plus的獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架，車輛配置有4臺(tái)轉(zhuǎn)向架，包括3臺(tái)動(dòng)車轉(zhuǎn)向架和1臺(tái)拖車轉(zhuǎn)向架；為了實(shí)現(xiàn)車輛100%低地板，轉(zhuǎn)向架采用了獨(dú)立車輪結(jié)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)單元縱向安裝在轉(zhuǎn)向架外側(cè)；轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)采用液壓盤形制動(dòng)；轉(zhuǎn)向架安裝有磁軌制動(dòng)；轉(zhuǎn)向架二系懸掛采用錐形橡膠堆彈簧[4].

表1 儲(chǔ)能電源參數(shù)表

車輛的動(dòng)車轉(zhuǎn)向架車輪設(shè)計(jì)為牽引電機(jī)側(cè)面橫向耦合驅(qū)動(dòng)的獨(dú)立式車輪；車輛的拖車轉(zhuǎn)向架車輪為軸橋式獨(dú)立車輪，均采用二系懸掛.

1—軸橋; 2—構(gòu)架; 3—橫向、垂向止擋; 4—二系懸掛; 5—車體旋轉(zhuǎn)止擋; 6—驅(qū)動(dòng)裝置; 7—線纜; 8—輪緣潤(rùn)滑; 9—銘牌; 10—磁軌制動(dòng); 11—排障器; 12—擋泥板; 13—彈簧儲(chǔ)能制動(dòng)單元; 14—牽引桿; 15—錐形附件; 16—管路圖3 獨(dú)立車輪式動(dòng)力轉(zhuǎn)向架

動(dòng)車轉(zhuǎn)向架主要由牽引電機(jī)、構(gòu)架、軸橋裝置、一系懸掛系統(tǒng)、二系懸掛系統(tǒng)、磁軌制動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)軸箱、盤形制動(dòng)器、牽引裝置等主要部件裝配組成. 每個(gè)牽引電機(jī)和2個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪箱剛性裝配組成驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置縱向布置在構(gòu)架側(cè)梁外側(cè)，驅(qū)動(dòng)單元通過4點(diǎn)架懸在構(gòu)架上，同時(shí)驅(qū)動(dòng)側(cè)面的2個(gè)車輪.

拖車轉(zhuǎn)向架主要由一系懸掛系統(tǒng)、軸橋裝置、構(gòu)架、盤形制動(dòng)器、二系懸掛系統(tǒng)、磁軌制動(dòng)系統(tǒng)、牽引裝置等主要部件裝配組成.

轉(zhuǎn)向架采用獨(dú)立車輪結(jié)構(gòu)，其主要由軸橋、彈性車輪、獨(dú)立車輪軸承及附屬部件裝配組成. 獨(dú)立車輪軸承采用一大一小配置的雙列圓錐滾子軸承，軸承采用迷宮密封結(jié)構(gòu)，能很好地防污、防油及防水.

車輪采用彈性車輪，它由金屬部件和一些有預(yù)應(yīng)力的橡膠件(夾雜在鋼鐵部件間)組成. 輪胎便于更換，輪座設(shè)計(jì)有利于軸承維護(hù)的注脂孔.

轉(zhuǎn)向架采用兩級(jí)懸掛系統(tǒng). 一系懸掛由8個(gè)金屬- 橡膠錐形彈簧組成(每個(gè)車輪上2個(gè))，其合適的縱向和橫向剛度以保證轉(zhuǎn)向架良好的曲線通過能力，可以通過插入墊片調(diào)整分配到車輪上的載荷. 二系懸掛由4個(gè)沙漏狀橡膠彈簧組成，其安裝在構(gòu)架懸伸梁兩側(cè)，能夠最大限度地減少車體滾動(dòng)，保證乘坐的舒適性，也可以通過插入墊片補(bǔ)償車輪的磨耗量.

轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量小，尤其是簧下質(zhì)量，其中動(dòng)力轉(zhuǎn)向架質(zhì)量約為4 810 kg，非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架質(zhì)量約為3 355 kg. 低的轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，尤其是低的簧下質(zhì)量能減輕輪軌作用力，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完整，安全，使用壽命長(zhǎng)[5].

1.4 折疊車鉤裝置

有軌電車車輛車鉤采用折疊式車鉤，主要由安裝吊掛系統(tǒng)、緩沖器組成、轉(zhuǎn)動(dòng)臂組成和連掛系統(tǒng)等裝配組成，具有手動(dòng)連掛和手動(dòng)解鎖功能. 轉(zhuǎn)動(dòng)臂的中間轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)置鎖定功能，在車鉤打開拉后，中間關(guān)節(jié)處于鎖定位；當(dāng)需要折疊時(shí)，通過手動(dòng)拉動(dòng)解鎖拉繩解除鎖定；車鉤桿座采用帶緩沖的球軸承.

圖4 Albert折疊車鉤

1.5 液壓制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置

本項(xiàng)目車輛的制動(dòng)模式主要包括常用制動(dòng)模式、緊急制動(dòng)模式、自動(dòng)緊急制動(dòng)模式、安全制動(dòng)模式、強(qiáng)制制動(dòng)模式、停放制動(dòng)模式和保持制動(dòng)模式.

1)安全制動(dòng) 屬于最高級(jí)別的制動(dòng)形式，通過司機(jī)室蘑菇按鈕或安全回路(雙線雙斷)中斷施加， 安全制動(dòng)一旦觸發(fā)， 在車輛完全停止前不能被取消. 該模式將至少施加車輛上所有被動(dòng)式液壓彈簧制動(dòng).

2)停放制動(dòng) 由動(dòng)車轉(zhuǎn)向架上的被動(dòng)式彈簧制動(dòng)施加，滿足最大規(guī)定坡度上使?jié)M載列車靜置的要求.

3)強(qiáng)制制動(dòng) 該制動(dòng)模式僅在監(jiān)測(cè)到防折彎系統(tǒng)低壓故障時(shí)自動(dòng)觸發(fā). 由于此時(shí)防折彎系統(tǒng)失效 ，為了防止制動(dòng)時(shí)在各車體模塊間產(chǎn)生大的不均衡力 ，將使制動(dòng)力在各模塊間均衡分布. 該模式施加動(dòng)車上的電制動(dòng)和拖車上的液壓制動(dòng).

車輛液壓制動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)車轉(zhuǎn)向架配置被動(dòng)式液壓彈簧制動(dòng)系統(tǒng)、拖車轉(zhuǎn)向架配置主動(dòng)式液壓盤式制動(dòng)系統(tǒng)；全部轉(zhuǎn)向架均設(shè)置磁軌制動(dòng)系統(tǒng)；每動(dòng)車上配置兩套緊湊型雙向撒砂系統(tǒng)，分別負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)側(cè)輪對(duì)的撒砂[6].

1.6 空調(diào)系統(tǒng)

客室和司機(jī)室應(yīng)分別設(shè)置制冷、采暖、通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)組均采用熱泵空調(diào)機(jī)組技術(shù). 在T和M模塊上各布置一臺(tái)額定制冷量為40 kW、額定制熱量為18 kW的模塊式熱泵空調(diào)機(jī)組，空調(diào)機(jī)組送回風(fēng)形式采用單側(cè)送風(fēng)、下側(cè)送風(fēng)、下側(cè)回風(fēng)的模式. 在車輛的MC1和MC2模塊端部車頂各布置一個(gè)額定制冷量為4 kW、額定制熱量為2 kW的獨(dú)立空調(diào)，保障司機(jī)室的空氣調(diào)節(jié). 空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)通過風(fēng)道在車內(nèi)頂板設(shè)置的靜壓送風(fēng)道系統(tǒng)給車內(nèi)客室送風(fēng).

空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了光等離子空氣凈化技術(shù)，對(duì)相車廂客室內(nèi)的細(xì)菌、真菌等大量動(dòng)態(tài)污染物有著全面凈化的綜合效果[7].

圖5 制動(dòng)系統(tǒng)示意圖

圖6 空調(diào)系統(tǒng)原理圖

客室空調(diào)機(jī)組采用高壓直流變頻空調(diào)，熱泵機(jī)組制熱，客室空調(diào)機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)：送風(fēng)量≥8 000 m3/h；額定制冷量≥2×40 kW；額定制熱量≥2×20 kW.

司機(jī)室空調(diào)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)：送風(fēng)量≥700 m3/h(700、500、350三檔可調(diào))；額定制冷量≥4 kW；額定制熱量≥3.8 kW(含800 W足部取暖器)

氣流組織：沿車輛長(zhǎng)度方向中部送風(fēng)道送風(fēng)；沿車輛長(zhǎng)度方向兩側(cè)內(nèi)裝回風(fēng)孔回風(fēng)；通過牽引箱與超級(jí)電容箱排氣口排風(fēng).

2 電氣總體方案

2.1 電氣系統(tǒng)方案

在T模塊設(shè)置一臺(tái)受電器，通過T模塊車頂?shù)母邏合涞母邏耗概沤o3個(gè)并聯(lián)的儲(chǔ)能電源箱進(jìn)行充電. 在高壓箱對(duì)整車高壓用電設(shè)備進(jìn)行電源分配. 如圖7為主電路原理圖.

圖7 主電路原理圖

列車牽引系統(tǒng)設(shè)備主回路包括：受電器、避雷器、熔斷器、儲(chǔ)能電源、電流傳感器、高速斷路器等設(shè)備. 觸網(wǎng)高壓電通過受電器給儲(chǔ)能電源供電，儲(chǔ)能電源通過高速斷路器給牽引系統(tǒng)主電路供電，通過熔斷器給輔助系統(tǒng)供電. 避雷器能防止來自車輛外部的過電壓(如雷擊等)和車輛內(nèi)部的操作過電壓對(duì)車輛電氣設(shè)備絕緣的破壞. 電流傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)輸送給車輛的電流[8].

列車控制網(wǎng)絡(luò)采用2套網(wǎng)絡(luò)方案. 采用MVB總線對(duì)牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理. 采用CANopen網(wǎng)絡(luò)對(duì)車載信號(hào)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、車輛儲(chǔ)能電源管理系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)、車門裝置等進(jìn)行監(jiān)控和控制管理，并實(shí)現(xiàn)列車級(jí)的故障信息診斷和信息監(jiān)視.

司機(jī)室占有、列車占有，司機(jī)室占有信號(hào)由司機(jī)鑰匙控制，并通過列車占有繼電器和列車線實(shí)現(xiàn)兩端司機(jī)室的互鎖.

2.2 列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)

列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)(TCMS)采用符合IEC61375標(biāo)準(zhǔn)的總線網(wǎng)絡(luò)組成，它將整列車的各個(gè)系統(tǒng)的智能單元聯(lián)結(jié)組成列車網(wǎng)絡(luò)，完成車輛的通信信息管理、故障信息診斷、顯示信息和記錄事件、信息傳送等主要功能. 列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：車載硬件、操作系統(tǒng)、控制軟件和便攜式維護(hù)工具[9].

本項(xiàng)目采用MVB+CANopen兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，牽引、輔助、制動(dòng)等設(shè)備將通過MVB通信；儲(chǔ)能電源、車門、空調(diào)、PIS等系統(tǒng)通過CANopen網(wǎng)絡(luò)通信.

車輛控制系統(tǒng)分為列車控制級(jí)、車輛模塊控制級(jí)與子系統(tǒng)控制級(jí)3級(jí)(包括牽引控制、制動(dòng)控制、液壓制動(dòng)、車門控制、乘客信息系統(tǒng)等)，3級(jí)控制級(jí)均具備冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). 對(duì)列車和車輛級(jí)總線設(shè)計(jì)采用雙通道冗余方案，其中一路通信線路發(fā)生故障時(shí)，車輛的控制系統(tǒng)可快速切換到另一路通信線路，保障車輛運(yùn)行的正常通信[10].

3 車輛特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

車輛選用西門子Combino轉(zhuǎn)向架平臺(tái)系統(tǒng)，并應(yīng)用單鉸鉸接和雙鉸鉸接模式，每個(gè)車輛模塊配備一臺(tái)轉(zhuǎn)向架，車輛的軸質(zhì)量小于10 t. 相比其他車輛，由于軸質(zhì)量小，有利于降低對(duì)鋼軌的沖擊，減少磨損，有效的降低軌道道岔系統(tǒng)的維修維護(hù)成本. 車輛的車輪采用彈性車輪，可有效降噪、減震，提高乘客體驗(yàn)感和舒適度.

本項(xiàng)目全線采用超級(jí)電容儲(chǔ)能+車站快速充電的無觸網(wǎng)供電技術(shù). 超級(jí)電容利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)，功率密度大. 雙電層超級(jí)電容具備充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、操作簡(jiǎn)單方便、維護(hù)成本低等明顯優(yōu)勢(shì)；本項(xiàng)目的車輛儲(chǔ)能電源

單體采用最新一代的9 500 F與12 000 F的超級(jí)電容單體，單體容量國內(nèi)領(lǐng)先水平.

車輛制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)先采用電制動(dòng)，電制動(dòng)反饋能量?jī)?yōu)先被儲(chǔ)能裝置吸收，制動(dòng)能量吸收率不低于98%，節(jié)省電能，減少閘瓦磨耗.

4 結(jié)論與建議

超級(jí)電容儲(chǔ)能電能約12.63 kWh，滿足直線段約4 km的續(xù)航能力，但在路口較多、紅燈停車等待時(shí)間長(zhǎng)、啟停次數(shù)較多的情況下續(xù)航里程較短；進(jìn)一步研究提高單體電容的容量，提高超級(jí)電容的能量密度，解決啟停次數(shù)較多時(shí)續(xù)航里程較短的風(fēng)險(xiǎn).

通過平交路口信號(hào)優(yōu)先子系統(tǒng)的信號(hào)優(yōu)先控制，優(yōu)化對(duì)交叉路口交通信號(hào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)有軌電車車輛進(jìn)行傾斜性的信號(hào)分配，提高有軌電車在交叉口的通行效率，確保有軌電車的優(yōu)先通行權(quán). 通過有軌電車優(yōu)先通過的控制，解決紅燈停車等待、多次啟停情況下續(xù)航里程較短的風(fēng)險(xiǎn)，確保有軌電車的高效、準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)營(yíng)[11].

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