馮伯欣

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山地城市A型地鐵車的特點(diǎn)

馮伯欣

（重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶 401120）

介紹中國(guó)首次研發(fā)的山地城市A型地鐵車（簡(jiǎn)稱As車）的技術(shù)特點(diǎn)，包括與以往不同的技術(shù)規(guī)格、大幅度提高的爬坡能力、改善了的通過(guò)小半徑曲線的性能、提高列車運(yùn)行可靠性的多種措施、提高電磁兼容性的特殊對(duì)策、車體結(jié)構(gòu)的重要改進(jìn)和優(yōu)化等。

爬坡能力；通過(guò)小半徑曲線性能；運(yùn)行可靠性；電磁兼容性；車體結(jié)構(gòu)

重慶市位于長(zhǎng)江、嘉陵江匯合處，城區(qū)被兩江四山分割成為五大部分，形成“一城五片、多中心組團(tuán)式”城市結(jié)構(gòu)。地勢(shì)起伏大，重慶軌道交通多條線路須反復(fù)跨越嘉陵江和長(zhǎng)江，穿過(guò)崇山峻嶺。

2006—2014年是重慶軌道交通第一輪建設(shè)期，所建設(shè)的2、3號(hào)線是單軌交通線路，1、6號(hào)線是地鐵交通線路。1、6號(hào)線所使用的地鐵車輛是B型車，地鐵工程是按原國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50187—2003[1]進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè)的。

根據(jù)規(guī)劃，從2012—2020年是軌道交通第二輪建設(shè)期，在此期間將建設(shè)環(huán)線以及4、5、9、10號(hào)地鐵線路，為了使重慶市軌道交通建設(shè)得更好，在總結(jié)第一輪建設(shè)的基礎(chǔ)上，對(duì)以新的地鐵車輛為中心的技術(shù)方案進(jìn)行了較為周密的策劃，新的地鐵交通系統(tǒng)將更適合山城重慶地形地貌并顯現(xiàn)新時(shí)代氣息。研制新的地鐵車全名叫“山地城市A型地鐵車輛”，簡(jiǎn)稱“As車”。為降低制造、使用、維修成本，實(shí)現(xiàn)資源共享，把這種車作為一種標(biāo)準(zhǔn)車、通用車來(lái)進(jìn)行研發(fā)。

As車經(jīng)過(guò)了精心設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)以及空載試運(yùn)行，證明車輛完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

重慶市政府主管部門還下達(dá)了計(jì)劃，以用戶為主，組織相關(guān)廠、研、院、所編制了重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)《重慶市地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》DBJ 50—244—2016[2]和《山地城市A型地鐵車輛通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ 50 T—259—2017[3]。

首批生產(chǎn)的車輛配備給了5號(hào)線一期工程北段和10號(hào)線一期工程。2017年12月28日投入載客試營(yíng)行，其鮮明的特點(diǎn)和優(yōu)良的性能受到了廣大乘客的歡迎和好評(píng)。現(xiàn)把As車主要技術(shù)特點(diǎn)介紹如下。

1 車輛主要結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行了優(yōu)化

在國(guó)內(nèi)既有的A型車和B型車的基礎(chǔ)上，對(duì)As車的車輛主要結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，如表1所示。

表1 As車的主要技術(shù)規(guī)格

續(xù)表

注：列車編組中：“=”表示半自動(dòng)車鉤，“+”表示半永久式車鉤。

為了適當(dāng)提高載員，使車體寬度與A型車的最大寬度相等；為了改善工藝性，把梯形或鼓形的車輛斷面改為矩形；為適應(yīng)山地城市彎道多和曲線半徑小的特點(diǎn)，車輛長(zhǎng)度與B型車接近；為增大重慶夏天高溫超員狀態(tài)下乘客的呼吸空間，車輛內(nèi)空凈高比A、B型車高出了100 mm，與現(xiàn)有正在營(yíng)運(yùn)的單軌車相同，提高了乘客乘坐舒適度；為了縮短乘客上下車的時(shí)間，客室車門增加了開(kāi)度；為方便列車車門對(duì)準(zhǔn)站臺(tái)門，把全列車客室車門中心距設(shè)計(jì)成同一尺寸；為使車輛在曲線上枕內(nèi)外偏移更接近，根據(jù)設(shè)計(jì)理論[4]，調(diào)整了轉(zhuǎn)向架中心距；為改善通過(guò)小半徑曲線的性能以及減少輪緣磨耗和鋼軌磨耗，縮短了轉(zhuǎn)向架的固定軸距；為了提高在長(zhǎng)大坡道上制動(dòng)的安全性，增加熱容量，基礎(chǔ)制動(dòng)采用了輪盤(pán)制動(dòng)；為了使?fàn)恳龝r(shí)受力更合理，以及能使用通用的調(diào)車機(jī)車，地板面高度和車鉤中心高度與A型車相同等等。

2 提高列車的爬坡能力

為適應(yīng)重慶市的地形地貌，有效地降低工程造價(jià)，對(duì)線路提出了如下要求：“區(qū)間隧道正線坡度不宜大于45‰，困難地段可采用50‰；聯(lián)絡(luò)線、出入線的最大坡度不應(yīng)大于50‰；正線露天線路及洞口100 m以內(nèi)線路坡度不宜大于35‰，如采取防雨冰雪措施，并通過(guò)技術(shù)論證，坡度不應(yīng)大于50‰。各種最大坡度值均不應(yīng)計(jì)入各種坡度折減值”。與現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)誰(shuí)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50157—2003相比，重慶地鐵關(guān)于線路坡度的規(guī)定有較大幅度的提高。

為確保列車在大坡道上運(yùn)行的安全性，主要采取了以下技術(shù)措施：

1）列車編組采用了5動(dòng)1拖編組方式，不但確保了牽引狀態(tài)下具有足夠的黏著牽引力，還確保了救援工況下黏著系數(shù)在允許的范圍內(nèi)。其動(dòng)力配置如圖1所示。

圖1 列車牽引動(dòng)力配置

2）牽引和制動(dòng)均采用了架控方式，提高控制的精細(xì)程度，有利于充分發(fā)揮牽引力和制動(dòng)力；

3）基礎(chǔ)制動(dòng)裝置全部采用輪盤(pán)式，使之具有充分的熱容量，確保車輪在長(zhǎng)大坡道上的制動(dòng)安全性；

4）每個(gè)車輪安裝了增黏型踏面清掃器[5]，有利于提高黏著系數(shù)和保護(hù)車輪踏面。

3 改善列車通過(guò)小半徑曲線的性能

同樣是為適應(yīng)重慶市的地形地貌，有效地降低工程造價(jià)，對(duì)線路提出地鐵車輛通過(guò)圓曲線最小曲線半徑的要求，如表2所示。

表2 車輛通過(guò)圓曲線最小曲線半徑

注：為列車速度。

從表中可以看出，與原國(guó)家標(biāo)誰(shuí)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50157—2003相比，重慶地鐵車輛通過(guò)圓曲線最小曲線半徑的要求更嚴(yán)了。

為滿足車輛通過(guò)圓曲線最小曲線半徑的要求，減小通過(guò)曲線時(shí)的磨耗功，使輪緣磨耗和鋼軌磨耗減到最小，采取了如下的措施：

1）縮短轉(zhuǎn)向架固定軸距，考慮到輪盤(pán)式基礎(chǔ)制動(dòng)裝置和牽引電機(jī)的安裝空間，最終確定為2 200 mm，這也是國(guó)內(nèi)采用輪盤(pán)式基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)向架中固定軸距最小的。通過(guò)計(jì)算可知，與軸距為2 300 mm同類轉(zhuǎn)向架相比，通過(guò)相同半徑的圓曲線時(shí)，其磨耗功能降低約5%，如與軸距為2 500 mm的轉(zhuǎn)向架相比，通過(guò)相同半徑的圓曲線時(shí)其磨耗功將有更大幅度的降低。

2）安裝了干式輪緣潤(rùn)滑裝置[6]，用以通過(guò)曲線時(shí)降低噪聲和改善輪緣磨耗及鋼軌磨耗。之所以采用干式，主要是為了使?jié)櫥糠旨性谳喚墸軠p少輪緣磨耗和鋼軌磨耗外，干式輪緣潤(rùn)滑裝置對(duì)降低過(guò)小曲線時(shí)的噪聲有明顯效果。選用干式輪緣潤(rùn)滑裝置，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單可靠、輪緣潤(rùn)滑塊性能穩(wěn)定且不污染環(huán)境。

3）轉(zhuǎn)向架的配置，有意把非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架配置在列車的最前端和最末端，有利于防滑器速度信號(hào)的采集以及改善列車導(dǎo)向性能。

4 提高列車運(yùn)行可靠性的措施

4.1 雙弓并聯(lián)受電

如上所述，每個(gè)動(dòng)力單元增加了2臺(tái)牽引電機(jī)，列車的受電弓不僅要通過(guò)牽引電流，還要通過(guò)比牽引電流大很多的制動(dòng)電流，為確保電流密度不超過(guò)允許值，每動(dòng)力單元采用了雙弓并聯(lián)受電。雙弓并聯(lián)受電有以下優(yōu)點(diǎn)：降低了離線率、減少電弧對(duì)滑板的磨損、對(duì)改善濾波電容器和VVVF（variable voltage variable frequency）逆變器及其IGBT（insulated gate bipolar transistor）元件的工作條件有重要意義。

4.2 輔助三相交流中壓電源實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)供電

全列車4個(gè)輔助逆變裝置輸出的三相交流中壓電源實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)供電，使空調(diào)機(jī)組等大負(fù)載起動(dòng)時(shí)減少因起動(dòng)電流對(duì)供電質(zhì)量造成的沖擊。不僅如此，如列車中任意一套輔助電源退出運(yùn)行時(shí)，空調(diào)機(jī)組等用電設(shè)備可照常運(yùn)行而不必減載。三相380 V中壓供電系統(tǒng)和直流110 V低壓供電系統(tǒng)均考慮了在發(fā)生局部接地或短路故障時(shí)能將故障回路切除，維持列車?yán)^續(xù)運(yùn)行的措施。

4.3 過(guò)壓保護(hù)故障監(jiān)控回路

與電阻制動(dòng)的列車不同，再生制動(dòng)列車再生吸負(fù)荷有時(shí)波動(dòng)較大，濾波電容器C兩端發(fā)生過(guò)電壓的可能性變大，過(guò)壓保護(hù)回路及其相關(guān)各元件是否處于正常狀態(tài)，就顯得更加重要?！斑^(guò)壓保護(hù)故障監(jiān)控回路”的任務(wù)是實(shí)時(shí)監(jiān)控過(guò)壓保護(hù)回路和器件，一旦發(fā)現(xiàn)不正常立刻斷開(kāi)主回路。

這是一個(gè)非常巧妙的電路，它并沒(méi)有額外增加元件，只是改變了電路接點(diǎn)，如圖2所示。

圖中C為濾波電容器，OVD是過(guò)壓保護(hù)用IGBT，WH為電壓傳感器，R為過(guò)壓釋放電阻。當(dāng)電壓傳感器WH檢測(cè)到濾波電容器C兩端電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)（例如1 900 V），OVD導(dǎo)通，電容器C通過(guò)電阻R放電，使?fàn)恳孀兤鲀啥穗妷航档皆试S設(shè)定值以下，保護(hù)了逆變電器IGBT元件。但如果過(guò)壓保護(hù)電路中任何一處不正常（如過(guò)壓釋放回路開(kāi)路、電壓傳感器失效、IGBT元件擊穿、邏輯電路故障等），所有IGBT就失去了過(guò)壓保護(hù)作用而處于危險(xiǎn)狀態(tài)，在這種情況下，“過(guò)壓保護(hù)故障監(jiān)控回路”就能發(fā)揮關(guān)鍵作用，它實(shí)時(shí)監(jiān)控過(guò)壓保護(hù)電路，一旦發(fā)現(xiàn)上述任何一種不正常情況，WH輸出立即變低電平，它通過(guò)控制電路以最快的速度，把本牽引支路高速斷路HB斷開(kāi)，中止?fàn)恳孀兤鲙Р」ぷ?，IGBT元件過(guò)壓保護(hù)的安全性大大增加了。

圖2 過(guò)壓保護(hù)故障監(jiān)控回路

4.4 雙單元列車編組

繼承了重慶1、6號(hào)線地鐵列車編組的成熟經(jīng)驗(yàn)，把每列車分成2個(gè)獨(dú)立單元，正常情況下2個(gè)單元統(tǒng)一集中控制，當(dāng)其中任何1個(gè)單元發(fā)生故障時(shí)，可將該故障單元切除，因此要求相關(guān)的兩單元之間的控制線、網(wǎng)絡(luò)線、空氣管路等都要服從這個(gè)要求，這樣，當(dāng)車輛發(fā)生故障時(shí)，列車可由健全單元牽引，在最短時(shí)間內(nèi)自力退出運(yùn)行，一般不需要調(diào)動(dòng)救援列車對(duì)故障列車實(shí)施救援，最大限度地減少因救援對(duì)營(yíng)運(yùn)造成的影響。

5 提高電磁兼容性的重要措施

VVVF逆變器的輸出電壓都是方波，其中包含了大量的高次諧波，在傳輸過(guò)程中，由于接逆變器和電機(jī)的電纜對(duì)地之間存在雜散電容，電機(jī)線圈與鐵心間也存在雜散電容，高次諧波通過(guò)這些雜散電容，向周圍空間發(fā)射很強(qiáng)的電磁波，對(duì)無(wú)線電設(shè)備產(chǎn)生干擾，影響周圍機(jī)器設(shè)備的正常工作。為減少這種危害，車輛配線參照了日本標(biāo)準(zhǔn)[9]，采取了以下措施，如圖3所示：

圖3 高次諧波干擾抑制措施

1）逆變器至電機(jī)之間的3根連接電纜敷設(shè)時(shí)需交叉換位，如有困難應(yīng)盡量捆扎在一起；

2）電機(jī)外殼接地線與車體上的匯流排相連，匯流排再與接地裝置上的負(fù)極回流電刷相連接；

3）同時(shí)電機(jī)外殼接地線還要與電機(jī)3根電源線綑在一起，穿過(guò)鋁質(zhì)電線管或鋁質(zhì)線槽，與VVVF箱體內(nèi)負(fù)極回流線相連。

6 車體結(jié)構(gòu)重要改進(jìn)

6.1 車體結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)成矩形

車體結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)成矩形帶來(lái)的好處主要有以下幾點(diǎn)：

1）為鋁合金車體全面采用攪拌摩擦焊[7]創(chuàng)造了條件，特別是車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)，由曲面改成平面后，車體結(jié)構(gòu)六面體基本上全都能方便地采用攪拌摩擦焊，不但縮小了焊接熱影響區(qū)，提高了車體結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量，而且在焊接現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)見(jiàn)不到弧光、煙霧等污染，操作工人勞動(dòng)環(huán)境得到了很大改善；

2）簡(jiǎn)化了車體側(cè)墻組焊工裝和車體結(jié)構(gòu)總組焊工裝，有利于提高組焊質(zhì)量，降低了焊接工時(shí)和成本。

6.2 取消空調(diào)機(jī)組嵌入式安裝平臺(tái)

如圖4所示，傳統(tǒng)的車頂空調(diào)機(jī)安裝平臺(tái)采用“嵌入式”，須在車頂開(kāi)2個(gè)缺口，再把預(yù)制好的安裝平臺(tái)嵌入，再滿焊，達(dá)到水密要求。不但工序多、費(fèi)工時(shí)，還影響車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。改進(jìn)后的車頂結(jié)構(gòu)取消了缺口、空調(diào)機(jī)由平底改成圓弧底，跨座在車頂上，取消了風(fēng)道上方的多余空間。這種車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省材料、節(jié)省工時(shí)、簡(jiǎn)化工裝、提高了車體強(qiáng)度和剛度。

圖4 車頂結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

6.3 免裝抗側(cè)滾扭桿

研究表明，地鐵車輛免裝抗側(cè)滾扭桿有利于提高車輛動(dòng)力學(xué)性能[8]，經(jīng)計(jì)算、試驗(yàn)和試運(yùn)行證明，免裝抗側(cè)滾扭桿裝置的As車，側(cè)滾小，車輛運(yùn)行平穩(wěn)性良好，車輛各種動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)良。為適當(dāng)降低柔性系數(shù)，加大了空氣彈簧的橫向中心距，采用了膜式空氣彈簧，車輛限界符合重慶市制定的地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范。免裝抗側(cè)滾扭桿裝置后減輕了車輛的自重，確保了車輛軸重不超過(guò)15 t，同時(shí)還減少了車輛維修工作量。

為使乘客上下車更快捷，客室車門開(kāi)度由1 300 mm擴(kuò)大到1 400 mm。另外為方便站臺(tái)安全門設(shè)計(jì)、施工和使用，全列車客室車門中心設(shè)計(jì)成等間距。

7 環(huán)保和節(jié)電措施

7.1 車體前端和內(nèi)墻板采用環(huán)保材料

國(guó)際和國(guó)內(nèi)一些鐵道車輛的生產(chǎn)廠家，很多采用FRP（fiberglass reinforced plastics）制作流線型前端和內(nèi)墻板，主要優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、耐腐蝕、容易成型，缺點(diǎn)是大修拆除時(shí)無(wú)法回收再利用，需要深埋處理，占用土地，不利于環(huán)境保護(hù)。

為子孫后代考慮，對(duì)于As車的前端和內(nèi)墻板決定不再采用FRP制造，而全部是用鋁合金設(shè)計(jì)和制造，如圖5所示，將來(lái)大修時(shí)可以回收，不會(huì)造成環(huán)境污染問(wèn)題。

7.2 再生制動(dòng)能量的回收和再利用

重慶軌道交通建設(shè)從第一輪開(kāi)始，單軌車和地鐵車上就不裝制動(dòng)電阻，平均每輛車減重300～500 kg，1 500多輛車經(jīng)多年運(yùn)行，因不裝制動(dòng)電阻而減重產(chǎn)生的節(jié)電效果十分可觀。2號(hào)線單軌車再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量除反饋給其他運(yùn)行車輛使用外，發(fā)送到變電站經(jīng)斬波控制后，將消耗在設(shè)置于變電所地面的電阻上。

第一輪建設(shè)期間的3號(hào)線單軌交通系統(tǒng)和1、6號(hào)地鐵交通系統(tǒng)，除列車上不裝制動(dòng)電阻外，還在變電站裝設(shè)了“再生制動(dòng)能量吸收裝置”，再生制動(dòng)的電能，除供給其他列車吸收外，還通過(guò)逆變器供給車站空調(diào)、動(dòng)力和照明用電，剩余電能通過(guò)動(dòng)力變壓器反饋到一次側(cè)電網(wǎng)，不但收到了良好的節(jié)電效果，還為所有運(yùn)行的列車提供了穩(wěn)定的電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

圖5 鋁合金結(jié)構(gòu)車輛前端

重慶軌道交通第二輪建設(shè)繼續(xù)利用了這些寶貴經(jīng)驗(yàn)，As車上未裝制動(dòng)電阻，在變電站裝設(shè)再生制動(dòng)能量吸收裝置，繼續(xù)發(fā)揮節(jié)電環(huán)保的良好效果。

在環(huán)保方面，由于不用電阻制動(dòng)，排放到隧道內(nèi)的電阻制動(dòng)熱量接近零，隧道通風(fēng)機(jī)的負(fù)擔(dān)大大減輕，隧道內(nèi)溫升梯度大幅度減緩。由于充分利用了電制動(dòng)，使用機(jī)械摩擦制動(dòng)的比例大幅度減少，閘瓦或閘片磨耗產(chǎn)生的粉塵幾乎減少了90%以上。

8 結(jié)語(yǔ)

1）As車是繼A、B型地鐵車后，又一種我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的大型地鐵車型，是中國(guó)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)；

2）As車爬坡能力強(qiáng)，通過(guò)曲線性能好的特點(diǎn)特別適合山地城市使用；

3）As車在車體、轉(zhuǎn)向架、電牽系統(tǒng)、環(huán)保、節(jié)能及電磁兼容等方面進(jìn)行了大膽創(chuàng)新或改進(jìn)，乘客乘坐的平穩(wěn)性和舒適性優(yōu)良；車輛運(yùn)行技術(shù)性能以及制造、使用、維修方面的工藝性和經(jīng)濟(jì)性能良好，不僅適用于山地城市，也值得向其他城市推廣應(yīng)用。

[1] 地鐵車輛通用技術(shù)條件: GB/T 7928—2003[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2004.

General technical specification for metro vehicles: GB/T 7928–2003[S]. Beijing: Standards Press, 2004.

[2] 重慶市地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范: DBJ 50—244—2016[S]. 重慶, 2016. Specification for design of Chongqing city subway: DBJ 50—244—2016[S]. Chongqing, 2016.

[3] 山地城市A型地鐵車輛通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn): DBJ 50T—259—2017[S]. 重慶, 2017. Mountain city a metro vehicle general technical standard: DBJ 50T—259—2017[S]. Chongqing, 2017.

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（編輯：曹雪明）

Characteristics of a Type-A Metro Car for a Mountainous City

FENG Boxin

(Chongqing Rail Transit Group Co., Ltd., Chongqing 401120)

This paper introduces the technical characteristics of a type-A metro car (hereafter referred to as an As vehicle) for mountainous cities. This vehicle was first developed in China, including the different technical specifications, which signify-cantly improved climbing ability and the performance through a small radius curve. Measures are taken to increase train operational reliability and electromagnetic compatibility. The body structure of the car is also optimized.

climbing ability; performance through a small radius curve; operational reliability; electromagnetic compatibility; body structure

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.04.009

U231

A

1672-6073(2018)04-0040-05

2018-03-09

2018-04-09

馮伯欣，男，副總工程師兼車輛技術(shù)總監(jiān)，從事地鐵車輛技術(shù)研究創(chuàng)新工作，1776267337@qq.com

重慶市發(fā)展和改革委員會(huì)渝發(fā)改交（[2013]1505號(hào)；[2014]）466號(hào)；[2014]1483號(hào)；[2015]725號(hào)）