鄒欣 鄒曉宇 吳輝

摘 要：文章從車(chē)輛的內(nèi)部、外部、車(chē)輛底架設(shè)備布置等方面對(duì)金普線城際車(chē)輛總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行闡述，并結(jié)合現(xiàn)有車(chē)輛設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算方法對(duì)車(chē)輛限界、載客量和重量分配等進(jìn)行校核計(jì)算，最后從車(chē)輛安全性設(shè)計(jì)以及遠(yuǎn)期擴(kuò)編需求角度對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論述，充分證明金普線城際車(chē)輛總體設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：城際車(chē)輛;金普線;總體設(shè)計(jì);遠(yuǎn)期擴(kuò)編

中圖分類(lèi)號(hào)：U270.2

大連市金州新區(qū)至普灣新區(qū)城際鐵路（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“金普線”）正線長(zhǎng)43.152 km，采用DC1500V架空接觸網(wǎng)受電，最高運(yùn)行速度為120km/h[1]。中車(chē)大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司在既有自主研發(fā)的B型地鐵車(chē)輛[2]基礎(chǔ)上，根據(jù)大連地區(qū)以往各線路車(chē)輛運(yùn)用反饋情況，結(jié)合用戶(hù)需求，為大連市金普線設(shè)計(jì)車(chē)輛，設(shè)計(jì)使用壽命為30年[3]。

1 車(chē)輛編組形式及主要技術(shù)參數(shù)

金普線城際車(chē)輛采用2動(dòng)2拖4節(jié)編組，其編組形式為：+ Tc - Mp - Mp - Tc +。其中+表示半自動(dòng)車(chē)鉤， Tc表示帶司機(jī)室的拖車(chē)，-表示半永久棒式車(chē)鉤，Mp表示帶受電弓的動(dòng)車(chē)。車(chē)輛主要技術(shù)參數(shù)符合GB50157-2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]的相關(guān)要求，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 車(chē)輛主要技術(shù)特點(diǎn)

車(chē)輛采用薄壁筒型整體承載的輕量化不銹鋼車(chē)體結(jié)構(gòu)[5]、簡(jiǎn)潔大方時(shí)尚的內(nèi)飾設(shè)計(jì)、成熟平臺(tái)衍生的轉(zhuǎn)向架、先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、集中控制式LED照明系統(tǒng)和高度集成式乘客信息顯示系統(tǒng)。客室門(mén)采用雙扇電動(dòng)塞拉門(mén)，一體式貫通道，每節(jié)客室車(chē)頂配置2臺(tái)35 kW智能化節(jié)能型空調(diào)機(jī)組，司機(jī)室設(shè)增壓風(fēng)機(jī)，頭車(chē)采用半自動(dòng)車(chē)鉤，車(chē)輛間采用半永久牽引桿。車(chē)輛具有綠色、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)。

3 車(chē)輛總體設(shè)計(jì)

車(chē)輛總體設(shè)計(jì)是對(duì)車(chē)輛設(shè)計(jì)的總體策劃，綜合考慮用戶(hù)使用的便捷性及維護(hù)的可操作性，車(chē)輛采用大量的模塊化設(shè)計(jì)，各系統(tǒng)功能均有較高的集成度。Tc車(chē)外部設(shè)備總體布置如圖1所示，Mp車(chē)內(nèi)部設(shè)備總體布置如圖2所示（Tc車(chē)和Mp車(chē)車(chē)內(nèi)外總體布置基本類(lèi)似）。車(chē)輛的總體布置主要分為車(chē)頂、車(chē)內(nèi)、車(chē)下3個(gè)部分。

3.1 車(chē)頂

Tc車(chē)車(chē)頂布置信號(hào)系統(tǒng)的天線、2臺(tái)頂置式薄型空調(diào)機(jī)組和4個(gè)廢排裝置。Mp車(chē)車(chē)頂布置了2臺(tái)頂置式薄型空調(diào)機(jī)組，4個(gè)廢排裝置及受電弓等設(shè)備。

3.2 車(chē)內(nèi)

車(chē)內(nèi)主要布置相應(yīng)的駕駛設(shè)施（如操縱臺(tái)、司機(jī)室座椅等）、服務(wù)乘客的相關(guān)設(shè)備（如車(chē)門(mén)系統(tǒng)、照明設(shè)備、車(chē)窗、乘客廣播與信息顯示系統(tǒng)設(shè)備、空調(diào)控制柜、電氣柜等）、旅客乘坐的設(shè)施（如座椅、扶手、吊環(huán)、輪椅固定器等）以及保證客室美觀的設(shè)施（如側(cè)墻內(nèi)飾、側(cè)頂內(nèi)飾、端部?jī)?nèi)飾、屏風(fēng)）等[6-7]。

3.3 車(chē)下

車(chē)下主要布置列車(chē)運(yùn)行的必需設(shè)備，包括牽引輔助系統(tǒng)設(shè)備（如牽引逆變器、濾波電抗器、輔助逆變器等）和制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備（如空壓機(jī)、制動(dòng)控制裝置、風(fēng)缸模塊等），除此之外還設(shè)置轉(zhuǎn)向架[8]。

底架設(shè)備布置主要以平衡軸重、便于維護(hù)以及利于管線布置為原則，通過(guò)計(jì)算，調(diào)整不同設(shè)備距離車(chē)輛橫向、縱向中心線的距離，盡量保證設(shè)備布置后車(chē)輛重心與車(chē)輛幾何中心重合，從而保證車(chē)輛軸重及輪重滿(mǎn)足合同要求，與此同時(shí)，也需要考慮設(shè)備安裝、維護(hù)的空間要求。車(chē)下主要懸掛設(shè)備如表2所示。Tc車(chē)車(chē)下主要懸掛設(shè)備布置如圖3 所示，Mp車(chē)車(chē)下

主要懸掛設(shè)備布置如圖 4所示。

4 車(chē)輛總體校核

4.1 車(chē)輛限界

根據(jù)車(chē)輛總體設(shè)計(jì)方案，車(chē)門(mén)采用塞拉門(mén)，限界校核時(shí)分關(guān)門(mén)和開(kāi)門(mén)2種情況做車(chē)輛斷面投影，在投影上標(biāo)注限界計(jì)算用輪廓控制點(diǎn)[9]。 按照CJJ 96-2003 《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》[10]計(jì)算，金普線城際車(chē)輛滿(mǎn)足限界要求。

4.2 載客量

根據(jù)用戶(hù)需求書(shū)對(duì)車(chē)輛主要結(jié)構(gòu)尺寸的要求，設(shè)計(jì)Tc車(chē)車(chē)體長(zhǎng)度為19500mm，Mp車(chē)車(chē)體長(zhǎng)度為19000mm，每輛車(chē)配置8對(duì)車(chē)門(mén)。Tc車(chē)座席為36座，Mp車(chē)坐席為42座，座位寬度為450 mm。根據(jù)車(chē)輛的平面圖、斷面圖及GB/T 7928-2003《地鐵車(chē)輛通用技術(shù)條件》[11]的具體要求，站立面積為除去座椅及前緣100mm外的客室面積[12]。經(jīng)計(jì)算確定Tc車(chē)客室內(nèi)部能夠站立人的有效面積為31.42m2，Mp車(chē)客室內(nèi)部能夠站立人的有效面積為34.24m2。車(chē)輛定員站席人數(shù)按6 人/m2計(jì)算，超員站席人數(shù)按8人/m2計(jì)算。車(chē)輛載客量（座席+站席）如表3所示。

4.3 車(chē)輛重量分配計(jì)算

在滿(mǎn)足設(shè)備維護(hù)和操作空間的前提下，車(chē)輛底架設(shè)備布置應(yīng)根據(jù)車(chē)輛設(shè)備位置及其重心，計(jì)算整車(chē)重心及重量偏差[13]。GB/T 7928-2003 《地鐵車(chē)輛通用技術(shù)條件》中，車(chē)輛底架設(shè)備布置時(shí)要求同一動(dòng)車(chē)的每根動(dòng)軸實(shí)際測(cè)得的軸重與該車(chē)各動(dòng)軸平均軸重之差不應(yīng)超過(guò)實(shí)際平均軸重的2%。

車(chē)輛重心計(jì)算公式如下：

（1）

式（1）中， X axis為整車(chē)重心X軸的坐標(biāo)值， Y axis為整車(chē)重心Y軸的坐標(biāo)值， W xi為單個(gè)設(shè)備X軸的力矩， W yi為單個(gè)設(shè)備Y軸的力矩， W i為單個(gè)設(shè)備的質(zhì)量。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，Tc車(chē)重心X axis = 43.11，Y axis = 10.87;Mp車(chē)重心X axis = -103.4，Y axis = -50.45。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，車(chē)輛重心滿(mǎn)足車(chē)輛設(shè)計(jì)要求。

車(chē)輛重量偏差計(jì)算公式如下：

（2）

式（2）中，ΔW xi為整車(chē)X軸的重量偏差，ΔW yi為整車(chē)Y軸的重量偏差， λx為車(chē)輛軸重偏差， λy為車(chē)輛輪重偏差。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，Tc車(chē)的軸重偏差λx = 0.68%，輪重偏差 λy = 1.51%;Mp車(chē)的軸重偏差λx = 0.29%，輪重偏差 λy = 0.72%。因此，車(chē)輛重量偏差滿(mǎn)足車(chē)輛設(shè)計(jì)要求。

5 車(chē)輛安全性設(shè)計(jì)

金普線城際車(chē)輛明確提出了車(chē)輛耐碰撞要求，即車(chē)體結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)有吸能區(qū)域[14-16]，該吸能區(qū)域吸收能量的能力為：1列AW0載荷列車(chē)以25 km/h的速度與另1 列靜止AW0載荷列車(chē)相互撞擊時(shí)，可以吸收撞擊能量，保證客室無(wú)損壞。

根據(jù)EN 12663-2010《鐵路車(chē)輛 車(chē)身的結(jié)構(gòu)要求》[17]和EN 15227-2008《鐵路車(chē)輛 車(chē)體的防撞性要求》[18]，本車(chē)輛設(shè)計(jì)的Tc車(chē)采用4級(jí)吸能結(jié)構(gòu)：第1級(jí)為車(chē)鉤緩沖裝置緩沖器;第2級(jí)為緩沖裝置中的壓潰管;第3級(jí)為過(guò)載保護(hù)裝置;第4級(jí)為T(mén)c車(chē)前端底架的吸能區(qū)。車(chē)鉤緩沖器、車(chē)鉤壓潰管、過(guò)載保護(hù)裝置吸能后，2列車(chē)防爬器以小間隙對(duì)撞咬合，碰撞力通過(guò)防爬器傳遞到Tc車(chē)前端底架。防爬裝置的立板和筋板采用厚度較高的結(jié)構(gòu)板，保證防爬裝置具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能保證兩車(chē)相撞時(shí)防爬裝置不損壞;同時(shí)，其獨(dú)特的凹凸相間結(jié)構(gòu)，可以保證兩車(chē)體底架相撞前防爬器準(zhǔn)確對(duì)中，防止車(chē)輛相撞時(shí)互相爬疊，使撞擊能量通過(guò)底架水平安全傳遞。前端塑性吸能區(qū)由吸能構(gòu)件組成。在吸能區(qū)后端安裝剛度較大的梁件，與底架的剛性大橫梁等共同組成空間框架結(jié)構(gòu)，形成剛度強(qiáng)大的吸能止擋區(qū)，保證客室不損壞[19]。

6 遠(yuǎn)期擴(kuò)編方案

為滿(mǎn)足金普線城際車(chē)輛遠(yuǎn)期由4節(jié)編組擴(kuò)編為6節(jié)編組的要求，對(duì)車(chē)輛相關(guān)系統(tǒng)部件進(jìn)行預(yù)留接口設(shè)計(jì)。為盡量減少擴(kuò)編時(shí)的工作量，推薦擴(kuò)編后采用4動(dòng)2拖（+ Tc - M - Mp - Mp - M - Tc +）編組形式[20]，其中Tc為帶司機(jī)室的拖車(chē)，M為不帶受電弓的動(dòng)車(chē)，Mp為帶受電弓的動(dòng)車(chē)。各系統(tǒng)預(yù)留接口情況如下。

（1）牽引輔助系統(tǒng)。在輔助電源系統(tǒng)和蓄電池容量、受電弓受流能力以及多功能車(chē)輛總線（MVB）、制動(dòng)系統(tǒng)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN網(wǎng)絡(luò)）上設(shè)置冗余，即在4節(jié)編組時(shí)，將輔助系統(tǒng)容量、蓄電池容量及受電弓受流能力設(shè)計(jì)為滿(mǎn)足6節(jié)編組車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的要求。同時(shí)在機(jī)械接口方面也進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)留，保證無(wú)論車(chē)輛是4節(jié)編組還是6節(jié)編組，牽引輔助系統(tǒng)的空間需求和機(jī)械安裝接口需求等可以兼容互換。

（2）制動(dòng)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)分析考慮，將全列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為2個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)，如圖5、圖6所示。車(chē)輛擴(kuò)編時(shí)，在4節(jié)編組的基礎(chǔ)上，增加2節(jié)帶有輔閥的動(dòng)車(chē)，其他車(chē)輛無(wú)需進(jìn)行改動(dòng)即可完成制動(dòng)系統(tǒng)的擴(kuò)編工作。這樣可以保證4節(jié)編組擴(kuò)編為6節(jié)編組時(shí)改造工作量最少。

綜上所述，在遠(yuǎn)期列車(chē)擴(kuò)編為6節(jié)編組時(shí)，增加2 節(jié)動(dòng)車(chē)，各系統(tǒng)同步進(jìn)行系統(tǒng)軟件更新工作，不需要改造既有車(chē)輛即可完成擴(kuò)編。

7 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)城市軌道交通正處于高速發(fā)展時(shí)期，金普線城際車(chē)輛的研制，不僅鞏固了自主化B型地鐵車(chē)輛技術(shù)平臺(tái)，同時(shí)在追求高效、綠色、舒適、安全、大運(yùn)量、人性化設(shè)計(jì)等方面采用了大量的創(chuàng)新技術(shù)，可為后續(xù)車(chē)輛的設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]胡佳喬，王維. 120km/h速度等級(jí)快速地鐵車(chē)輛的研制[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2017（2）：15-18，24.

[2]嚴(yán)雋耄.車(chē)輛工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1992.

[3]岳譯新，劉厚林，周利，等.安卡拉不銹鋼地鐵車(chē)輛總體設(shè)計(jì)[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2017（5）：19-22.

[4]GB 50157-2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

[5]薛克仲.城市軌道車(chē)輛車(chē)體材料選擇[J].城市軌道車(chē)輛研究，2003（1）：14-19.

[6]許晴，崔巍. 城軌地鐵車(chē)輛客室空間布置與人機(jī)工程研究[J]. 沿海企業(yè)與科技，2011（12）：37-39.

[7]夏國(guó)偉. 基于人機(jī)工程學(xué)的高速動(dòng)車(chē)組車(chē)內(nèi)設(shè)計(jì)分析與研究[D]. 江西南昌：南昌大學(xué)，2009.

[8]樊嘉峰.廣州市軌道交通三號(hào)線北延項(xiàng)目車(chē)輛設(shè)計(jì)[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2015（1）：31-36.

[9]陶功安.地鐵車(chē)輛限界計(jì)算[J].電力機(jī)車(chē)與城軌機(jī)車(chē)，2006（3）：8-13.

[10] CJJ 96-2003 地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

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

[12] 馬沂文.《地鐵車(chē)輛通用技術(shù)條件》（GB/T 7928-2003）標(biāo)準(zhǔn)解讀[J].電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛，2006（1）：58-60.

[13] 張琳曉，城軌車(chē)輛車(chē)體稱(chēng)重調(diào)載系統(tǒng)研究[D].湖南長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010.

[14] 姚松，田紅旗.車(chē)輛吸能部件的薄壁結(jié)構(gòu)碰撞研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué)， 2001（2）：55-60.

[15] Markus Seitzberger，崔培興.城軌車(chē)輛碰撞安全性的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2005（1）：1-6.

[16] 畑弘敏，劉克鮮.運(yùn)用碰撞仿真計(jì)算進(jìn)行提高鐵道車(chē)輛安全性的研究[J].國(guó)外鐵道車(chē)輛， 2004（6）：22-27，31.

[17] EN 12663-2010 鐵路車(chē)輛車(chē)體的結(jié)構(gòu)要求[S]. 2010.

[18] EN 15227-2008 鐵路車(chē)輛車(chē)體的防撞性要求[S]. 2008.

[19]郭景英.城市軌道交通車(chē)輛總體設(shè)計(jì)[D].北京：北京交通大學(xué)，2006.

[20]宋健，馬成功.上海市軌道交通車(chē)輛選擇及列車(chē)編組若干問(wèn)題的探討[J].城市軌道交通研究，2003（1）：46-50.

收稿日期 2019-12-09

責(zé)任編輯 宗仁莉

Overall design of inter-city vehicles on

Dalian Jinpu line

Zou Xin， Zou Xiaoyu， Wu Hui

Abstract： This paper expounds the overall design scheme of the inter-city vehicle of Jinpu line from the aspects of the vehicle interior and exterior design， the layout of the underframe equipment of the vehicle， etc.， and checks and calculates the vehicle clearance， passenger seating capacity and weight and load distribution based on the existing vehicle design experience and calculation method. In conclusion， it discusses the design scheme from the perspective of the vehicle safety design and the long-term and long-consist demand， it fully proves the feasibility of the overall design scheme of inter-city vehicles on Jinpu line.

Keywords： inter-city vehicle， Jinpu line， overall design， long-term and long-consist