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        尼日利亞阿布賈城鐵車輛選型研究

        2021-12-10 10:22:28韓維明
        鐵道建筑技術(shù) 2021年11期
        關(guān)鍵詞:阿布賈城鐵編組

        韓維明 滕 瑤

        (中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司 北京 100038)

        1 項(xiàng)目背景

        阿布賈城鐵是西非地區(qū)開(kāi)通的第一條城鐵,位于尼日利亞首都阿布賈。全線采用中國(guó)鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),總長(zhǎng)77.782 km。一期工程約45 km,設(shè)計(jì)最高速度100 km/h。線路連接了阿布賈市中心、阿布賈至卡杜納鐵路(阿卡鐵路)及阿布賈機(jī)場(chǎng)航站樓,共設(shè)有13個(gè)車站。阿布賈城鐵二期工程將連接阿布賈主城區(qū)與周邊的衛(wèi)星城,帶動(dòng)整個(gè)阿布賈城市群的發(fā)展[1]。

        2 車輛環(huán)境運(yùn)行條件及主要技術(shù)參數(shù)

        2.1 車輛環(huán)境運(yùn)行條件

        (1)環(huán)境條件

        尼日利亞阿布賈地區(qū)屬熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。分干、濕兩季。4~10月份為雨季,雨量充沛;11月到次年的4月為旱季,天氣悶熱,干旱少雨。車輛要求的使用環(huán)境溫度:10~50℃。

        (2)運(yùn)行條件

        軌距: 1 435 mm

        最小豎曲線半徑:

        一般 10 000 m

        困難 3 000 m

        最小平面曲線半徑

        一般: 800 m

        困難: 400 m

        車輛段: 150 m

        最大坡度

        正線:最大坡度不大于25‰,困難地段30‰

        車站線路: 3‰

        出入段、聯(lián)絡(luò)線(空載): ≤40‰

        道岔:

        正線9號(hào)道岔、輔助線(車輛段)7號(hào)道岔

        軌道類型

        正線: 60 kg/m

        車輛段: 50 kg/m

        軌道最大超高: 120 mm

        站臺(tái)高度: 1 230 mm

        站臺(tái)有效長(zhǎng)度: 90 m

        車輛段檢查坑長(zhǎng)度: 84 m

        車輛與站臺(tái)水平間距離(站臺(tái)高度處):≤100 mm

        2.2 車輛主要技術(shù)參數(shù)

        (1)車體

        車輛長(zhǎng)度(車鉤連接面之間長(zhǎng)度)

        列車總長(zhǎng)度 ≤80 m

        車體寬度

        車體寬度(地板面高度處) 2 800 mm

        車體高度:

        車輛頂面距軌頂面高度 ≤3 980 mm

        軌面到地板面高度(空載、新輪)1 280 mm

        (2)轉(zhuǎn)向架

        最高運(yùn)行速度: 100 km/h

        結(jié)構(gòu)速度: 110 km/h

        輪對(duì)內(nèi)側(cè)距(空載) 1 353±2 mm

        轉(zhuǎn)向架最低點(diǎn)離軌面最小距離(車輪全磨耗)

        ≥60 mm

        軸重: ≤18 t

        輪重減載率 ≤0.6

        脫軌系數(shù) ≤0.8

        (3)牽引動(dòng)力

        額定負(fù)載(AW2),半磨耗輪情況下:

        列車最大運(yùn)行速度 100 km/h

        列車結(jié)構(gòu)速度 110 km/h

        車鉤連掛速度 3~5 km/h

        沖擊極限 0.75 m/s3

        平均初始加速度(0~18 km/h)≥0.55 m/s2

        平均加速度(0~100 km/h) ≥0.13 m/s2

        列車在車輛段內(nèi)能以25 km/h的速度安全通過(guò)。

        3 車輛選型原則

        車輛是鐵路交通的載體,車型、制式的選擇是城鐵系統(tǒng)整體方案確定的關(guān)鍵因素之一,影響交通系統(tǒng)的運(yùn)輸能力;其車輛、設(shè)備限界決定著建筑限界的大小,對(duì)工程投資、運(yùn)輸費(fèi)用均有極大的影響力。因此車輛選型研究須綜合考慮各方面關(guān)鍵因素,并全面分析帶來(lái)的影響,選型應(yīng)遵循以下原則:

        (1)車輛設(shè)備應(yīng)選擇技術(shù)成熟、安全可靠的制造工藝,確保在全壽命周期內(nèi)正常運(yùn)行、便于維修,并具有一定的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性,滿足尼日利亞當(dāng)?shù)靥厥獾倪\(yùn)營(yíng)需求。

        (2)應(yīng)符合尼日利亞城鐵線路設(shè)計(jì)的技術(shù)條件,如以規(guī)定的速度通過(guò)最小半徑的平面曲線區(qū)段,并盡可能減小對(duì)周圍環(huán)境的影響,符合阿布賈城市客流量和行車密度的要求。

        (3)車輛采取減震、降噪措施,以減少振動(dòng)和噪聲對(duì)周邊生活區(qū)的影響,與尼日利亞人文景觀相協(xié)調(diào)。

        (4)車輛選型應(yīng)根據(jù)尼日利亞線路建設(shè)規(guī)劃,在采用中國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)前提下結(jié)合UCI、EU等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),研究分析選型的通用性,方便遠(yuǎn)期及其他路網(wǎng)車輛資源的共享。

        (5)車輛制造關(guān)鍵技術(shù)盡量均采用國(guó)內(nèi)成熟先進(jìn)技術(shù),選型應(yīng)立足于國(guó)產(chǎn)化,為保障后期運(yùn)營(yíng)維修及車輛推廣。

        4 車輛動(dòng)力分步及編組選型分析

        4.1 動(dòng)力分步選型分析

        (1)動(dòng)力集中式列車

        動(dòng)力集中式列車是鐵路運(yùn)輸中最傳統(tǒng)的運(yùn)行方式,是由一臺(tái)動(dòng)力機(jī)車牽引數(shù)個(gè)無(wú)動(dòng)力車輛,在軌道上行駛。機(jī)車牽引方式一般較多采用前端牽引方式,也有車尾逆推牽引方式,如圖1所示。除使用于客運(yùn)外,常見(jiàn)于貨運(yùn)及軍事用途[2]。

        動(dòng)力集中式列車優(yōu)點(diǎn)是:可以分別對(duì)機(jī)車、車輛進(jìn)行維修,維修方便,車輛動(dòng)力系統(tǒng)遠(yuǎn)離乘客,安全性能好[3]。

        在替換動(dòng)力方面較優(yōu),在機(jī)車故障以及進(jìn)入不同區(qū)間(內(nèi)燃、電力)情況下,可以簡(jiǎn)單換掛車頭而無(wú)需把整列動(dòng)車組更換。

        裝備更新方面,機(jī)車及車輛可以分別進(jìn)行更新或升級(jí)而互不影響[4]。

        缺點(diǎn)是:車輛軸重大,同樣車輛有效長(zhǎng)下載客量少,牽引總功率低,動(dòng)力學(xué)性能及運(yùn)行平穩(wěn)性差,同等速度車外噪聲震動(dòng)更大,環(huán)境友好性差。而且由于客車車廂無(wú)動(dòng)力,必須配置額外供電電源或者采用機(jī)車供電,能源利用率低[5],與城市軌道交通快啟快停的需求不匹配。

        (2)動(dòng)力分散式列車

        動(dòng)力分散式列車是一種動(dòng)力分布在多個(gè)車廂的鐵路列車,如圖2所示。特點(diǎn)是動(dòng)力來(lái)源分散在列車各個(gè)車廂上的發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)[6]。

        圖2 動(dòng)力分散式列車動(dòng)力分布

        動(dòng)力分散式列車的優(yōu)缺點(diǎn)是:動(dòng)力裝置分布在列車不同的位置上,能夠?qū)崿F(xiàn)較大的牽引力,可以靈活編組并可以實(shí)現(xiàn)重聯(lián)。較與動(dòng)力集中式列車相比,具有制動(dòng)效率高,調(diào)速性能好,制動(dòng)減速度大,運(yùn)行平穩(wěn)性及旅客舒適性能好等特點(diǎn)[7]。另外,列車中某節(jié)動(dòng)車的牽引動(dòng)力發(fā)生故障對(duì)全列車的牽引指標(biāo)影響較小。動(dòng)力分散式列車可以保持高速更久,對(duì)市郊市域鐵路、地鐵、通勤鐵路的模式來(lái)說(shuō),用同樣的運(yùn)營(yíng)時(shí)間可以停靠更多站點(diǎn)。動(dòng)力分散式列車的軸重比動(dòng)力集中式列車的機(jī)車部分小,列車運(yùn)行時(shí)輪對(duì)對(duì)路基損害較低,有利降低路基沉降維修費(fèi)用[8]。

        (3)牽引制式選型分析

        阿布賈城鐵車輛選型報(bào)告中進(jìn)行了動(dòng)力集中及分散牽引方式比選,最初推薦為動(dòng)力集中型城鐵列車。

        動(dòng)力集中型列車、動(dòng)力分散型列車應(yīng)用情況:兩種牽引制式列車在國(guó)內(nèi)及國(guó)際均有應(yīng)用,國(guó)內(nèi)廠家均有出口到海外應(yīng)用的業(yè)績(jī)。動(dòng)力分散型列車造價(jià)略高。除造價(jià)略高外,動(dòng)力分散動(dòng)車組四節(jié)車輛均可載客,可以進(jìn)一步提高載客量,持續(xù)滿足阿布賈增長(zhǎng)的客流量。

        動(dòng)力分散動(dòng)車組啟動(dòng)加速度大,運(yùn)行更加平穩(wěn)、舒適性好,車形外觀流線型更好、更具有現(xiàn)代感能夠提升阿布賈的城市形象,配置兩個(gè)動(dòng)力系統(tǒng),列車運(yùn)行的可靠性更高,便于處理緊急情況,整列車制動(dòng)的一致性能好,安全性、舒適性更好。

        依據(jù)牽引計(jì)算,考慮運(yùn)行速度、啟動(dòng)加速度、制動(dòng)減速度等參數(shù)計(jì)算出來(lái)總的牽引功率,確定動(dòng)力單元數(shù)量,結(jié)合尼日利亞阿布賈城鐵線路主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、客流密度、旅行速度、乘坐舒適度等綜合因素,故研究將動(dòng)力集中型一動(dòng)三拖動(dòng)車組變更為動(dòng)力分散型兩動(dòng)兩拖動(dòng)車組,并選用臥式柴油機(jī),交流傳動(dòng)內(nèi)燃動(dòng)車組,以滿足阿布賈城鐵旅客運(yùn)輸需求。

        4.2 車輛編組

        阿布賈(Abuja)是尼日利亞首都,位于中部尼日爾河支流古拉河畔,尼日爾、卡杜納、高原和夸拉四州的交界處,位列2019年全球城市500強(qiáng)榜單第463名,人口約200萬(wàn)。因此客流需求量較大且存在一定增長(zhǎng)空間。車輛的編組依托于客流需求,在客流敏感性分析的基礎(chǔ)上,對(duì)城鐵列車編組方案進(jìn)行了研究分析,提供了兩種編組方案[9]。

        (1)方案一

        列車編組:4節(jié)編組,兩動(dòng)兩拖,兩動(dòng)車的結(jié)構(gòu)及功能以及兩拖車的結(jié)構(gòu)及功能均相同,且能互換。

        編組形式:+Mc-T-T-Mc+

        (+:半自動(dòng)車鉤,-:半永久牽引桿)

        車型:Mc車-帶動(dòng)力系統(tǒng)和司機(jī)室的車

        T車-拖車

        (2)方案二

        列車編組:4節(jié)編組,兩動(dòng)兩拖,兩動(dòng)車的結(jié)構(gòu)及功能以及兩拖車的結(jié)構(gòu)及功能均相同,且能互換。

        編組形式:+Tc-M-M-Tc+

        (+:半自動(dòng)車鉤,-:半永久牽引桿)

        車型:M車-帶動(dòng)力系統(tǒng)的車

        Tc車-帶司機(jī)室的車

        結(jié)合內(nèi)燃動(dòng)車組室內(nèi)座椅布置、載客量、站立密度等因素,并考慮將軸重大的車作為頭車,最終選用方案一。

        5 車輛動(dòng)力包的選型分析

        內(nèi)燃機(jī)車以內(nèi)燃機(jī)作為原動(dòng)力,通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)車輪。在內(nèi)燃動(dòng)車上,柴油機(jī)和動(dòng)輪不能直接相連,傳動(dòng)裝置是必不可少的一部分。內(nèi)燃機(jī)車的傳力傳動(dòng)裝置的形式有:機(jī)械傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和液力傳動(dòng)。傳動(dòng)裝置起到直接相連不能解決的啟動(dòng)、速度擴(kuò)展、特性變換的作用。一般液力傳動(dòng)主要用于小型內(nèi)燃機(jī)車、窄軌內(nèi)燃機(jī)車。機(jī)械傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車僅適用于工礦專用的小功率內(nèi)燃機(jī)車上。因此干線內(nèi)燃機(jī)車其傳動(dòng)裝置一般為電力傳動(dòng)和液力傳動(dòng)。下面將從重量、牽引性能、載客量及成本等方面對(duì)內(nèi)-電、內(nèi)-液兩種傳動(dòng)選型進(jìn)行分析[10]。

        在AW3工況下,啟動(dòng)加速度和平均加速度對(duì)比如表1所示。

        表1 內(nèi)液、內(nèi)電牽引性能對(duì)比

        動(dòng)力包功率一樣大的條件下,車輛不同荷載情況載客量對(duì)比如表2所示。

        表2 不同荷載情況下載客量對(duì)比

        5.1 內(nèi)-液傳動(dòng)特點(diǎn)

        (1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單:主要采用機(jī)械傳動(dòng)方式,無(wú)過(guò)多的電力傳動(dòng)元器件,結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單。

        (2)成本較低:無(wú)超級(jí)電容、逆變器、牽引電機(jī)等設(shè)備,價(jià)格相對(duì)較低。

        (3)重量輕:由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)超級(jí)電容、逆變器、牽引電機(jī)等設(shè)備,相比內(nèi)電傳動(dòng)輕約20%。

        (4)難實(shí)現(xiàn)高功率:受制于液壓機(jī)械傳動(dòng)的特點(diǎn)及車輛設(shè)備布置的限制,內(nèi)液傳動(dòng)很難實(shí)現(xiàn)大功率傳輸。

        5.2 內(nèi)-電傳動(dòng)特點(diǎn)

        (1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜:相比內(nèi)-液傳動(dòng),增加了超級(jí)電容、逆變器、牽引電機(jī)等電氣傳動(dòng)設(shè)備,整套牽引系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜。

        (2)成本較高:因增加了上述設(shè)備,成本相對(duì)較高。

        (3)重量大:因增加了上述設(shè)備重量也較重。

        (4)容易實(shí)現(xiàn)高功率:采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元器件,采用牽引電機(jī)作為能量輸出,列車可以根據(jù)運(yùn)行需要對(duì)超級(jí)電容和牽引電機(jī)進(jìn)行選型,更容易實(shí)現(xiàn)高功率。

        (5)控制精確:內(nèi)電可以實(shí)現(xiàn)電氣的無(wú)級(jí)控制,列車運(yùn)行更精準(zhǔn)。

        綜合考慮到性能、控制等方面的因素,研究在尼日利亞阿布賈城鐵內(nèi)燃動(dòng)車組項(xiàng)目上采用內(nèi)燃-電力傳動(dòng)的動(dòng)車組。

        6 車體材料選型分析

        車體是車輛結(jié)構(gòu)的主體,又是安裝其他設(shè)備和部件的基礎(chǔ)。車體的強(qiáng)度、剛度等關(guān)系到車輛運(yùn)行的安全性、輕量性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性、適用性。車體的防腐耐腐能力、表面保護(hù)、裝飾方法,關(guān)系到車輛的美觀、周期壽命等。所有這些都直接影響到運(yùn)營(yíng)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。目前在我國(guó)國(guó)鐵、地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)使用的材料主要為車不銹鋼和鋁合金,而碳鋼車體由于其耐熱性高焊接性能好,原材料價(jià)格低,在一些熱帶、亞熱帶發(fā)展中國(guó)家和地區(qū)受到歡迎。

        6.1 車體材料的重量對(duì)比

        據(jù)了解目前國(guó)內(nèi)外地鐵車輛碳鋼車體結(jié)構(gòu)自重約9~10 t,不銹鋼車體自重約6~7 t,鋁合金車體自重約4~5 t。

        6.2 車體材料的制造工藝對(duì)比

        碳鋼車體各部件之間采用對(duì)接、搭接的焊接方式連接。制造工藝簡(jiǎn)單,其焊接性能良好。不銹鋼車體采用板梁組合整體承載全焊結(jié)構(gòu),為了保持板材強(qiáng)度和減小變形,通常采用點(diǎn)焊的方式,不允許采用弧焊焊接強(qiáng)度高的材料,不銹鋼車體采用接觸焊。鋁合金車體普遍采用大型桁架式中空型材組焊式,車輛制造廠只需下料、拼裝、氬弧焊接,工藝簡(jiǎn)單、效率高時(shí)間比較短[11]。

        6.3 車體材料的外觀質(zhì)量對(duì)比

        不銹鋼車體在制造過(guò)程中雖然不需要防腐保護(hù)及涂漆,但為了提高裝飾美觀度,板材自帶點(diǎn)狀或線條裝飾。因?yàn)橥鈮Π寮缺∮止?,?duì)不平度反應(yīng)敏感性高,只要有輕微凹凸,經(jīng)反光折射,肉眼就能察覺(jué)。相比之下,鋁合金、碳鋼車體型材表面平整、挺拔,但耐腐蝕性能較差,可結(jié)合尼日利亞人文風(fēng)俗選擇不同的顏色和裝飾,因此更加美觀,接受度較高。

        6.4 車體材料防劃傷磕碰性能對(duì)比

        碳鋼和鋁合金材料與不銹鋼相比在此方面性能占優(yōu),且可以修復(fù)。不銹鋼由于是拉絲、薄板,容易劃傷,若出現(xiàn)異向劃痕則造成損傷更大,在出現(xiàn)日常劃痕和事故磕碰情況下難以消除。

        6.5 車體材料維修成本分析

        不銹鋼車體的維修成本較其他兩種材料比最低,鋁合金車體的維修成本居中,碳鋼車體的維修成本最高。

        通過(guò)以上綜合對(duì)比分析,結(jié)合技術(shù)發(fā)展以及節(jié)能減排及維修成本因素,并考慮尼日利亞熱帶草原氣候高溫多雨,以及撒哈拉沙漠影響下經(jīng)常性的沙霧,研究對(duì)尼日利亞阿布賈城鐵內(nèi)燃動(dòng)車組車體材料優(yōu)先推薦使用鋁合金材料[12]。

        7 結(jié)束語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)車輛的牽引模式、列車編組、車輛動(dòng)力包、車體、轉(zhuǎn)向架、制動(dòng)系統(tǒng)、車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、車門車窗等的合理選型,阿布賈城鐵列車運(yùn)營(yíng)至今,性能優(yōu)異、質(zhì)量穩(wěn)定,較好地滿足了運(yùn)營(yíng)需求,受到了尼日利亞政府及人民的高度認(rèn)可。

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