山地城市A型地鐵車的特點

馮伯欣

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山地城市A型地鐵車的特點

馮伯欣

（重慶市軌道交通（集團）有限公司，重慶 401120）

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

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

重慶市位于長江、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、多中心組團式”城市結(jié)構(gòu)。地勢起伏大，重慶軌道交通多條線路須反復(fù)跨越嘉陵江和長江，穿過崇山峻嶺。

2006—2014年是重慶軌道交通第一輪建設(shè)期，所建設(shè)的2、3號線是單軌交通線路，1、6號線是地鐵交通線路。1、6號線所使用的地鐵車輛是B型車，地鐵工程是按原國家標準《地鐵設(shè)計規(guī)范》GB 50187—2003[1]進行設(shè)計建設(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，對以新的地鐵車輛為中心的技術(shù)方案進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)新時代氣息。研制新的地鐵車全名叫“山地城市A型地鐵車輛”，簡稱“As車”。為降低制造、使用、維修成本，實現(xiàn)資源共享，把這種車作為一種標準車、通用車來進行研發(fā)。

As車經(jīng)過了精心設(shè)計、試制、試驗以及空載試運行，證明車輛完全達到了設(shè)計要求。

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

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

1 車輛主要結(jié)構(gòu)和尺寸進行了優(yōu)化

在國內(nèi)既有的A型車和B型車的基礎(chǔ)上，對As車的車輛主要結(jié)構(gòu)尺寸進行了優(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：“=”表示半自動車鉤，“+”表示半永久式車鉤。

為了適當提高載員，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，車輛長度與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)有正在營運的單軌車相同，提高了乘客乘坐舒適度；為了縮短乘客上下車的時間，客室車門增加了開度；為方便列車車門對準站臺門，把全列車客室車門中心距設(shè)計成同一尺寸；為使車輛在曲線上枕內(nèi)外偏移更接近，根據(jù)設(shè)計理論[4]，調(diào)整了轉(zhuǎn)向架中心距；為改善通過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；為了提高在長大坡道上制動的安全性，增加熱容量，基礎(chǔ)制動采用了輪盤制動；為了使牽引時受力更合理，以及能使用通用的調(diào)車機車，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，對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)計入各種坡度折減值”。與現(xiàn)行國家標誰《地鐵設(shè)計規(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)。其動力配置如圖1所示。

圖1 列車牽引動力配置

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

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

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

3 改善列車通過小半徑曲線的性能

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

表2 車輛通過圓曲線最小曲線半徑

注：為列車速度。

從表中可以看出，與原國家標誰《地鐵設(shè)計規(guī)范》GB 50157—2003相比，重慶地鐵車輛通過圓曲線最小曲線半徑的要求更嚴了。

為滿足車輛通過圓曲線最小曲線半徑的要求，減小通過曲線時的磨耗功，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，考慮到輪盤式基礎(chǔ)制動裝置和牽引電機的安裝空間，最終確定為2 200 mm，這也是國內(nèi)采用輪盤式基礎(chǔ)制動裝置的轉(zhuǎn)向架中固定軸距最小的。通過計算可知，與軸距為2 300 mm同類轉(zhuǎn)向架相比，通過相同半徑的圓曲線時，其磨耗功能降低約5%，如與軸距為2 500 mm的轉(zhuǎn)向架相比，通過相同半徑的圓曲線時其磨耗功將有更大幅度的降低。

2）安裝了干式輪緣潤滑裝置[6]，用以通過曲線時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?，除能減少輪緣磨耗和鋼軌磨耗外，干式輪緣潤滑裝置對降低過小曲線時的噪聲有明顯效果。選用干式輪緣潤滑裝置，其結(jié)構(gòu)比較簡單可靠、輪緣潤滑塊性能穩(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的采集以及改善列車導(dǎo)向性能。

4 提高列車運行可靠性的措施

4.1 雙弓并聯(lián)受電

如上所述，每個動力單元增加了2臺牽引電機，列車的受電弓不僅要通過牽引電流，還要通過比牽引電流大很多的制動電流，為確保電流密度不超過允許值，每動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：降低了離線率、減少電弧對滑板的磨損、對改善濾波電容器和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現(xiàn)并網(wǎng)供電

全列車4個輔助逆變裝置輸出的三相交流中壓電源實現(xiàn)并網(wǎng)供電，使空調(diào)機組等大負載起動時減少因起動電流對供電質(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行時，空調(diào)機組等用電設(shè)備可照常運行而不必減載。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能將故障回路切除，維持列車繼續(xù)運行的措施。

4.3 過壓保護故障監(jiān)控回路

與電阻制動的列車不同，再生制動列車再生吸負荷有時波動較大，濾波電容器C兩端發(fā)生過電壓的可能性變大，過壓保護回路及其相關(guān)各元件是否處于正常狀態(tài)，就顯得更加重要。“過壓保護故障監(jiān)控回路”的任務(wù)是實時監(jiān)控過壓保護回路和器件，一旦發(fā)現(xiàn)不正常立刻斷開主回路。

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

圖中C為濾波電容器，OVD是過壓保護用IGBT，WH為電壓傳感器，R為過壓釋放電阻。當電壓傳感器WH檢測到濾波電容器C兩端電壓超過設(shè)定值時（例如1 900 V），OVD導(dǎo)通，電容器C通過電阻R放電，使牽引逆變器兩端電壓降到允許設(shè)定值以下，保護了逆變電器IGBT元件。但如果過壓保護電路中任何一處不正常（如過壓釋放回路開路、電壓傳感器失效、IGBT元件擊穿、邏輯電路故障等），所有IGBT就失去了過壓保護作用而處于危險狀態(tài)，在這種情況下，“過壓保護故障監(jiān)控回路”就能發(fā)揮關(guān)鍵作用，它實時監(jiān)控過壓保護電路，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，它通過控制電路以最快的速度，把本牽引支路高速斷路HB斷開，中止牽引逆變器帶病工作，IGBT元件過壓保護的安全性大大增加了。

圖2 過壓保護故障監(jiān)控回路

4.4 雙單元列車編組

繼承了重慶1、6號線地鐵列車編組的成熟經(jīng)驗，把每列車分成2個獨立單元，正常情況下2個單元統(tǒng)一集中控制，當其中任何1個單元發(fā)生故障時，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要求，這樣，當車輛發(fā)生故障時，列車可由健全單元牽引，在最短時間內(nèi)自力退出運行，一般不需要調(diào)動救援列車對故障列車實施救援，最大限度地減少因救援對營運造成的影響。

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，在傳輸過程中，由于接逆變器和電機的電纜對地之間存在雜散電容，電機線圈與鐵心間也存在雜散電容，高次諧波通過這些雜散電容，向周圍空間發(fā)射很強的電磁波，對無線電設(shè)備產(chǎn)生干擾，影響周圍機器設(shè)備的正常工作。為減少這種危害，車輛配線參照了日本標準[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）逆變器至電機之間的3根連接電纜敷設(shè)時需交叉換位，如有困難應(yīng)盡量捆扎在一起；

2）電機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極回流電刷相連接；

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

6 車體結(jié)構(gòu)重要改進

6.1 車體結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計成矩形

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

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)場已經(jīng)見不到弧光、煙霧等污染，操作工人勞動環(huán)境得到了很大改善；

2）簡化了車體側(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，降低了焊接工時和成本。

6.2 取消空調(diào)機組嵌入式安裝平臺

如圖4所示，傳統(tǒng)的車頂空調(diào)機安裝平臺采用“嵌入式”，須在車頂開2個缺口，再把預(yù)制好的安裝平臺嵌入，再滿焊，達到水密要求。不但工序多、費工時，還影響車體結(jié)構(gòu)強度。改進后的車頂結(jié)構(gòu)取消了缺口、空調(diào)機由平底改成圓弧底，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)點是節(jié)省材料、節(jié)省工時、簡化工裝、提高了車體強度和剛度。

圖4 車頂結(jié)構(gòu)的改進

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力學(xué)性能[8]，經(jīng)計算、試驗和試運行證明，免裝抗側(cè)滾扭桿裝置的As車，側(cè)滾小，車輛運行平穩(wěn)性良好，車輛各種動力學(xué)性能優(yōu)良。為適當降低柔性系數(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15 t，同時還減少了車輛維修工作量。

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

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

國際和國內(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)點是強度高、耐腐蝕、容易成型，缺點是大修拆除時無法回收再利用，需要深埋處理，占用土地，不利于環(huán)境保護。

為子孫后代考慮，對于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)計和制造，如圖5所示，將來大修時可以回收，不會造成環(huán)境污染問題。

7.2 再生制動能量的回收和再利用

重慶軌道交通建設(shè)從第一輪開始，單軌車和地鐵車上就不裝制動電阻，平均每輛車減重300～500 kg，1 500多輛車經(jīng)多年運行，因不裝制動電阻而減重產(chǎn)生的節(jié)電效果十分可觀。2號線單軌車再生制動產(chǎn)生的能量除反饋給其他運行車輛使用外，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號線單軌交通系統(tǒng)和1、6號地鐵交通系統(tǒng)，除列車上不裝制動電阻外，還在變電站裝設(shè)了“再生制動能量吸收裝置”，再生制動的電能，除供給其他列車吸收外，還通過逆變器供給車站空調(diào)、動力和照明用電，剩余電能通過動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，還為所有運行的列車提供了穩(wěn)定的電制動轉(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，As車上未裝制動電阻，在變電站裝設(shè)再生制動能量吸收裝置，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，排放到隧道內(nèi)的電阻制動熱量接近零，隧道通風(fēng)機的負擔大大減輕，隧道內(nèi)溫升梯度大幅度減緩。由于充分利用了電制動，使用機械摩擦制動的比例大幅度減少，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

1）As車是繼A、B型地鐵車后，又一種我國自主開發(fā)的大型地鐵車型，是中國的自主知識產(chǎn)權(quán)；

2）As車爬坡能力強，通過曲線性能好的特點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行了大膽創(chuàng)新或改進，乘客乘坐的平穩(wěn)性和舒適性優(yōu)良；車輛運行技術(shù)性能以及制造、使用、維修方面的工藝性和經(jīng)濟性能良好，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: 中國標準出版社, 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)標準: 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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[9] 鉄道車両——接地の一般規(guī)則: JRIS R 0220—2014[S]. 212-256. Rolling stock—General rules for ear thing: JRIS R 0220—2014[S]. 212-256.

（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)展和改革委員會渝發(fā)改交（[2013]1505號；[2014]）466號；[2014]1483號；[2015]725號）