市域快速軌道交通車輛選型分析

莊 哲 張曉江 寇瑋琛

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司機械動力與環(huán)境工程設(shè)計研究院，300308，天津 ∥ 工程師)

在軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃階段，車輛選型將對線路工程的建設(shè)成本、施工難度、線網(wǎng)拓展的可操作性等產(chǎn)生深遠影響。本文將從車輛選型、車輛編組、最高運行速度、供電制式、受流方式、車輛定員及車輛成本等方面，結(jié)合市域快速軌道交通(簡為市域快軌)的特點，對其車輛選型展開分析。

1 典型市域快軌線路的車輛制式及其適用性分析

1.1 車輛制式

典型市域快軌線路的車輛制式[1-6]，如表1所示。

表1 典型市域快軌線路的車輛制式表

1.2 車輛適用性分析

1.2.1 市域快軌與其他軌道交通方式的典型特征對比

市域快軌主要建設(shè)在與中心城經(jīng)濟、人口交流緊密的地區(qū)，以及與組團城市聯(lián)系密切的各城鎮(zhèn)地區(qū)，并不完全受行政區(qū)劃的限制。市域快軌主要以上述地區(qū)間1 h交通為基本目標(biāo)。

市域快軌通常與城際鐵路以及以地鐵為代表的城市軌道交通共同構(gòu)成城市軌道交通骨架，其客流強度一般介于城際鐵路與城市軌道交通之間；城際鐵路主要負責(zé)大型城市群內(nèi)中心城市與周邊城市的便捷交通功能；城市軌道交通系統(tǒng)主要負責(zé)城區(qū)內(nèi)部骨干客流交通功能。三者功能相互補充，其典型特征對比見表 2[8]。目前，適用于國內(nèi)大運量城市軌道交通系統(tǒng)的車型為 A 型車、B 型車及城際動車組，其技術(shù)參數(shù)如表 3 所示[9-10]。

表2 市域快軌與其他軌道交通方式的典型特征對比表

表3 A型車、B型車及城際動車組的技術(shù)參數(shù)表

1.2.2 地鐵車輛的適用性

地鐵 A 型、B 型車雖運輸能力可滿足市域快軌的要求，但最高運行速度均在120 km/h以下，僅適用于站間距為3 km以內(nèi)的線路，并不滿足市域快軌線路的站間距要求。

1.2.3 城際鐵路車輛的適用性

CRH6 型動車組是我國城際鐵路車輛的代表車型。雖 CRH6 型動車組運量及最高運行速度滿足市域快軌的要求，但其牽引、制動性能較市域快軌車輛要求存在差距，CRH6 型動車組車體尺寸較大，接觸網(wǎng)安裝高度較高，從而帶來的土建投資亦較高，而且鐵路系統(tǒng)制式與既有城市軌道交通的互聯(lián)互通性較差，不利于開展運營維護一體化協(xié)同工作。

因此，直接選用地鐵 A型、B型車或 CRH6 型動車組均不能完全滿足現(xiàn)有條件下的市域快軌線路要求。

2 市域快軌車輛選型分析

2.1 車型選擇

目前，我國市域快軌車輛分為市域B型、市域A型、市域D型等3種型式。典型市域快軌車輛的主要技術(shù)參數(shù)如表4所示[1]。

表4 典型市域快軌車輛的主要技術(shù)參數(shù)表

市域快軌車輛車型選擇通常受遠期高峰小時最大斷面客流影響。當(dāng)高峰小時最大斷面客流超過3萬人次時，必須選擇A型車。按照6A編組和最小發(fā)車間隔2 min測算，線路高峰小時最大斷面客流可達3.6萬人次。當(dāng)高峰小時最大斷面客流低于3萬人次時，可選擇B型車。按照6B編組和最小發(fā)車間隔2 min測算，線路高峰小時最大斷面客流可達2.8萬人次。

2.2 車輛編組選擇

根據(jù)客流情況，市域快軌車輛可靈活選擇相應(yīng)編組。如上海軌道交通16號線最少時采用3輛編組A型車，青島地鐵13號線采用4輛編組B型車，北京地鐵新機場線采用7輛客車外加1輛行李車的8輛編組D型車。需注意，車輛編組及車型選擇需滿足車輛牽引制動需求，特別是如果采用AC 25 kV供電制式，車輛需增設(shè)變壓及整流設(shè)備，若車輛編組較短，設(shè)備艙空間緊張，這會給車輛設(shè)備布置及軸重控制帶來極大挑戰(zhàn)。

2.3 最高運行速度選擇

市域快軌的功能定位使得其運營速度要求較地鐵車輛高，然而較高的運營速度也將帶來車輛設(shè)計的困難、車輛成本的上升、運營能耗的增加及環(huán)境噪聲的升高。因此，在制定最高運行速度時，應(yīng)將其與旅行時間及站間距等要求進行綜合考量。其中，最高運行速度與站間距的關(guān)系目前并未有相關(guān)標(biāo)準明確定義，通常需考慮在標(biāo)準規(guī)定的車輛加減速特性下，即平均加速度取0.5～0.6 m/s2，最大常用制動減速度取1.0～1.2 m/s2，使列車在一半站間距范圍內(nèi)保持最高運行速度即可。市域快軌最高運行速度與平均站間距間的關(guān)系，如表5所示。需注意，國內(nèi)外部分線路的平均站間距小于3 km，這就需要結(jié)合實際情況進行具體分析。

表5 市域快軌最高運行速度與站間距關(guān)系參考表

2.4 供電制式選擇

市域快軌通常采用DC 1 500 V、AC 25 kV以及DC 1 500 V/AC 25 kV混合供電等3種供電制式。從車輛角度出發(fā)，這3種供電制式均可滿足最高運行速度160 km/h的要求，但DC 1 500 V和AC 25 kV供電制式各有優(yōu)劣，兩者對比如表6所示[4]。

表6 DC 1 500 V與AC 25 kV供電制式優(yōu)劣對比表

當(dāng)車輛供電制式采用AC 25 kV或者DC 1 500 V/AC 25 kV后，車輛牽引傳動系統(tǒng)需增設(shè)主變壓器及整流器，因此，這將帶來車輛自重的增加，從而運營能耗亦會相應(yīng)增加。市域快軌供電制式與運營能耗間的關(guān)系，如表7所示。

表7 市域快軌供電制式與運營能耗間的關(guān)系表

根據(jù)國內(nèi)外供電制式的選擇經(jīng)驗，當(dāng)最高運行速度為120 km/h時，國內(nèi)相關(guān)線路已有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗，加之從運營維護角度出發(fā)，全線采用統(tǒng)一的供電制式有利于降低運行維護工作量，應(yīng)優(yōu)先選擇DC 1 500 V供電；當(dāng)最高運行速度為140 km/h時，可選選擇DC 1 500 V/AC 25 kV供電制式；當(dāng)最高運行速度為160 km/h時，直流制式車輛研發(fā)制造及直流牽引供電系統(tǒng)成本均大幅增加，加之國內(nèi)尚無應(yīng)用經(jīng)驗，采用AC 25 kV供電制式更佳。

2.5 受流方式選擇

受流方式包括受流靴—接觸軌和受電弓—接觸網(wǎng)兩種方式，后者又可分為受電弓—剛性懸掛接觸網(wǎng)和受電弓—柔性懸掛接觸網(wǎng)。從車輛動力學(xué)角度出發(fā)，受流靴—接觸軌的靴軌跟隨性最差，不利于受流質(zhì)量的提升；受電弓—剛性懸掛接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)跟隨性適中，受流質(zhì)量優(yōu)于受流靴—接觸軌；受電弓—柔性懸掛接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)跟隨性最好，受流質(zhì)量最佳。不同受流方式對比如表8所示。由表8可知，3種受流方式下的車輛最高運行速度有所不同，僅受電弓—剛性接觸網(wǎng)的受流方式可以滿足最高運行速度160 km/h的要求。

表8 不同受流方式對比表

2.6 車輛定員

車輛定員由座席定員及站席定員兩部分組成。由于市域快軌線路較長，乘客對車廂舒適度要求較高，因此，車廂內(nèi)部座椅通常采用橫排或橫縱混合布置的方式，以提高車廂座席數(shù)量。同時，市域快軌站席標(biāo)準較地鐵車輛有所提高，站席定員按照4人/m2考慮。市域快軌車廂座席及定員如表9所示。

表9 不同座椅布置方式下的車廂座席及定員數(shù)量表

2.7 車輛造價分析

受車輛型式、最高運行速度及供電制式的影響，市域快軌車輛參考造價如表10所示。

表10 不同技術(shù)參數(shù)的市域快軌車輛參考造價表

3 建議

1) 車型選擇與高峰小時最大斷面客流相關(guān)。

2) 車輛最高運行速度應(yīng)與站間距、旅行時間等要求相適應(yīng)。

3) 當(dāng)車輛最高運行速度為120 km/h時，建議采用DC供電；當(dāng)車輛最高運行速度為160 km/h時，建議采用AC供電。

4) 車輛最高運行速度為120 km/h時，建議采用受流靴—接觸軌受流方式；車輛最高運行速度為160 km/h時，建議采用受電弓—接觸網(wǎng)受流方式。

5) 車廂站席定員按4人/m2考慮，座椅采用橫縱混合布置方式。

6) 車輛造價應(yīng)結(jié)合車型、最高運行速度、供電制式等多方面綜合考慮。