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）

介紹中國首次研發的山地城市A型地鐵車（簡稱As車）的技術特點，包括與以往不同的技術規格、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、車體結構的重要改進和優化等。

爬坡能力；通過小半徑曲線性能；運行可靠性；電磁兼容性；車體結構

重慶市位于長江、嘉陵江匯合處，城區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”城市結構。地勢起伏大，重慶軌道交通多條線路須反復跨越嘉陵江和長江，穿過崇山峻嶺。

2006—2014年是重慶軌道交通第一輪建設期，所建設的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《地鐵設計規范》GB 50187—2003[1]進行設計建設的。

根據規劃，從2012—2020年是軌道交通第二輪建設期，在此期間將建設環線以及4、5、9、10號地鐵線路，為了使重慶市軌道交通建設得更好，在總結第一輪建設的基礎上，對以新的地鐵車輛為中心的技術方案進行了較為周密的策劃，新的地鐵交通系統將更適合山城重慶地形地貌并顯現新時代氣息。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，實現資源共享，把這種車作為一種標準車、通用車來進行研發。

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

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

首批生產的車輛配備給了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，其鮮明的特點和優良的性能受到了廣大乘客的歡迎和好評?，F把As車主要技術特點介紹如下。

1 車輛主要結構和尺寸進行了優化

在國內既有的A型車和B型車的基礎上，對As車的車輛主要結構尺寸進行了優化，如表1所示。

表1 As車的主要技術規格

續表

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下乘客的呼吸空間，車輛內空凈高比A、B型車高出了100 mm，與現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計成同一尺寸；為使車輛在曲線上枕內外偏移更接近，根據設計理論[4]，調整了轉向架中心距；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：“區間隧道正線坡度不宜大于45‰，困難地段可采用50‰；聯絡線、出入線的最大坡度不應大于50‰；正線露天線路及洞口100 m以內線路坡度不宜大于35‰，如采取防雨冰雪措施，并通過技術論證，坡度不應大于50‰。各種最大坡度值均不應計入各種坡度折減值”。與現行國家標誰《地鐵設計規范》GB 50157—2003相比，重慶地鐵關于線路坡度的規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下具有足夠的黏著牽引力，還確保了救援工況下黏著系數在允許的范圍內。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，有利于充分發揮牽引力和制動力；

3）基礎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《地鐵設計規范》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）縮短轉向架固定軸距，考慮到輪盤式基礎制動裝置和牽引電機的安裝空間，最終確定為2 200 mm，這也是國內采用輪盤式基礎制動裝置的轉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，主要是為了使潤滑部分集中在輪緣，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，其結構比較簡單可靠、輪緣潤滑塊性能穩定且不污染環境。

3）轉向架的配置，有意把非動力轉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向性能。

4 提高列車運行可靠性的措施

4.1 雙弓并聯受電

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受電。雙弓并聯受電有以下優點：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并網供電

全列車4個輔助逆變裝置輸出的三相交流中壓電源實現并網供電，使空調機組等大負載起動時減少因起動電流對供電質量造成的沖擊。不僅如此，如列車中任意一套輔助電源退出運行時，空調機組等用電設備可照常運行而不必減載。三相380 V中壓供電系統和直流110 V低壓供電系統均考慮了在發生局部接地或短路故障時能將故障回路切除，維持列車繼續運行的措施。

4.3 過壓保護故障監控回路

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兩端發生過電壓的可能性變大，過壓保護回路及其相關各元件是否處于正常狀態，就顯得更加重要?！斑^壓保護故障監控回路”的任務是實時監控過壓保護回路和器件，一旦發現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兩端電壓超過設定值時（例如1 900 V），OVD導通，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，在這種情況下，“過壓保護故障監控回路”就能發揮關鍵作用，它實時監控過壓保護電路，一旦發現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驗，把每列車分成2個獨立單元，正常情況下2個單元統一集中控制，當其中任何1個單元發生故障時，可將該故障單元切除，因此要求相關的兩單元之間的控制線、網絡線、空氣管路等都要服從這個要求，這樣，當車輛發生故障時，列車可由健全單元牽引，在最短時間內自力退出運行，一般不需要調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，向周圍空間發射很強的電磁波，對無線電設備產生干擾，影響周圍機器設備的正常工作。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根連接電纜敷設時需交叉換位，如有困難應盡量捆扎在一起；

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，穿過鋁質電線管或鋁質線槽，與VVVF箱體內負極回流線相連。

6 車體結構重要改進

6.1 車體結構斷面設計成矩形

車體結構斷面設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]創造了條件，特別是車體側墻結構，由曲面改成平面后，車體結構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，提高了車體結構的焊接質量，而且在焊接現場已經見不到弧光、煙霧等污染，操作工人勞動環境得到了很大改善；

2）簡化了車體側墻組焊工裝和車體結構總組焊工裝，有利于提高組焊質量，降低了焊接工時和成本。

6.2 取消空調機組嵌入式安裝平臺

如圖4所示，傳統的車頂空調機安裝平臺采用“嵌入式”，須在車頂開2個缺口，再把預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，還影響車體結構強度。改進后的車頂結構取消了缺口、空調機由平底改成圓弧底，跨座在車頂上，取消了風道上方的多余空間。這種車體結構的優點是節省材料、節省工時、簡化工裝、提高了車體強度和剛度。

圖4 車頂結構的改進

6.3 免裝抗側滾扭桿

研究表明，地鐵車輛免裝抗側滾扭桿有利于提高車輛動力學性能[8]，經計算、試驗和試運行證明，免裝抗側滾扭桿裝置的As車，側滾小，車輛運行平穩性良好，車輛各種動力學性能優良。為適當降低柔性系數，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計規范。免裝抗側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計、施工和使用，全列車客室車門中心設計成等間距。

7 環保和節電措施

7.1 車體前端和內墻板采用環保材料

國際和國內一些鐵道車輛的生產廠家，很多采用FRP（fiberglass reinforced plastics）制作流線型前端和內墻板，主要優點是強度高、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，不利于環境保護。

為子孫后代考慮，對于As車的前端和內墻板決定不再采用FRP制造，而全部是用鋁合金設計和制造，如圖5所示，將來大修時可以回收，不會造成環境污染問題。

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多輛車經多年運行，因不裝制動電阻而減重產生的節電效果十分可觀。2號線單軌車再生制動產生的能量除反饋給其他運行車輛使用外，發送到變電站經斬波控制后，將消耗在設置于變電所地面的電阻上。

第一輪建設期間的3號線單軌交通系統和1、6號地鐵交通系統，除列車上不裝制動電阻外，還在變電站裝設了“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、動力和照明用電，剩余電能通過動力變壓器反饋到一次側電網，不但收到了良好的節電效果，還為所有運行的列車提供了穩定的電制動轉矩。

圖5 鋁合金結構車輛前端

重慶軌道交通第二輪建設繼續利用了這些寶貴經驗，As車上未裝制動電阻，在變電站裝設再生制動能量吸收裝置，繼續發揮節電環保的良好效果。

在環保方面，由于不用電阻制動，排放到隧道內的電阻制動熱量接近零，隧道通風機的負擔大大減輕，隧道內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，閘瓦或閘片磨耗產生的粉塵幾乎減少了90%以上。

8 結語

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

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、轉向架、電牽系統、環保、節能及電磁兼容等方面進行了大膽創新或改進，乘客乘坐的平穩性和舒適性優良；車輛運行技術性能以及制造、使用、維修方面的工藝性和經濟性能良好，不僅適用于山地城市，也值得向其他城市推廣應用。

[1] 地鐵車輛通用技術條件: 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] 重慶市地鐵設計規范: 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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（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總監，從事地鐵車輛技術研究創新工作，1776267337@qq.com

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