广州1、22、88号线增购项目地铁车辆研制

李春明 李 骏 彭冬良

广州1、22、88号线增购项目地铁车辆研制

李春明 李 骏 彭冬良

增购项目根据广州地铁要求，从安全可靠、智能环保、人性化的车辆设计理念出发，采用先进的设计软件，提供高度国产化、受电弓受流、铝合金车体的80 km/h速度等级A型地铁车辆。介绍该车主要技术特征，阐述了列车组成及其主要技术参数，并详细分析说明了车辆的主要部件及系统。

地铁车辆；国产化；车辆设计；铝合金车体；系统部件

0 引言

广州地铁1、2、8号线增购项目采购6节编组A型铝合金车体车辆，共计32列192辆，动拖比为4动2拖。列车最高运行速度为80 km/h，额定电压DC1500V，受电弓受流。该项目在南车株洲电力机车有限公司现有的A型车平台的基础上进行优化，致力于为用户提供可靠安全、绿色智能、易于维护、升级版高端的地铁车辆。

1 技术特征

广州地铁1、2、8号线增购项目车辆研制采用Unigraphics NX软件，并用Teamcenter软件进行数据和流程管理，实现了车体、内装、管路等车辆三维模型并行设计；运用ANSYS软件对车体的结构强度、刚度及模态进行有限元计算分析。该车的制动系统、车钩及缓冲器、牵引辅助系统、列车控制系统等关键系统全部实现了国产化。列车具有如下技术特征。

（1）采用高强度的铝合金全焊接车体，列车碰撞采用符合欧洲标准的3级能量吸收方案，最大限度地保护乘客的安全。

（2）采用国家高技术研究发展计划（863）列车在途故障诊断系统，实现了列车安全状态在途故障诊断、隐患挖掘和安全预警，有效地提高安全性和可靠性。

（3）采用自主设计的成熟的ZMA080型无摇枕转向架，二系悬挂结构，车轮采取降噪环降噪。

（4）采用国产化集成度高、易于维护的车控空气制动系统，采用了振动小、耐久性高的螺杆式空气压缩机。

（5）采用两端送风、底部回风的四压缩机空调机组，制冷量可以实现5档调节，更加节能环保。

（6）采用由上翻转式门体和紧急疏散坡道两部分组成的紧急疏散门，坡道平缓，具有强的疏散能力。

（7）采用分布式辅助逆变器，全列车共有6台辅助逆变器单元，为车内扩展供电方式，提高了系统的冗余性和可靠性。

（8）采用19英寸LCD彩色图文显示屏，每辆车客室设置3套360°全景模拟摄像机。

（9）采用节能环保的LED客室照明，运用了4路独立交错4个驱动电源集中供电方式，更节能环保。

2 技术性能

2.1 列车编组及车辆型式

列车编组为：－A+B+C*C+B +A

A车是带司机室的拖车，B车是有受电弓的动车，C车是无受电弓的动车，“+”为半永久牵引杆，“－”为全自动车钩，“*”为半自动车钩。

2.2 车辆主要结构尺寸

车辆主要结构尺寸见表1。

表1 车辆主要结构尺寸 mm

2.3 载客量

根据GB 50490-2009《城市轨道交通技术规范》规定，乘客站立面积除去座椅及前缘250 mm外的客室面积；按GB 10000-1988《中国成年人人体尺寸》标准，考虑我国乘客身高，将高度不小于1 860 mm区域对应的地板面积也计算入乘客站立面积。各种工况下的载客量如表2所列。

表2 各种工况下载客量 人

2.4 列车牵引及制动性能参数

在干燥、清洁的平直轨道上，在定员载荷、额定网压和车轮半磨耗状态时，列车的性能如下。

（1）列车运行速度。最大运行速度80 km/h，结构速度90 km/h，车钩连挂速度3 km/h，反向运行最大速度10 km/h。

（2）列车牵引性能。初始平均加速度（从0到40 km/h）≥1.0 m/s2，平均加速度（从0到80 km/h）≥0.6 m/s2。

（3）列车制动性能。常用制动平均减速度（从80 km/h到0）≥1.0 m/s2，紧急制动平均减速度（从80 km/h到0）≥1.2 m/s2，紧急制动距离（包括响应时间）≤204 m。

2.5 列车碰撞设计

列车碰撞设计符合EN 15227-2008《铁路车辆车体防撞性要求》C-IV类碰撞场景要求，碰撞能量吸收采用3级能量吸收的方式。如图1所示，当1列空载（AW0）列车以8 km/h速度与1列处于停放制动着的空载列车连挂时，冲击能量全部由第1级橡胶可恢复缓冲器吸收；当1列空载列车以15 km/h速度与1列处于停放制动着的空载列车连挂时，冲击能量除了由第1级能量吸收装置吸收外，剩余能量由第2级压溃管吸收；当1列空载列车以大于15 km/h、小于20 km/h的速度与1列静止的空载列车碰撞时，列车前端全自动车钩的过载保护装置起作用，全自动车钩向后移动，冲击能量除了由第1级和第2级能量吸收装置吸收外，剩余能量由第3级后部车钩过载保护装置及司机室前端防爬器、车体吸能区吸收，客室无损坏，保证乘客的生存空间。

3 设备布置

图1 列车前端能量吸收示意图

该型地铁列车采用模块化设计，简洁明了的设备布置。电气屏柜设置在车辆客室两端，如：A车2位端设置微机柜、空调控制柜；B车1位端设置空调控制柜、继电器柜，2位端设置863设备柜（故障诊断设备柜）、升弓柜；C车1位端设置继电器柜、空调控制柜，2位端设置863设备柜；司机室后端设有继电器柜和信号柜。基于方便维护、平衡轴重和利于管线的原则布置底架设备，底架设备的分配情况详见表3。

表3 底架主要设备的分配

4 列车在途故障诊断系统

列车配备了863计划“基于传感网的列车关键设备在途故障诊断技术及系统研制”的列车在途故障诊断系统（图2），基于列车传感器网络的感知节点设备，采用传感器组网技术及鲁棒检测、高可信滤波、故障分离和辨识技术，建立了走行系、动力系、辅助系、制动系、信号系、列车安防系、乘客信息系的故障集、故障描述及故障诊断模型，布署列车运行状态综合监测平台，并开发列车地面综合预警及主动运维决策支持系统，实现安全保障和运营维护的一体化。该系统有效地提高城轨列车运用安全性和可靠性，实现了从被动安全向主动安全保障的技术转型。

图2 列车在途故障诊断系统拓扑图

5 主要机械部件

5.1 车体

A型地铁车辆车体采用自主化设计的铝合金全焊接V形断面，运用模块化、轻量化设计理念，采用铝合金大型中空挤压型材、底架无中梁整体承载全焊接结构，其强度、刚度、模态、防碰撞等性能满足EN 12663《铁路车辆车体的结构要求》，静压载荷1 200 kN，静拉载荷980 kN，AW3（超载）+1 200 kN状态下应力分布如图3所示。车体由底架、侧墙、端墙、顶盖和司机室等部分组成，承受垂直、纵向、扭转等载荷。铝挤压型材采用6000系铝合金，牌号、成份和性能满足欧洲EN 755-2-2008《铝和铝合金—挤压杆材棒材、管材和型—第2部分：机械性能》标准，热处理满足EN 515-1993《铝和铝合金—锻制品—回火标志》。

图3 AW3+1 200 kN状态下应力云图

5.2 转向架

转向架为ZMA080型无摇枕转向架，最大轴重16 t。拖车转向架和动车转向架2种结构相似，见图4，采用二系悬挂结构，一系弹簧采用金属橡胶叠层人字弹簧，二系悬挂系统装配有2个空气弹簧。在动车转向架上，安装牵引电动机、齿轮传动装置、联轴节等。其主要技术特点如下。

（1）构架采用H形、无摇枕全焊接结构。

（2）车轮采用整体辗钢轮材料ER9，磨耗型踏面，辐板为S形，采取降噪环降噪。

（3）牵引装置采用中心销、Z字形拉杆牵引方式。

图4 动车转向架三维图

（4）空气弹簧的高度控制阀采用“三点调平”布置。

5.3 空气制动系统

空气制动系统主要由制动控制装置、空气供给装置、空气悬挂装置、基础踏面制动装置、车轮防滑保护装置组成，空气供给装置并为升弓装置供风。系统满足EN13452-2003《铁路应用—制动—轨道交通制动系统》标准要求，具备常用及快速空气制动控制、常用电空混合制动控制、空气制动防滑控制、紧急制动控制、停放制动控制、车辆载荷信号检测及制动载荷补偿等功能。全列车配置有2套空气供给装置，采用螺杆式压缩机。控制系统采用微机控制的模拟式电空制动模式，采用车控方式，在每辆车上，配有1套电空制动控制装置和监控终端，具有自诊断和故障记录功能。常用和快速制动指令由司控器或信号系统发出，由中央单元接收处理后，传送给各车的电子制动控制单元。由贯通全列车的安全环路控制紧急制动，当紧急制动列车线环路失电时，产生紧急制动作用。

5.4 空调及通风

每辆车客室车顶的1/4和3/4位置装各安装有1台44 kW的大功率单元式空调机组，为两端送风、底部回风型式。在每台机组中，由4台全封闭式涡旋式压缩机提供制冷输出，由2个相互独立的循环构成，每个循环由2台并联的压缩机、1个冷凝器、机组两端各半个蒸发器组成。制冷量可以实现0、25%、50%、75%、100%的5档调节，减少了压缩机的启停次数，比采用2台压缩机的空调机组更加节能环保，客室内温度波动小，能获得车厢内更高的温、湿度舒适性。空调控制系统采用微机控制器作为核心控制单元，1辆车中的2台空调机组采用独立的控制单元，通过总线结构与列车网络进行通信，具有预冷模式、正常制冷模式、紧急通风模式、保护和故障诊断等功能。

客室送风道安装在车顶天花板上方，采用交叉静压式风道，保证在1台空调机组故障的情况下，另1台空调机也能为3/4车辆长度提供制冷风。在允许的过滤器灰尘阻力的情况下，每辆车总风量不低于10 000 m3/h，新风量不低于3 200 m3/h，紧急通风送风量不低于4 000 m3/h。

5.5 内部装饰

车辆内部装饰时尚简洁，符合人机工程学设计理念，牢固可靠、易于保养和清洁（图5）。车体沿车辆中心线天花板表面距地板面的标称高度2 100 mm，乘客站立区最小高度1 880 mm。每辆车有8个宽幅双层安全玻璃窗，客室内设置纵向排列长座椅，还有残疾人专区。车厢内有足够数量的立柱扶手杆。内饰主要部件采用的材料如表4所列，符合DIN5510《铁路车辆防火保护措施》系列标准3级的防火要求，满足乘客的安全要求。

表4 内饰主要部件材料清单

图5 内部装饰效果图

5.6 车门系统

车门系统包括客室侧门、司机室侧门和紧急疏散门。在正常运行情况下，为了乘客能快速上下，在每节车厢设有10套双扇电动电控塞拉式客室侧门，均布于车厢两侧。在紧急情况下，为了疏散乘客，在列车的两端设有紧急疏散门。在司机室两侧还设有方便司机上下车的内藏式手动司机室侧门。

（1）客室侧门。客室侧门具有障碍物探测、强行开门、故障切除、故障指示和诊断、顺序开关门、参数集中调整等功能。客室侧门净开宽度1 400 mm，净开高度1 880 mm，供电电压DC110V，开、关门时间3 s ± 0.5 s。

（2）紧急疏散门。由上翻转式紧急疏散门门体和紧急疏散坡道两部分组成。门体周围有2道由密封橡胶条形成的密封装置，紧急疏散坡道与地面角度平缓为22°。紧急疏散门净通过高度1 900 mm，疏散坡道净通过宽度560 mm，完全展开时间15 s，收拢时间≤10 min，疏散能力2 025人/30 min。

图6 牵引系统主电路图

6 电气部分主要部件

6.1 牵引系统

国产化牵引系统采用交流传动，每辆动车有2个动力转向架，每个动力转向架安装2台190 kW的鼠笼式三相交流异步牵引电动机，控制方式为车控。如图6所示，牵引系统由高压电器（QS1、1Q01、1Q02）、电容器充放电单元（KM1、KM2、KM3、R1、R3）、滤波单元（L、C11、C21）、逆变器单元（INVMK1、INVMK2）、制动电阻（1R01）、异步牵引电动机(1M01～1M04)以及检测单元（LH1、LH2、LH13、LH14、LH23、LH24、LH16、LH26、VH1、VH2）等组成。

牵引系统主电路采用两电平电压型直-交逆变电路。受电弓与接触网接触受流，输入DC1500V直流电，经VVVF逆变器变频、变压为可调的三相交流电向异步牵引电动机供电。2个逆变模块单元组成VVVF逆变器， 驱动4台牵引电动机，逆变模块单元与电阻制动斩波单元集成在一起。

6.2 辅助系统

国产化辅助系统由高压电器、辅助逆变器、DC110V蓄电池充电器、扩展供电电路等组成（图7），辅助逆变器（DC1500V/AC380V）的输出功率为90 kVA，每列车6台，为空调、空压机、照明及控制电路等提供稳定的三相AC380V电源，给整列车的交流负载供电；DC/DC充电最大输出功率为25 kW，蓄电池每组容量为220 A・h，给整列车的直流负载供电。

如图7所示，两单元内辅助逆变器通过扩展供电箱进行冗余，扩展供电仅在单元车内进行，即在单元内的A、B、C 3辆车之间进行，具有配置灵活、冗余度高的优点。当某1个辅助逆变器发生故障时，不会对列车运营造成任何影响；当单元内2台辅助逆变器故障时，正常车辆与相邻故障车扩展供电、切除一半空调负载，另1台故障车辆进行紧急通风；当单元内3台辅助逆变器故障时，本单元内全部紧急通风，另一单元车所有负载不受影响。

图7 辅助电源负载分配图

6.3 列车控制及诊断系统

列车控制及诊断系统为国产化系统，采用符合IEC 61375-1-1999《铁路电气设备—列车总线—第1部分：列车通信网络》、IEC61131-3《编程语言》标准的分布式控制技术，分为列车控制级和车辆控制级。包括：车载硬件、操作系统、控制软件、诊断软件、监视软件以及维护工具。为了提高故障情况下列车的可用性，采取列车总线、车辆总线均双通道、控制主机热备份、自动主权转移等冗余措施。列车故障诊断系统具有车载各部件故障数据的采集、分析、转储和显示功能。故障等级划分为严重故障、中等故障、轻微故障3个等级，通过司机台上显示器显示故障信息，并可采用便携式维护工具将其上传到地面维修和服务系统中，用于长期储存和深入的地面分析。

6.4 乘客信息系统

采用高度集成音频、信息显示和视频监控于一体的乘客信息系统包括显示系统、列车视频监控系统及广播对讲系统，为乘客提供高质量的视音频和文本信息，以及为运营控制中心提供视频监控和音频监听功能。采用19英寸LCD彩色图文显示屏，每辆车8台；通过无线宽带传输网络设备接收信息，通过车载LCD播放控制器解码后，在列车上的LCD显示屏上实时播放，也可通过本地播放。在客室和两端司机室将分别安装视频监控系统设备，每辆车客室设置3套360°全景模拟摄像机，每个司机室设置1套彩色固定式半球形摄像头。列车广播对讲系统由列车广播、对讲、LED点阵文字屏动态地图显示系统组成。

6.5 照明系统

客室照明采用节能环保的LED平面照明灯具，设计寿命不小于50 000 h，较荧光灯灯具能节能30%以上。在距地板面高800 mm处，照度不小于300 lux。客室照明采用4路独立交错4个驱动电源集中供电方案，与分散LED供电方案相比，电源集中供电利用LED恒流驱动的固有特点，不需要在每个灯具上附带电源装置，可维护性好，有效地解决了分散供电电源散热和寿命不均匀的问题。外部照明由前照灯、尾灯、运行灯组成，采用DC110V供电。前照灯采用氙灯，尾灯采用低功耗的红色LED灯，运行灯设有白色和红色2套不聚焦的LED灯。

7 结束语

该项目车辆研制工作完成后，在广州地铁1、2、8号线完成了各项试验，车辆各项技术指标达到了设计要求，2013年6月增购车辆正式投入运营。随着我国城市轨道交通的蓬勃发展，搭建节能环保、智能化、高度国产化升级版的80 km/h速度等级A型地铁产品平台，将带来显著的经济及社会效益。

[1] 陶功安，袁立祥，马喜成. 广州地铁3号线地铁车辆[J]. 机车电传动，2006（4）.

[2] 柳晓峰，李耘茏. 100 km/h速度等级A型地铁车辆计[J]. 电力机车与城轨车辆，2010，33（1）.

[3] 柳晓峰，周利，曹增明. 上海轨道交通11号线南段车辆设计[J].电力机车与城轨车辆，2014（5）.

[4] 中国南车株机公司. 广州市轨道交通一二八号线增购项目车辆技术规格书[G]. 湖南株洲：南车株机电力机车有限公司，2013.

责任编辑 冒一平

Development of Vehicles of Guangzhou Metro 1, 2, 8 Lines

Li Chunming, Li Jun, Peng Dongliang

Project for buying more vehicles based on the requirements of the Guangzhou metro, from design concept of safe, reliable, smart, environmental protection, and the vehicles uses advanced design software and provides a high percentage of localization, pantograph currenting, aluminum alloy car body of 80 km/h type A metro vehicles. This paper introduces main technical characteristics of the vehicles, and expounds the train formation and its main technical paramenters, and analyzes the vehicle main components and system.

metro vehicle, localization, vehicle design, aluminum alloy car body, system components

U266.2

2014-12-28

李春明：南车株洲电力机车有限公司技术中心，硕士研究生，工程师，湖南株洲 412001

国家高技术研究发展计划项目（2011AA110503）