山地城市A型地铁车的特点

冯伯欣



山地城市A型地铁车的特点

冯伯欣

（重庆市轨道交通（集团）有限公司，重庆 401120）

介绍中国首次研发的山地城市A型地铁车（简称As车）的技术特点，包括与以往不同的技术规格、大幅度提高的爬坡能力、改善了的通过小半径曲线的性能、提高列车运行可靠性的多种措施、提高电磁兼容性的特殊对策、车体结构的重要改进和优化等。

爬坡能力；通过小半径曲线性能；运行可靠性；电磁兼容性；车体结构

重庆市位于长江、嘉陵江汇合处，城区被两江四山分割成为五大部分，形成“一城五片、多中心组团式”城市结构。地势起伏大，重庆轨道交通多条线路须反复跨越嘉陵江和长江，穿过崇山峻岭。

2006—2014年是重庆轨道交通第一轮建设期，所建设的2、3号线是单轨交通线路，1、6号线是地铁交通线路。1、6号线所使用的地铁车辆是B型车，地铁工程是按原国家标准《地铁设计规范》GB 50187—2003[1]进行设计建设的。

根据规划，从2012—2020年是轨道交通第二轮建设期，在此期间将建设环线以及4、5、9、10号地铁线路，为了使重庆市轨道交通建设得更好，在总结第一轮建设的基础上，对以新的地铁车辆为中心的技术方案进行了较为周密的策划，新的地铁交通系统将更适合山城重庆地形地貌并显现新时代气息。研制新的地铁车全名叫“山地城市A型地铁车辆”，简称“As车”。为降低制造、使用、维修成本，实现资源共享，把这种车作为一种标准车、通用车来进行研发。

As车经过了精心设计、试制、试验以及空载试运行，证明车辆完全达到了设计要求。

重庆市政府主管部门还下达了计划，以用户为主，组织相关厂、研、院、所编制了重庆市地方标准《重庆市地铁设计规范》DBJ 50—244—2016[2]和《山地城市A型地铁车辆通用技术标准》DBJ 50 T—259—2017[3]。

首批生产的车辆配备给了5号线一期工程北段和10号线一期工程。2017年12月28日投入载客试营行，其鲜明的特点和优良的性能受到了广大乘客的欢迎和好评。现把As车主要技术特点介绍如下。

1 车辆主要结构和尺寸进行了优化

在国内既有的A型车和B型车的基础上，对As车的车辆主要结构尺寸进行了优化，如表1所示。

表1 As车的主要技术规格

续表

注：列车编组中：“=”表示半自动车钩，“+”表示半永久式车钩。

为了适当提高载员，使车体宽度与A型车的最大宽度相等；为了改善工艺性，把梯形或鼓形的车辆断面改为矩形；为适应山地城市弯道多和曲线半径小的特点，车辆长度与B型车接近；为增大重庆夏天高温超员状态下乘客的呼吸空间，车辆内空净高比A、B型车高出了100 mm，与现有正在营运的单轨车相同，提高了乘客乘坐舒适度；为了缩短乘客上下车的时间，客室车门增加了开度；为方便列车车门对准站台门，把全列车客室车门中心距设计成同一尺寸；为使车辆在曲线上枕内外偏移更接近，根据设计理论[4]，调整了转向架中心距；为改善通过小半径曲线的性能以及减少轮缘磨耗和钢轨磨耗，缩短了转向架的固定轴距；为了提高在长大坡道上制动的安全性，增加热容量，基础制动采用了轮盘制动；为了使牵引时受力更合理，以及能使用通用的调车机车，地板面高度和车钩中心高度与A型车相同等等。

2 提高列车的爬坡能力

为适应重庆市的地形地貌，有效地降低工程造价，对线路提出了如下要求：“区间隧道正线坡度不宜大于45‰，困难地段可采用50‰；联络线、出入线的最大坡度不应大于50‰；正线露天线路及洞口100 m以内线路坡度不宜大于35‰，如采取防雨冰雪措施，并通过技术论证，坡度不应大于50‰。各种最大坡度值均不应计入各种坡度折减值”。与现行国家标谁《地铁设计规范》GB 50157—2003相比，重庆地铁关于线路坡度的规定有较大幅度的提高。

为确保列车在大坡道上运行的安全性，主要采取了以下技术措施：

1）列车编组采用了5动1拖编组方式，不但确保了牵引状态下具有足够的黏着牵引力，还确保了救援工况下黏着系数在允许的范围内。其动力配置如图1所示。

图1 列车牵引动力配置

2）牵引和制动均采用了架控方式，提高控制的精细程度，有利于充分发挥牵引力和制动力；

3）基础制动装置全部采用轮盘式，使之具有充分的热容量，确保车轮在长大坡道上的制动安全性；

4）每个车轮安装了增黏型踏面清扫器[5]，有利于提高黏着系数和保护车轮踏面。

3 改善列车通过小半径曲线的性能

同样是为适应重庆市的地形地貌，有效地降低工程造价，对线路提出地铁车辆通过圆曲线最小曲线半径的要求，如表2所示。

表2 车辆通过圆曲线最小曲线半径

注：为列车速度。

从表中可以看出，与原国家标谁《地铁设计规范》GB 50157—2003相比，重庆地铁车辆通过圆曲线最小曲线半径的要求更严了。

为满足车辆通过圆曲线最小曲线半径的要求，减小通过曲线时的磨耗功，使轮缘磨耗和钢轨磨耗减到最小，采取了如下的措施：

1）缩短转向架固定轴距，考虑到轮盘式基础制动装置和牵引电机的安装空间，最终确定为2 200 mm，这也是国内采用轮盘式基础制动装置的转向架中固定轴距最小的。通过计算可知，与轴距为2 300 mm同类转向架相比，通过相同半径的圆曲线时，其磨耗功能降低约5%，如与轴距为2 500 mm的转向架相比，通过相同半径的圆曲线时其磨耗功将有更大幅度的降低。

2）安装了干式轮缘润滑装置[6]，用以通过曲线时降低噪声和改善轮缘磨耗及钢轨磨耗。之所以采用干式，主要是为了使润滑部分集中在轮缘，除能减少轮缘磨耗和钢轨磨耗外，干式轮缘润滑装置对降低过小曲线时的噪声有明显效果。选用干式轮缘润滑装置，其结构比较简单可靠、轮缘润滑块性能稳定且不污染环境。

3）转向架的配置，有意把非动力转向架配置在列车的最前端和最末端，有利于防滑器速度信号的采集以及改善列车导向性能。

4 提高列车运行可靠性的措施

4.1 双弓并联受电

如上所述，每个动力单元增加了2台牵引电机，列车的受电弓不仅要通过牵引电流，还要通过比牵引电流大很多的制动电流，为确保电流密度不超过允许值，每动力单元采用了双弓并联受电。双弓并联受电有以下优点：降低了离线率、减少电弧对滑板的磨损、对改善滤波电容器和VVVF（variable voltage variable frequency）逆变器及其IGBT（insulated gate bipolar transistor）元件的工作条件有重要意义。

4.2 辅助三相交流中压电源实现并网供电

全列车4个辅助逆变装置输出的三相交流中压电源实现并网供电，使空调机组等大负载起动时减少因起动电流对供电质量造成的冲击。不仅如此，如列车中任意一套辅助电源退出运行时，空调机组等用电设备可照常运行而不必减载。三相380 V中压供电系统和直流110 V低压供电系统均考虑了在发生局部接地或短路故障时能将故障回路切除，维持列车继续运行的措施。

4.3 过压保护故障监控回路

与电阻制动的列车不同，再生制动列车再生吸负荷有时波动较大，滤波电容器C两端发生过电压的可能性变大，过压保护回路及其相关各元件是否处于正常状态，就显得更加重要。“过压保护故障监控回路”的任务是实时监控过压保护回路和器件，一旦发现不正常立刻断开主回路。

这是一个非常巧妙的电路，它并没有额外增加元件，只是改变了电路接点，如图2所示。

图中C为滤波电容器，OVD是过压保护用IGBT，WH为电压传感器，R为过压释放电阻。当电压传感器WH检测到滤波电容器C两端电压超过设定值时（例如1 900 V），OVD导通，电容器C通过电阻R放电，使牵引逆变器两端电压降到允许设定值以下，保护了逆变电器IGBT元件。但如果过压保护电路中任何一处不正常（如过压释放回路开路、电压传感器失效、IGBT元件击穿、逻辑电路故障等），所有IGBT就失去了过压保护作用而处于危险状态，在这种情况下，“过压保护故障监控回路”就能发挥关键作用，它实时监控过压保护电路，一旦发现上述任何一种不正常情况，WH输出立即变低电平，它通过控制电路以最快的速度，把本牵引支路高速断路HB断开，中止牵引逆变器带病工作，IGBT元件过压保护的安全性大大增加了。

图2 过压保护故障监控回路

4.4 双单元列车编组

继承了重庆1、6号线地铁列车编组的成熟经验，把每列车分成2个独立单元，正常情况下2个单元统一集中控制，当其中任何1个单元发生故障时，可将该故障单元切除，因此要求相关的两单元之间的控制线、网络线、空气管路等都要服从这个要求，这样，当车辆发生故障时，列车可由健全单元牵引，在最短时间内自力退出运行，一般不需要调动救援列车对故障列车实施救援，最大限度地减少因救援对营运造成的影响。

5 提高电磁兼容性的重要措施

VVVF逆变器的输出电压都是方波，其中包含了大量的高次谐波，在传输过程中，由于接逆变器和电机的电缆对地之间存在杂散电容，电机线圈与铁心间也存在杂散电容，高次谐波通过这些杂散电容，向周围空间发射很强的电磁波，对无线电设备产生干扰，影响周围机器设备的正常工作。为减少这种危害，车辆配线参照了日本标准[9]，采取了以下措施，如图3所示：

图3 高次谐波干扰抑制措施

1）逆变器至电机之间的3根连接电缆敷设时需交叉换位，如有困难应尽量捆扎在一起；

2）电机外壳接地线与车体上的汇流排相连，汇流排再与接地装置上的负极回流电刷相连接；

3）同时电机外壳接地线还要与电机3根电源线綑在一起，穿过铝质电线管或铝质线槽，与VVVF箱体内负极回流线相连。

6 车体结构重要改进

6.1 车体结构断面设计成矩形

车体结构断面设计成矩形带来的好处主要有以下几点：

1）为铝合金车体全面采用搅拌摩擦焊[7]创造了条件，特别是车体侧墙结构，由曲面改成平面后，车体结构六面体基本上全都能方便地采用搅拌摩擦焊，不但缩小了焊接热影响区，提高了车体结构的焊接质量，而且在焊接现场已经见不到弧光、烟雾等污染，操作工人劳动环境得到了很大改善；

2）简化了车体侧墙组焊工装和车体结构总组焊工装，有利于提高组焊质量，降低了焊接工时和成本。

6.2 取消空调机组嵌入式安装平台

如图4所示，传统的车顶空调机安装平台采用“嵌入式”，须在车顶开2个缺口，再把预制好的安装平台嵌入，再满焊，达到水密要求。不但工序多、费工时，还影响车体结构强度。改进后的车顶结构取消了缺口、空调机由平底改成圆弧底，跨座在车顶上，取消了风道上方的多余空间。这种车体结构的优点是节省材料、节省工时、简化工装、提高了车体强度和刚度。

图4 车顶结构的改进

6.3 免装抗侧滚扭杆

研究表明，地铁车辆免装抗侧滚扭杆有利于提高车辆动力学性能[8]，经计算、试验和试运行证明，免装抗侧滚扭杆装置的As车，侧滚小，车辆运行平稳性良好，车辆各种动力学性能优良。为适当降低柔性系数，加大了空气弹簧的横向中心距，采用了膜式空气弹簧，车辆限界符合重庆市制定的地铁设计规范。免装抗侧滚扭杆装置后减轻了车辆的自重，确保了车辆轴重不超过15 t，同时还减少了车辆维修工作量。

为使乘客上下车更快捷，客室车门开度由1 300 mm扩大到1 400 mm。另外为方便站台安全门设计、施工和使用，全列车客室车门中心设计成等间距。

7 环保和节电措施

7.1 车体前端和内墙板采用环保材料

国际和国内一些铁道车辆的生产厂家，很多采用FRP（fiberglass reinforced plastics）制作流线型前端和内墙板，主要优点是强度高、耐腐蚀、容易成型，缺点是大修拆除时无法回收再利用，需要深埋处理，占用土地，不利于环境保护。

为子孙后代考虑，对于As车的前端和内墙板决定不再采用FRP制造，而全部是用铝合金设计和制造，如图5所示，将来大修时可以回收，不会造成环境污染问题。

7.2 再生制动能量的回收和再利用

重庆轨道交通建设从第一轮开始，单轨车和地铁车上就不装制动电阻，平均每辆车减重300～500 kg，1 500多辆车经多年运行，因不装制动电阻而减重产生的节电效果十分可观。2号线单轨车再生制动产生的能量除反馈给其他运行车辆使用外，发送到变电站经斩波控制后，将消耗在设置于变电所地面的电阻上。

第一轮建设期间的3号线单轨交通系统和1、6号地铁交通系统，除列车上不装制动电阻外，还在变电站装设了“再生制动能量吸收装置”，再生制动的电能，除供给其他列车吸收外，还通过逆变器供给车站空调、动力和照明用电，剩余电能通过动力变压器反馈到一次侧电网，不但收到了良好的节电效果，还为所有运行的列车提供了稳定的电制动转矩。

图5 铝合金结构车辆前端

重庆轨道交通第二轮建设继续利用了这些宝贵经验，As车上未装制动电阻，在变电站装设再生制动能量吸收装置，继续发挥节电环保的良好效果。

在环保方面，由于不用电阻制动，排放到隧道内的电阻制动热量接近零，隧道通风机的负担大大减轻，隧道内温升梯度大幅度减缓。由于充分利用了电制动，使用机械摩擦制动的比例大幅度减少，闸瓦或闸片磨耗产生的粉尘几乎减少了90%以上。

8 结语

1）As车是继A、B型地铁车后，又一种我国自主开发的大型地铁车型，是中国的自主知识产权；

2）As车爬坡能力强，通过曲线性能好的特点特别适合山地城市使用；

3）As车在车体、转向架、电牵系统、环保、节能及电磁兼容等方面进行了大胆创新或改进，乘客乘坐的平稳性和舒适性优良；车辆运行技术性能以及制造、使用、维修方面的工艺性和经济性能良好，不仅适用于山地城市，也值得向其他城市推广应用。

[1] 地铁车辆通用技术条件: GB/T 7928—2003[S]. 北京: 中国标准出版社, 2004.

General technical specification for metro vehicles: GB/T 7928–2003[S]. Beijing: Standards Press, 2004.

[2] 重庆市地铁设计规范: DBJ 50—244—2016[S]. 重庆, 2016. Specification for design of Chongqing city subway: DBJ 50—244—2016[S]. Chongqing, 2016.

[3] 山地城市A型地铁车辆通用技术标准: DBJ 50T—259—2017[S]. 重庆, 2017. Mountain city a metro vehicle general technical standard: DBJ 50T—259—2017[S]. Chongqing, 2017.

[4] 严隽耄, 傅茂海. 车辆工程[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2008.YAN Junmao, FU Maohai. Vehicle engineering[M]. Beijing: China Railway Press, 2008

[5] 傅佩喜. CRH2型动车组研磨子国产化研究[J]. 铁道车辆, 2010(7): 27-30. FU Peixi. Research on localization of abrasive block on CRH2 multiple units[J]. Railway vehicle, 2010(7): 27-30.

[6] 张冠兰. 干式和湿式轮缘润滑差异性浅析[J]. 中国科技博览, 2016(14).

ZHANG Guanlan. Analysis of the difference between dry and wet flange lubrication[J]. China science and techno­logy expo, 2016 (14).

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[9] 鉄道車両——接地の一般规则: JRIS R 0220—2014[S]. 212-256. Rolling stock—General rules for ear thing: JRIS R 0220—2014[S]. 212-256.

（编辑：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 signify­cantly 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

冯伯欣，男，副总工程师兼车辆技术总监，从事地铁车辆技术研究创新工作，1776267337@qq.com

重庆市发展和改革委员会渝发改交（[2013]1505号；[2014]）466号；[2014]1483号；[2015]725号）