城市轨道交通车辆选型的研究

李逸群 张占周

(1. 西南交通大学机械工程学院 四川 成都 611730；2.石家庄市轨道交通有限责任公司 河北 石家庄 050035)

我国部分大城市如北京、上海、广州等的轨道交通已形成网络化运营，已开通线路均在15条以上，运营线路总长均超过450 km，并且仍在扩大。地铁车辆的合理选型至关重要，下文主要从实际应用的角度出发，以石家庄市地铁3号线为实例，针对地铁车辆具体的选型过程进行分析，从而为合理制定地铁车辆选型方案提供可靠的依据，供其他城市参考和借鉴。

1 车型选择的原则

石家庄市轨道交通车辆在技术性能上要求应用成熟、易于管理和维护，故应遵循以下原则[1-2]。

(1)应以客流量为基础。客流量由车辆型式、编组数量、发车间隔时间、列车运行速度和图定对数等主要因素决定。

(2)应整体考虑既有线路的车辆类型。从资源共享的角度来看，新线车型的选择应尽量与既有线车型兼容，合理配置现有车辆，提高车辆利用率。

(3)应做到标准统一，尽量实现车辆运营环境和车辆本身的接口互换性；提高兼容性，需在车辆选型时充分考虑与既有的供变电系统、通信系统、信号系统、线路条件和站场条件等的匹配度。

(4)应选择美观舒适的车辆，以吸引更多的乘客，并尽量减少对周围环境的影响。

2 车型对比分析

目前我国上海、广州、深圳、南京的地铁车辆使用A型车的线路较多；而北京、天津、武汉、大连则使用B型车的线路较多。两种车型的主要应用参数如表1所示。

表1 A、B型车主要技术参数

从表1可以看出，两种车型主要尺寸和轴重的差异必然会导致不同的土建、车辆购置和运营成本。

(1)客流量。一般情况下，6辆编组A型车的高峰断面客流量比同样6辆编组的B型车高出约27%。石家庄市轨道交通线网由6条线路组成，在线网规划初始阶段已经将各条线路的作用、服务对象和服务水平进行了初步定位，1、2、3号线形成了线网的骨架结构。根据客流预测结果，1、2、3号线远期高峰断面客流规模在4万人左右，从断面客流来看，1、2、3号线处于同一运量级别。因此，在车辆选型上对于同一运量级别的线路应选择相同车型，即3号线的车辆选型应与1号线保持一致，便于实现线网车辆维修资源的共享。

(2)土建工程规模。由表1可知，A型车比B型车宽0.2 m，必然导致建筑和设备限界比B型车有所增大。根据GB 50157—2003及《城市快速轨道交通工程项目建设标准》，A型车矩形隧道横断面积比B1型车增加11.5%，比B2型车增加4.9%。因此，土建工程施工量增加了约4%～12%。其次考虑车辆长度，其主要影响车站土建工程。经计算，每增加1辆A型车，车站平面面积将增加约140 m2～170 m2，那么每个车站则增加土建投资约112万元～136万元。此外，车辆长度和宽度也会影响车辆段的土建施工规模。

(3)车辆购置费。车辆购置费与车辆单价和配置数量有关，目前我国A型车多为铝合金车体，平均价格约为800万元/辆；而B型车多为不锈钢车体，平均价格约为600万元/辆。经估算，石家庄地铁3号线如果配属A型车6辆编组，远景年运用车最多为312辆，如果配置B型车完成相同的运量，运用车则增加125辆，投资增加1.25亿元。

(4)运营成本。目前我国关于A、B型车节能的争议很大。龙百画[3]在分析运营成本时，考虑了满载和空载两种极端情况。假设车辆人均载荷为60 kg/人，可计算出A、B型车满载时的人均牵引负重分别为266.5 kg/人和284 kg/人，即满载情况下B型车每运送1位乘客要比A型车多承担17.5 kg的负荷。单从这方面考虑，A型车比B型车节能。但是当A型车满载率等于80.6%时，即此时B型车能满足运能要求，A、B型车满载时的人均牵引负重分别为316 kg/人和284 kg/人。因此当A型车的满载率在80.6%或以下时，B型车更节能。

(5)舒适度。根据客流预测资料，各车型3号线早高峰区间舒适度比较如表2所示。

表2 3号线不同编组舒适度比较表

经过对不同编组舒适度的计算分析，A型车6辆编组舒适度最高，不超过4人/m2，主要集中在2～3人/m2；B型车7辆编组舒适度居中，不超过5人/m2，主要集中在2～3人/m2。从全日列车平均满载率可以看出，B型车7辆编组只比A型车6辆编组高2%，且都达到了20%以上，因此均有较好的运营经济性。

综上所述，A型车和B型车之间没有本质区别，客流完成相同时的总采购成本亦相似。A型车较B型车工程投资略有增加，但A型车较B型车在运营成本上占有一定的优势。同时，考虑地下空间开发的不可逆性和前期设计的包容性，A型车的规模能包容运营B型车。借鉴了北京、上海、广州、南京等城市在车辆选型上的经验，充分了解了目前国内外的车辆装备水平和发展方向，综合考虑该市的建设规划条件和内容，经过专家论证，本工程决定推荐选用A型车作为方案。该线路为市区骨干线路，途经火车站、新百广场等客流集散点，规划全长62.3 km，全线共设车站33座，平均站间距1.2 km，预计最高车速80 km/h。

3 列车编组分析

列车编组除满足运营组织和行车能力的要求外，还涉及列车编组技术领域的要求。A型车不同编组列车完成的客流量如表3所示。

表3 不同编组列车长度和客流量

通过对该市的客流量分析，中远期高峰断面客流量能达到5万人/h左右，因此选择6辆编组较为适宜，亦可满足长远需求。确定了每列6辆之后，就要考虑动拖比，动车数量的配置对车辆的黏着利用、启动加速度、实际运营速度、全线图定列数、电制动特性、故障运行能力、救援能力和车辆维修方面等均有影响。于振华等人[4]已经对不同动拖比的列车进行过详细分析，得出了以下公认的结论。

(1)假设全动车黏着系数为μ，则3M3T的黏着系数为2μ,4M2T的黏着系数为1.5μ，故列车编组中动拖比增大，黏着系数减小。

(2)整车编组中，动拖比增大对提高列车的平均启动加速度有决定性作用。

(3)由于动车的配置会影响平均启动加速度，因此不可避免地会影响实际运营速度。

(4)3号线全长62.3 km，已得知4M2T编组的平均运营速度为38 km/h，3M3T编组为36 km/h，假设线路远期高峰间隔时间为2 min，折返时间为2 min，则4M2T编组所需运营的列车总数为29.58列，3M3T为31.3列。

(5)在AW3负载下，4M2T编组的列车在恒电制动力阶段则基本不需补充空气制动，可减少闸瓦或闸片的磨耗。

(6)在1辆动车丧失动力的情况下，3M3T编组的动力占33.3%，几乎不能维持运行到终点，会打乱运行图。4M2T编组的动力约占50%，基本上可以在不干扰运行图的情况下保持正常运行，但单轴牵引力较4M2T有所增加，黏着系数亦增加。

(7)一列3M3T编组的空载列车很难在坡道上救援另一列3M3T编组的故障列车。启用高加速开关后的黏着系数已高达0.22以上，干燥平直轨面可以启动，潮湿的弯道可能会存在问题。

(8)在受电弓方式下，4M2T编组车型种类比3M3T少，没有中间拖车，车辆段内的备品备件种类相对较少。另外4M2T编组在段内可分解为2个独立的2M1T可动单元，使用维护更加灵活多变。而3M3T编组每辆车之间均为半永久牵引杆联接，只能为一整体，不宜拆解。

综上所述，4M2T编组形式的各项性能指标均优于3M3T，故3号线最终推荐采用初、近、远期6辆4M2T编组形式的方案，其中每辆动车配置1组牵引逆变装置，1C4M的控制方式。

4 结论

上文通过对石家庄地铁3号线进行车辆选型实例分析，得到了以下结论。

(1) 该市3号线为市区骨干线路，综合考虑该市的实际发展水平和近远期客流预测分析，决定选用A型车。

(2) 通过对车辆的黏着利用、启动加速度、实际运营速度、全线图定列数、电制动特性、故障运行能力、救援能力和维修等方面的分析，得知4M2T编组形式的各项性能指标均优于3M3T，故该市3号线选用6辆编组4M2T形式。

该结果与1号线可研车辆选型结果一致，保证了线网车辆制式的统一性，为线网资源的共享提供了基础。