三编组地铁车辆的总体设计方案探讨

高武 庄文锋 刘亚宁

摘要：目前国内地铁车辆对三编组车辆的研究及应用较少。三编组车辆总体设计难度大，部分专业设计需要统筹考虑总体的可实现性能。本文从总体尺寸，动力配置及故障运行、车门及座椅布置、防滑控制、重联及改造四个关键方面分析三编组车辆的总体设计方案，并结合既有项目案例，给出推荐的设计方案。

关键词：三编组;动力配置;车门及座椅;防滑控制;重联;改造

1 概述

采用三编组快速地铁车辆可以通过单独运行或重联运行，满足客流潮汐性明显的线路，实现高峰期“大编组，高密度”、一般时段“短编组，高密度”、低谷区“短编组、低密度”的运营方式，平衡了运力及服务水平之间的矛盾。

对于三编组车辆，国内应用案例较少，其总体尺寸，动力配置及故障运行、车门及座椅布置、防滑控制、重联运行及车辆改造等方面均具有特殊性，本文通过三编组车辆进行分析，并结合广州3号线[1]、上海16号线[2]以及宁高城际[3]的实际应用案例，分析三编组车辆相关的设计方案。

2 车辆总体设计

2.1车辆总体尺寸分析说明

三编组车辆设置两个带司机室头车和一个不带司机室的中间车。常规六编组车辆的总体尺寸设置如下：

当三编组车辆按此方案进行车辆设计时，车辆编组图如下：

对于常规车辆而言，如此设置并无问题。但是对于三编组车辆，由于考虑后期客流量的增加，需要新采购6编组的车辆，并且既有车辆需要采用重联方式进行运营，3+3重联车辆与新采购的六编组车辆的总体尺寸就存在不一致的问题。

以A型车为例，新采购6编组的车辆，共有2个头车和4个中间车，车辆全长为140m，对于3+3重联车辆，共有4个头车和2个中间车，车辆全长为143.2m。主要差异就在第三节车和第四節车之间的距离。对于新采购6编组的车辆，第三节车与第四节车相邻转向架的距离为7100mm，而对于3+3重联车辆，第三节车与第四节车的距离为10300mm（=5150*2），两者差值为3200mm。此问题会导致站台屏蔽门与车辆车门设置不匹配的问题。对此，解决办法如下：

方案一：对于三编组车辆，采用等长的方式设置，所有车辆长度均设置为22800mm，则车辆全长为68.8m，3+3重联车辆全长为136.8m;而新采购的6编组车辆，也均采用等长的方式，所有车辆也设置为22800mm，则车辆全长为136.8m。两者长度、转向架相对位置、车门相对位置均保持一致。

方案二：对于三编组车辆，采用常规地铁车辆的设置方式，头车长度设置为24400mm，中间车车辆长度设置为22800mm，则列车长度为71.6m，3+3重联车辆全长为143.2m;;而新采购的6编组车辆，其第三节车和第四节车的长度设置为24400mm，与头车设置方式保持一致，则车辆全长为143.2m。两者长度、转向架相对位置、车门相对位置均保持一致。

方案三：若后期不考虑采用3+3重联的运营方式，则需要将三编组改造为六编组车辆，通过改造既有车辆，与新采购的车辆总体尺寸保持一致。

目前，广州3号线设计时采用的就是方案1，所有车辆长度设置为等长，为解决头车尺寸较小问题，其车端距设置为920mm，比常规的B型地铁车端距更大。上海16号线在增购六编组新车是，在方案2和方案3之间进行了讨论，最终决定采用方案2，第三节车和第四节车采用单端加长1600mm的方式实现列车长度、转向架相对位置、车门相对位置的一致性。

2.2动力配置及故障运行能力

对于常规地铁车辆，车辆的动力配置有动车和拖车两种，部分车辆还可能设置半动车，牵引控制方式有车控和架控两种方式;动车的牵引控制方式考虑采用车控方式或架控方式，即一套牵引逆变器控制一节车或一个转向架;对于半动车，牵引控制方式只能采用架控方式，即即一套牵引逆变器控制一个转向架。因此，针对三编组车辆，其根据动力配置和牵引控制方式分为以下几种方案，不同方案间存在差异，具体对比如下：

对于推荐的方案2和方案4，目前均有成熟的应用案例，如广州3号线采用方案2，上海16号线和宁高城际采用方案4。方案1的配置太高，实用性较差，但适用于坡度较大的线路。方案3的故障运行能力较差，当出现一个动力单元故障的情况下，车辆仅剩下一动两拖，运行到下一站后就必须退出运营。

当线路后期考虑三编组和六编组车辆混合运营时，以上方案除全动车外，均存在车辆故障后需救援的问题。即：当六编组车辆故障时，无法通过三编组车辆进行救援，只能通过调派6编组车辆来实现。对于三编组车辆无法救援6编组车辆的问题，近期开始出现在上海崇明线、南宁机场线等线路车辆设计讨论交流会上，后续全动车也有可能出现应用案例。

2.3 车门布置及座椅

常规地铁列车具有快上快下的需求，需要设置足够多的车门。一般B型地铁车辆每节车每侧设置4对车门，A型地铁车辆每节车每侧设置5对车门。同时客室座椅一般设置成纵向座椅。座椅数少，站立面积大。

对于城际铁路和市域快线而言，其站间距长、速度快，更多的是考虑车辆安全性和客室的舒适性，每节车每侧仅设置2对车门或3对车门。同时客室座椅一般设置成横排座椅，座椅数多、更为舒适，客室站立面积少。

下面以B型地铁为例，分析车门及座椅布置的方案差异：

综合以上对比，方案四适用于站间距中等，潮汐客流较明显的市域快线等线路，方案一和方案三适用于市区和郊区兼有的线路，方案二则不推荐，其优势不明显。

2.4车辆防滑设计

对于常规的六编组或者低速运营地铁车辆，当列车发生滑行控制时，只对发生滑行的车进行制动力调节纠正，待滑行消失后再恢复制动力，而其它车的制动力保持不变。或者采用对发生滑行的动车的制动力限制粘着系数，而缺失的制动力将平均分配在拖车上或者其它没有发生滑行的车辆上。

对于速度等级较高的三编组列车，当运营速度达到120km/h以上时，其防滑设计要求更高[3]，主要因素有如下：（1）列车为三编组的短编组列车，前车对后车的粘着改善情况有限;（2）列车最高运营速度较大，随着列车速度的增加，轮轨间的可用粘着也随之降低;（3）列车采用盘型制动，较踏面制动相比，车轮得不到有效的清洁，轮轨间的可用粘着会有所降低;（4）一般快线的线路存在较多的高架线路，下雨天后湿度较大，在恶劣天气下可用粘着较低。

目前主要的其防滑控制有2种方案。第一种方案比较简单，当系统检测到较长时间的滑行后，系统切除该转向架的电制动，将剩余的电制动根据目前粘着水平重新分配，不足的制动力由空气制动补齐，补充的空气制动平均分配到拖车转向架和故障的转向架上。第二种方案采用的是等黏着方案，当系统检测到滑行后，首先将剩余所需的制动力平均分配到所有转向架上，动力转向架仍采用电制动，拖车转向架采用空气制动;当车辆滑行未能缓解，则切除该动力转向架的电制动，将电制动根据目前粘着水平分配到未发生滑行的转向架上，拖车转向架和被切除的转向架施加空气制动，所有车辆的制动力仍保持一致。

当然，车辆还可以通过设置踏面清扫[4]和撒砂装置[5]，有助于改善粘着，降低滑行出现的概率。

2.5车辆重联及改造分析

三编组车辆的载客量较少，一般用于近期和中期的线路规划。随着城市的不断发展，远期一般考虑采用五编组或者六编组车辆。对此，在线路规划时，既有三编组车辆采用重联或者改造方案也要体现在规划文件中。

重联方案：将三编组车辆进行重联为六编组后直接在线路上运行。新增的列车直接采用六编组的方案。该方案较为简单，只需要在初始设计时预留列车重联的接口即可。但重联后的车辆重量较大，配有4个司机室、且牵引系统配置冗余度过高，首期和后期车辆的设备无法互换，性价比较差。

改造方案：将既有三编组车辆直接改造为五编组或六编组后在线路上运行。后续新增的列车也是直接五编组或者六编组的车辆。该方案一次性投入成本较大，既有的车辆设备需要报废，且需要根据车辆实际情况确认是否能够改造。由于改造方案困难极大，目前国内暂无实际应用的改造案例。

目前国内一般采用既有列车重联的方式来运营，并且通过新增采购六编组车辆来满足客流的增长，如广州3号线。也可以通过六编组和三编组混合运营的方式来运营，部分既有车辆仍采用三编组运营，剩余的三编组采用重联方式和新采购的六编组车辆以六编组方式运营，如上海16号线。

对于考虑通过改造车辆来实现加大编组的线路，必须在车辆设计时充分考虑，预留相同的设备接口和改造空间，这种理念在六编组改八编组的项目上较为普遍，并且已经有成熟的技术方案了。

结语

随着城市功能分区的完善以及城市群规划的提出，对于连接城市郊区与市区、卫星城与中心城或机场与市区的市域轨道交通，三编组地铁车辆成为一种备选方案进入了各个城市的规划中。

本文通过对分析三编组车辆的特点，选取了总体尺寸，动力配置及故障运行、车门及座椅布置、防滑控制、重联及改造等方面进行分析，通过对所有可能的方案进行分析和对比，并结合既有项目案例，提供车辆设计的建议和推荐方案。

参考文献：

[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）：52-59.

[2]  柳晓峰，曹增明.上海轨道交通16号线列车重联技术研究与应用[J].电力机车与城轨车辆，2015（5）：1-5，43.

[3]  康亚庆.南京地铁宁高城际线列车防滑控制方案[J].电子测试， 2018（10）：78，105-107.

[4]  苟青炳，伍安旭，江浪.城轨车辆踏面清扫器增粘试验研究[J].机车车辆工艺，2013（3）：11-13.

[5]  任得鵬，张青.城轨车辆撒砂系统设计方案简述[J].技术与市场，2019（1）：68-69.