下一代地铁列车低碳设计

刘玉文，梁建英，王安军

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111；2.武汉光谷交通建设有限公司，湖北武汉 430073）

1 引言

低碳交通的核心目标是节能减排——低排放、低能耗、高能效，具备“清洁低碳型燃料比例高”“交通工具排放效率高”“信息化利用程度高”的“三高”特征。

随着社会对城轨车辆高速、高效、智能、低碳和广泛环境适应性的期待越来越高，下一代地铁列车研究聚焦低碳技术，包括灵活编组、轻量高适应性走行系统、高强轻量承载结构与轻质高强复合材料相结合的高性能车体、双源制供电的新型传动、全能馈动力制动和新型复合材料高效能基础制动、全息化状态监测和在途预警主动运维支持、轻量化高能效辅助供电等低碳关键技术，践行并初步达成低碳交通的核心目标和基本特征。

2 低碳轨道交通车辆

低碳轨道交通车辆并不是新的车辆类型，而是新的车辆设计理念。以节约资源和减少排放为出发点，设计安全、舒适、低能耗、低污染的轨道交通车辆，以提高车辆的能源利用率，改善车辆的能源结构，优化车辆的人均能耗。列车能耗主要包括辅助系统设备能耗和克服列车运行阻力能耗。与列车运行阻力正相关的是列车外形和平顺度，各系统及部件结构、效率，以及车辆整备质量。因而，低碳轨道交通车辆设计理念之一是在保证安全性和可靠性的前提下实现轻量化设计。本文重点讨论列车轻量化的低碳技术，同时给出在列车灵活编组、系统效率提高、气动阻力降低等低碳技术设计方面的实现途径。

3 下一代地铁列车轻量化技术

下一代地铁列车的轻量化设计主要从材料选择和结构优化2方面实现突破。材料选择是指寻找更轻、更强、更稳定耐候的新材料；结构优化是指以轻量化为基础，提升强度、优化振动与噪声、治理辐射等。目标系统及部件主要包括车体及附件、转向架、牵引供电系统、门窗风挡、内饰结构。

根据重量管理顶层指标，下一代地铁列车轻量化设计从结构强度优化减重及新材料、新结构应用减重等方面入手，实现重量分配与管理的目的。

3.1 材料选择

车辆在运营过程中要经受复杂的地理、气候、运用工况，以及列车-线路-弓网之间复杂作用关系的考验，需要解决振动冲击、疲劳、腐蚀、风沙、积雪结冰、电磁干扰、雷电侵袭等适应性问题。同时，车辆各系统及部件选用的材料必须满足冲击、防火、隔声、隔热等技术要求。车体材料必须满足车体使用寿命、静强度、刚度等要求。在全寿命周期中，必须保证设备在工作载荷下不产生疲劳失效，具有一定的拉伸载荷力和极小的变形性。因此，要突破传统金属材料的局限，达到高效、可靠、节能、环保的目的，需要寻求综合性能优良的新型材料与结构。

碳纤维等复合材料具有轻量化、高强度、高耐候的优异综合性能，其与钢、铝的性能指标比较见表1。

表1 纤维复合材料与金属材料性能对比

碳纤维复合材料在航空、航天、船舶、汽车、体育等领域的应用已历经数年，随着技术持续发展，已解决材料结构设计、制造工艺、服役性能及维护等多方面问题，对轨道交通领域具有良好的借鉴意义。

轨道交通领域，中车四方生产的复兴号动车组碳纤维增强复合材料（CFRP）设备舱，可单件、也可模块及整体拆装，抽拉式底板和折页式裙板，便于组装、维护；同时，较铝合金减重35%，可承受振动、冲击和高温、高湿、风沙雨雪侵蚀。CFRP在国外发达国家的轨道车辆上也得到广泛应用，如德国福伊特公司的碳纤维复合材料过渡车钩总重23 kg，比钢铁过渡车钩减重约 50%；日本铁道综合技术研究所与东日本客运铁道公司联合研制的CFRP高速列车车顶使每节车厢减重300～500 kg。

总之，CFRP的应用在非承载的内饰工件，次承载结构（如头罩、吸能元件、过渡车钩、受电弓等），以及司机室、车体、转向架等大型部件方面均有不同程度的应用尝试。

3.2 结构优化

碳纤维复合材料的设计技术、成型技术和整体装配技术是影响其使用的关键因素，下一代地铁列车成功突破车体、司机室、构架及设备舱等大部件CFRP结构设计和多种制造工艺的关键点，为列车主结构向CFRP迁移奠定技术基础。

3.2.1 CFRP 司机室

下一代地铁列车CFRP司机室采用材料、设计、工艺一体化，外壳、内装、台柜、底架结构一体化，承载一体化的方案。通过研究大尺寸复杂结构非热压罐成型技术（OOA），5模块成型后胶接连结，有效减少零部件、提高装配精度和效率、实现轻量化、耐撞击、集成度高、商品化程度高的预期。地面舾装、整体装车、撞击满足EN 15227的要求，较传统铝合金司机室减重30%以上。

3.2.2 CFRP 车体

下一代地铁列车突破复合材料轻量化设计，研制气密性、高强度、高刚度、轻量化的CFRP车体，系统掌握材料、铺层及结构的设计、成型、检验及试验验证技术。

列车车体采用全CFRP模块化结构（除枕梁），分模块成型，胶铆组装，车体承载与安装结构一体化，整体承载，管线分层布置，底架可翻转施工，提高组装质量和效率。探索大型承载部件拉挤、缠绕、编织及共胶接、共固化等整体成型技术，解决大尺度部件组装及连接问题，实现灵活、高效生产及质量控制，成型精度高，适于批量生产。

采用CFRP结构碳纤维车体可以使单车减重35%，强度满足EN 12663的要求，气密性指标大于50 s，气密强度±4 kPa，整备车体一阶垂弯9.2 Hz。CFRP车体断面如图1所示，CFRP车体如图2所示。

图1 CFRP车体断面（单位：mm）

图2 CFRP车体

3.2.3 碳纤维转向架

下一代地铁碳纤维转向架为二轴两系悬挂无摇枕转向架，包括碳纤维复合材料构架，碳纤维附加气室，一系双弹簧弹性拉板式定位结构，二系空簧、全主动横向减振器、抗侧滚扭杆及4点式高度阀和差压阀高度调整装置，橡胶堆式中央牵引装置。基础制动采用轮盘制动，碳陶制动盘，每轴设停放制动。

该转向架的设计优势主要体现在重量轻、安全系数高、结构简洁、线路适应性强、轮轨作用力小、构架耐腐蚀性好、全寿命费用低等方面。实施的轻量化技术如下。

（1）碳纤维转向架构架采用新材料和新结构，侧梁、横梁、附加气缸及制动吊座采用高模量CFRP，编织+树脂传递模塑成型工艺（RTM）高压及干湿法缠绕 +高温固化等技术，组装技术以机械连接为主、胶接为辅，整体减重40%。

（2）轮对组成中的轴箱体及端盖、牵引拉杆采用轻质合金化设计，其中轻质合金牵引拉杆与同等条件下的碳钢材质相比，减重30%以上。

3.2.4 CFRP 设备舱

下一代地铁列车设备舱的设计继承复兴号设备舱模块化理念，可单件或分模块及整体拆装。在材料体系、结构设计和成型工艺等方面得到优化，采用拉挤、真空辅助树脂灌注成型（VARI）等一系列先进成型固化技术，提升技术指标、产品质量和生产效率，减重30%。

3.2.5 碳陶制动盘

基于轻量化低碳设计，为下一代地铁列车研制的碳陶制动盘，性能满足国际铁路联盟（UIC）标准要求，完成速度140 km/h线路试验，较钢盘减重约60%，具有轻量化（每车减重1 t）、性能好（50 MJ/盘）、耐高温（1 600 ℃）、适应力强（全环境适用）的特点。

3.2.6 C/C 复合材料滑板

基于轻量化低碳设计，为下一代地铁列车研制轻质、耐磨受电弓C/C滑板，碳纤维预制体为增强体，化学气相沉积形成碳条，力学性能提升2～3倍，寿命提高1 倍，成功突破2.5维碳纤维预制体设计和石墨化处理工艺的关键点，通过冲击功试验和300 km/h摩擦磨损等台架试验的验证。

4 灵活编组

本着低碳设计的理念，下一代地铁列车开发“灵活编组”功能，列车以2节为最小的编组单元，能够根据运营需求实现“2+N”节灵活编组，在2节至12节范围内任意搭配车厢数量，整个过程编组解编所需时间小于5 min。

灵活配置列车编组，在方便运营和调度的同时，实现低峰期采用小编组列车，跟传统的固定8编组A型地铁列车相比，显著降低运行能耗，降低运营和维护成本，是低碳交通实现的重要策略。

5 碳化硅永磁牵引系统和辅助系统

下一代列车采用单臂弓受流、架空网DC1500V+储能装置DC750V双源制供电，SIC轴控牵引变流器，永磁同步电机驱动，2M1T作为一个动力单元。这套牵引系统具有三大特点，分别是动力强大，可满足140 km/h牵引需求，启动加速度达1.0 m /s2；轻量化，整备质量减重约15%；效率高，传动效率提高5%。这种高效能、低消耗的设计特色，满足低碳车辆的发展趋势。

辅助系统方面，能耗以空调能耗占主导，占比90%以上；下一代列车空调机组采用变频控制椭圆管换热空调，额定能效比（2.61），相对于已统计的参照机组（平均额定能效比2.21）提高18%；按全年综合运行工况计算，节能31.5%；制冷季下一代机组较参照机组节能25.9%；制热季节能39%。这种低能耗特点契合低碳车辆的要求。

储能装置满足15 km牵引运行，可实现无电网运行，自动力回送，跨线运行。跨线运行能减少城市备用车的数量，也是低碳交通的实现手段。

6 气动阻力降低

为进一步达到节能降耗的低碳效果，下一代地铁列车构建了广义映射模型，从车型、头部长度、鼻锥、裙板距轨面高度等方面进行分析，对列车头型外形进行气动性能优化设计（图3），对空调导流罩结构进行系统构型（即流线断面优化，见图4），并首次在地板下增加车下设备舱结构，这些措施使列车气动阻力得以有效减小，下一代地铁列车阻力系数较普通A型地铁车辆降低31～35%，

图3 气动性能优化

图4 流线断面优化

7 智能运维系统

通过对列车进行健康监测，优化修程，降低全寿命周期费用，也是低碳设计的具体实现途径之一。

基于轻量化低碳的设计理念，下一代地铁列车设计以高可用性为目标，高可靠性为基础，通过集成和接入各类传感信息（如轴温、振动、横向失稳、受电弓红外监控、转向架红外监控、视频、毫米波雷达等），全方位感知无人驾驶状态下地铁列车的各方面参数；构建列车在途智能检测预警与高效维保系统平台，形成基于列车状态的主动维保系统。

基于状态修理论、物联网技术、数字信号处理和高可靠的多链路聚合宽带无线通信技术，使列车关键系统状态实时检测和预警系统在实际的地铁运营环境中得到有效应用。该低碳设计理念使列车维修模式实现从“计划修”到“状态修”的转变，从而降低运营方人力、物力消耗，提高列车的可用性，降低列车的全寿命维护费用，实现低碳交通的终极目标。

8 结语

低碳设计是一个系统工程，下一代地铁列车除采用上述低碳设计措施，还实施一系列低碳相关工程技术，为低碳轨道交通列车的设计初步探明道路。