天津津濱輕軌工程軌道車輛選型分析
摘 要: 文章提出了城市軌道車輛選型的原則, 介紹了天津津濱輕軌車輛選型的特點。關鍵詞: 城市軌道車輛; 選型; 原則;濱海新區是天津市的重要組成部分。為了解決天津市區與濱海新區間的交通問題, 促進天津地區的經濟發展, 天津濱海快速交通發展有限公司承建了天津市區至濱海新區的津濱輕軌交通工程。該工程的一期工程為市區中山門— 第八大街, 總長4519 km, 為全隔離高架線路, 設車站19 個(預留4 個)。2001 年5 月開始施工, 計劃2003 年10 月建成通車。
1 車輛選型的要求
車輛是天津津濱輕軌工程中最重要的運營設備, 也是技術含量較高的機電設備。如何使它具有先進性、實用性和可靠性, 并且能滿足濱海津濱輕軌交通運量、乘坐舒適、美觀、節能和環保等要求, 首先必須做好車輛選型的工作。
1. 1 運量的要求
該線的客流預測: 高峰小時單向最大斷面客流量初期(2006 年) 為10 187 人, 遠期(2028 年) 為22 840 人; 日客流量初期為1016 萬人, 遠期為2814 萬人。根據國家建設部1999 年公布實施的《城市輕軌交通工程項目建設標準》的規定, 凡是高峰小時單向最大斷面流量為1 萬人～ 2 萬人的, 應采用B 型車輛。天津津濱輕軌交通的高峰小時單向最大斷面流量符合建設部標準的規定, 因此, 天津津濱輕軌車輛選用B 型車。
1. 2 旅行時間的要求目前, 天津市區到濱海開發區的通勤職工每天約20 萬, 主要交通工具是公共汽車、通勤班車、出租車和火車, 旅行時間在1h～ 2h 之間。天津火車站— 泰達火車站間每天只開行2 對客車, 遠遠不能滿足通勤和旅行的需要。本線設計要求津濱輕軌電動車組單程運行時間(不包括各停站時間) 不超過40m in, 具有一定的競爭力。
1. 3 最高運行速度的要求
列車最高運行速度是反映天津津濱輕軌交通技術先進程度和運能的重要指標。列車最高運行速度的大小取決于該線旅行速度的高低、站間距的大小、列車站間加速度和減速度的大小。車輛的性能應滿足列車最高運行速度的要求。
1. 4 供電方式的要求目前, 與直流750 V 第三軌供電比較, 直流1 500 V 架空接觸網供電方式具有以下優點: (1) 電壓較高, 供電距離一般為3 km～ 4 km, 牽引變電所數量可減少40%～ 50% ; (2) 電壓變化率小, 供電質量較好; (3) 牽引電流較小, 系統能耗可減少20% 左右, 迷流一般可減少10%～ 30% ; (4) 同等功率時, 牽引電機體積小, 車輛自重輕, 能耗小; (5) 對乘客和維修人員安全感較好。因此, 天津津濱輕軌車輛采用直流1 500 V 架空接觸網供電方式。
1. 5 安全運行的要求為保證城軌電動車組的安全運行, 車輛應按標準化進行設計, 盡可能采用標準化產品和較成熟的技術, 最大限度地提高車輛運營的可靠性。列車平均無故障運行距離應大于10 萬km 。
1. 6 使用環境條件的要求天津地區具有北方氣候特點, 空氣干燥, 夏天最高溫度可達到+ 40 ℃, 冬天可到-20 ℃; 降雨少, 年平均降雨量為600 mm 。天津地區又位于渤海灣, 風大, 潮濕, 空氣中所含鹽份大, 腐蝕性離子濃度高。因此, 車輛應能承受風、沙、雨、雪、鹽份和腐蝕性物質的侵襲。
1. 7 車輛國產化的要求
國家計委對地鐵車輛和機電設備國產化的要求為, 輕軌車輛的國產化率必須達到70% 以上。為此, 天津津濱輕軌車輛應立足在國內城軌車輛的定點廠進行試制和批量生產。
1. 8 既要技術先進又要經濟合理的要求天津津濱輕軌車輛將廣泛采用許多先進技術, 如輕量化車體、交流傳動、自動控制及診斷和信息技術等, 以提高車輛的產品質量水平, 保證車輛運行安全性、舒適性和可靠性。同時, 要降低車輛造價, 節約能源, 提高車輛可維修性, 做到經濟合理。
2 車輛選型的特點
根據上述要求, 通過廣泛調研, 多次比選, 反復論證, 確定了天津津濱輕軌車輛的結構、形式。動車除受電弓和動車轉向架外, 車輛結構基本與拖車相同。天津津濱輕軌交通電動車組車輛的主要技術
編組方式近期: 4 輛(2M 2T); 遠期: 6 輛(3M 3T) 最高運行速度(km ·h-1) 100
車體輕量化不銹鋼車體車輛長度mm 19 820 19 520
車體長度mm 19 300 19 000
車輛高度mm 3 800
地板面高mm 1 100
每側車門數對3
車門寬度mm 1 300
車門高度mm 1 850
貫通道尺寸(寬× 高) mm 1 300×1 900 車輛定距mm 12 600
轉向架軸距mm 2 300
車輪直徑mm <840
車輛軸重t 14
載客人員?人定員: 190; 超員: 240 定員: 210; 超員: 266 座席人56 64
受電方式DC1 500 V 架空接觸網啟動平均加速度(m ·s-2) ≥0. 8
常用制動減速度(m ·s-2) 0.9
緊急制動減速度(m ·s-2)
牽引制動控制方式
1. 2 VVV F 逆變器, PWM 控制, IGBT 模塊元件, 容量912 kW
輔助供電VVV F 靜止逆變器, 容量140 kW
空調裝置單元式空調機組, 制冷功率35 kW, 空調總風量8 000m3h(應急風量4 000m3h)
采暖裝置電加熱器(客室> 12 ℃ 、司機室> 14 ℃)
牽引電機功率kW 額定200 (持續制)
制動裝置電阻、再生、空氣踏面制動 空氣踏面制動
車鉤抗拉850 kN 、抗壓1 200 kN 車鉤緩沖裝置彈性膠泥緩沖器容量18 kJ 、30 kJ 旅客信息系統GPS 定位、數字化站設備運行監控TM S 系統停車制動單元制動器制動方式模擬制動(空電聯合制動) 應急電源蓄電池逆變、30 m in 供電天津津濱輕軌車輛結構與國內其他城市軌道車輛結構比較, 主要特點如下。
2. 1 列車編組兼顧近遠期運量需要
為滿足高峰小時單向最大斷面客流量的運輸能力, 天津津濱輕軌列車采用近期為4 輛編組、遠期為6 輛編組和動拖比為1∶1 的方案。據計算, 近期4 輛編組時, 高峰小時發車間隔為4 m in, 單向小時最大運輸能力達到14 250 人; 遠期6 輛編組時, 高峰小時發車間隔為215 m in, 單向站時最大運輸能力達到28 500 人。因此, 列車編組方式和數量滿足了近遠期運量的需要。
2. 2 車輛最高運行時速100 km
為了確定天津津濱輕軌車輛最高運行速度, 進行了列車牽引計算。計算條件: 列車4 輛編組, 重量224 t, 牽引加速度018m ?2, 制動減速度為019m ?2, 旅行 ss 時間為37 m in, 采用天津津濱輕軌交通的設計線路斷面參數。計算結果表明, 列車最高時速達到100 km 時, 才能滿足天津快速軌道交通單程旅行時間控制在37m in 和旅行速度74 km ?h 的要求。
2. 3 國內首次采用輕量化不銹鋼車體
天津津濱輕軌車輛所以選用了輕量化不銹鋼車體, 主要考慮到以下幾方面:
(1) 輕量化不銹鋼的機械強度高, 是耐候鋼的2 倍多, 鋁合金的6 倍多; 彈性模量是鋁合金的3 倍。因此, 在保證車體強度和剛度的條件下, 板厚可以進一步減小, 實現車體薄壁化、輕量化, 既簡化了工藝, 又減輕了重量。從表2 可知, 一般不銹鋼車體自重比普通鋼車體可減輕1t～ 3t。
(2) 不銹鋼車體耐腐蝕性好, 免除了車體內壁覆防腐材料和表面油漆, 維修工作量減少, 降低了造價和運營維修費用, 延長了使用壽命。
(3) 不銹鋼車的維修費用和總費用比鋁合金車低。
表2 日本各種車體的重量
圖1 日本3 種車體的維修費用
(4) 國內的不銹鋼車體制造技術已趨于成熟。長春軌道客車股份有限公司1994 年與韓國合作生產了30 輛時速200 km 的不銹鋼客車, 并引進了日本輕量化不銹鋼車體生產技術, 已具備了設計和生產不銹鋼車輛的能力。2. 4 采用最高運行時速100 km 的轉向架目前, 國內城市地鐵車輛的最高運行時速為80 km , 尚無最高時速100 km 的轉向架。為此, 在選擇轉向架(圖3) 方案時, 采取如下措施來提高轉向架運行的安全性、平穩性和穩定性:
圖2 日本3 種車體總的費用(含制造、維修費)
圖3 轉向架結構圖
(1) 采用H 型焊接構架, 不但提高了轉向架的使用壽命, 而且有利于保持側架正位, 延長了轉向架蛇行運動波長, 降低了轉向架蛇行運動頻率, 減少了橫向運動的激擾, 提高了車輛橫向平穩性。(2) 二系懸掛采用橡膠空氣彈簧, 使車輛運行平穩。同時, 空氣彈簧內設節流孔, 能衰減車輛的垂直振動, 并通過與高度閥和差壓閥并用, 可使車體在不同載荷下保持地板面高度不變。空氣彈簧可以同時承受三維方向載荷, 利用空氣彈簧的橫向彈性特性, 取代傳統的轉向架搖動臺, 從而簡化了結構, 減輕了自重。
(3) 一系懸掛采用圓彈簧和橡膠套定位。由于采用圓彈簧和橡膠套定位, 在垂向、橫向和縱向3 個方向上具有不同的剛度值, 可以使軸箱定位剛度在3 個方向上取得合理的匹配, 做到直線上運用時轉向架兩輪天津津濱輕軌工程軌道車輛選型分析 徐志強, 范忠勝對保持平行, 延長蛇行運動波長; 曲線運行時又能導向靈活, 有利于提高轉向架橫向平穩性和穩定性。
(4) 合理選擇轉向架軸距。考慮到天津津濱輕軌交通線路最小曲線半徑為400 m , 車輛段線路最小曲線半徑為145 m , 從減小輪軌磨耗考慮, 轉向架固定軸距選為2 300 mm 。
(5) 采用LM 型磨耗形踏面的車輪, 并將車輪的表面硬度提高到HB250～ 290, 與鋼軌的硬度相匹配, 這樣將大大減少車輪踏面的磨耗, 延長車輪的使用壽命。
(6) 對安裝該轉向架方案的車輛動力學性能計算表明, 該車輛的臨界速度具有較大的容量, 滿足了110 km ? h 最高運用速度的要求, 平穩性仍屬優級; 以最不利速度通過R 400 m 和R 140 m 的曲線時, 脫軌系數、減載率和橫向力均在安全限度內。
2. 5 采用架控VVVF 逆變器交流傳動系統
為了使天津津濱輕軌電動車組具有良好的牽引性能和制動特性, 采用了具有當代先進技術水平的VVV F 逆變器交流傳動系統。該系統安裝在動車上, 由受電弓、避雷器?浪涌吸收器、高速斷路器、線路濾波器、線路接觸器、制動電阻器、VVV F 逆變器、交流電機和微機控制單元等組成。
該交流傳動系統的主要特征是:
(1) 采用大功率IGBT 元件的逆變器。逆變器使用額定電壓為3 300 V、額定電流為1 200 A 的IGBT 元件。IGBT 逆變器在PWM 工況下可以使用較高的開關頻率, 因而輸出電流諧波小。逆變器橋臂上不使用吸收電路, 以提高逆變器效率。與GTO 逆變器相比, 它的體積小, 重量輕。逆變器機組使用熱管散熱器, 散熱效率高。
(2) 用1 臺逆變器控制轉向架的2 臺電機。在天津津濱輕軌每輛動車上設置了2 臺逆變器, 每臺逆變器驅動1 個轉向架上的2 臺交流電機(架控方案)。與每輛車用1 臺逆變器驅動4 臺電機方案(車控方案) 相比, 架控方案的優點是: 逆變器有足夠的容量, 能滿足80 km 。 h 速度以內全部使用電制動的要求, 每個轉向架獨立控制, 粘著利用好; 故障狀態下, 動力損失少, 系統工作可靠。
(3) 具有良好的牽引特性。由于對牽引電機采用矢量控制法, 動態響應好, 可以充分利用輪軌的粘著條件, 并按列車載重量從AW 0～ AW 2 范圍內自動調整牽引力大小, 保持啟動加速度不變。在時速0～ 44 km 范圍保持恒牽引力啟動, 在時速40 km～ 70 km 維持恒功率運行, 滿足了列車牽引性能的要求。
(4) 具有寬范圍的空電聯合制動控制特性。在該系統的空電聯合制動控制中,VVV F 逆變器控制第一級優先采用再生制動, 最大限度地將制動能量反饋給電網, 并被電網吸收; 當電網不能吸收再生制動能量時, 第二級投入電阻制動, 將不能再生的制動能量消耗在制動電阻上; 當電制動力不足時, 第三級選用空氣摩擦制動來補償已達到的制動力與列車所需的總制動力間的差值。電制動和摩擦制動的混合能自動平滑過渡, 滿足列車的制動性能要求。
通過VVV F 逆變器的控制, 在列車10 km ? h～ 80 km ? h 較寬的速度范圍內, 可以最大限度地使用電制動實施列車常用制動, 這樣就減少了車輪和閘瓦的磨耗, 延長了使用壽命, 同時也節省了車輛用風量, 減輕了空壓機的工作負荷。
(5) 具有良好的空轉和滑行保護性能。在VVV F 逆變器每個驅動控制單元中, 都包括了空轉、滑行保護系統。其速度傳感器能在速度小于1 km ? h 條件下進行速度檢測。當檢測出牽引發生車輪空轉時, 將減少所有相應軸牽引電動機的電流, 消除空轉, 牽引力將恢復到所需值。當檢測出制動發生車輪滑行時, 將按2 倍沖擊極限值減少所有相應軸牽引電機的電流, 以降低電制動力, 直到滑行小于以前的檢測極限; 但不允許電制動連續降低時間大于5 s, 此后, 將切除電制動而投入摩擦制動。在用摩擦制動條件下, 當發生車軸滑行時, 將減少滑行軸摩擦制動力, 直到滑行小于認可的檢測極限, 但在任何軸上不允許連續降低時間大于5 s, 之后, 制動自動恢復。無論哪種工況, 電制動和摩擦制動都有各自獨立的滑行保護裝置, 以保證最佳利用粘著。
(6) 具有完善的保護功能。為保證VVV F 逆變器交流傳動系統工作的可靠性和安全性, 在主回路中設計了多種保護功能, 即逆變器的輸入過流保護、輸出過流保護、低網壓保護、過壓保護、過熱保護和逆變器的相電流保護。還有牽引電機過流保護, 制動電阻的過流和過熱保護, 列車超速保護以及主電路輸入電流和輸出電流的差動保護。采取這些保護措施后, 保證了VVV F 逆變器系統工作穩定、安全、可靠。
2. 6 采用微機控制模擬電空制動系統
列車制動系統主要由風源系統、制動控制系統、基礎制動裝置、防滑裝置及附屬用風設備組成。在拖車 (B) 上配備一套供氣裝置, 包括空氣壓縮機、油水分離及干燥器等。該系統具有常用制動、緊急制動、快速制動和停車制動功能。
該系統的主要特征是:
(1) 采用模擬式制動控制裝置。模擬式制動控制可以實現制動無級操縱, 司機操作方便, 可控制制動力細微調節, 因此, 比較適宜于A TC 系統控制列車。
(2) 常用制動采用電空制動。列車常用制動以電制動為主, 空氣摩擦制動為輔。每車均設有一套制動控制單元, 通過本裝置實現電空混合制動。拖車所需的制動力傳到動車電子制動控制單元, 由動車電子控制單元將制動所要求的制動力送到VVV F 逆變器控制系統, 經電空制動計算, 再將所需的制動力信號反饋給動車電子控制單元, 先實施電制動, 不足時由拖車優先補足空氣制動, 當拖車的空氣制動力已達到最大值但還不能滿足列車制動力要求時, 再由動車補足空氣制動。
(3) 采用空氣緊急制動和設置“ 快速制動”工況。當發生車輛脫鉤、緊急電氣列車線中斷或失電、DC110 V 制動控制電源失電、總風缸壓力過低、A T P 系統發出緊急制動指令以及司機發現意外情況按下緊急停車按鈕時, 將采用空氣制動對列車實施緊急制動, 不管什么原因引起的緊急制動, 所有車輛必須以緊急制動率制動。此外, 在列車制動工況中, 還設立了“ 快速制動”工況。當司機控制器調速手柄移到“ 快速制動”位時, 將施以與緊急制動相同減速度(112m ? s2) 的電空配合制動, 并優先使用電制動, 不足時補空氣制動; 手柄移回 “ 隋行”位, 快速制動得到緩解。設置這種制動工況的目的是在非車輛故障下由司機實行緊急制動, 以便減少對車輛系統的損壞和對運營的影響。
(4) 采用踏面制動單元。踏面制動單元結構緊湊, 制動效率高, 作用靈敏, 容易做到少維修。并可對閘瓦間隙進行自動調整, 節省了勞力。對4 輛電動車組制動距離計算, 采用踏面制動單元和合成閘瓦, 摩擦因數取0125, 制動初速為100 km ? h 時, AW 2 下的緊急制動距離小于350 m, AW 3 下的緊急制動距離小于370 m。
(5) 采用機械式停放制動裝置。為了使最大超員的列車具有停放在30‰ 坡道上靜止不動的能力, 以及使空載列車停放在40‰ 坡道上靜止不動的能力, 在列車中的每條輪對上均設置一個帶停放制動的彈簧儲能式單元制動器, 可通過操縱司機室內的停放制動開關, 控制停放制動的施加與緩解。同時, 亦可通過手動的停放緩解裝置達到人工操作緩解停放制動。
(6) 采用真空膜式干燥過濾器, 使空氣相對濕度達到30% 以下。
2. 7 采用列車管理系統(TM S) 為了保證天津津濱輕軌電動車組安全、準點運行, 及時發現列車故障, 快速實施維修, 提高運營和維修的質量, 提高車輛的可維修性, 在列車中設置了列車管理系統(TM S)。該系統由動車主控單元(M U )、拖車控制單元(SU )、列車總線(TM B) 和司機室的顯示器(D SP) 組成,M U 和SU 間的數據通信通過列車總線完成。該系統除主要對列車的車載設備狀況進行監控, 產生故障時及時進行報警、顯示和記錄外, 還設置了輸出接口, 將重要故障信息傳輸給車載無線系統, 以實現控制中心和基地實時掌握列車的設備狀態。
3 結論
(1) 采用輕量化不銹鋼車體和交流傳動的B 型車, 完全滿足了天津濱海津濱輕軌交通對車輛提出的技術性能要求, 保證了電動車組近遠期的運輸能力、旅行時間和使用壽命的要求。
天津津濱輕軌車輛采用了輕量化不銹鋼材質、電動塞拉門、貫通道連接、彈性膠泥緩沖器、IGBT 元件、VVV F 逆變器、模擬式制動和列車管理系統等多項新技術、新材料和新部件, 達到了國內城市輕軌車輛的先進技術水平。 (2) 天津津濱輕軌車輛遵循采用標準化產品和成熟技術、立足國內、不求最佳、經濟實用等原則, 通過公開招標, 降低了車輛價格, 節約了投資。因此, 天津津濱輕軌車輛是目前國內性能價格比較好的一種車輛。
(3) 天津津濱輕軌車輛除VVV F 逆變器交流傳動系統和模擬式制動控制系統需要進口外, 其他各部件都由國內廠家提供, 整車制造、試驗和驗收完全由中標商——長春軌道客車股份有限公司負責。因此, 車輛國產化率將達到70% 以上。
原作者：徐志強, 范忠勝
