天津津滨轻轨工程轨道车辆选型分析
摘 要: 文章提出了城市轨道车辆选型的原则, 介绍了天津津滨轻轨车辆选型的特点。关键词: 城市轨道车辆; 选型; 原则;滨海新区是天津市的重要组成部分。为了解决天津市区与滨海新区间的交通问题, 促进天津地区的经济发展, 天津滨海快速交通发展有限公司承建了天津市区至滨海新区的津滨轻轨交通工程。该工程的一期工程为市区中山门— 第八大街, 总长4519 km, 为全隔离高架线路, 设车站19 个(预留4 个)。2001 年5 月开始施工, 计划2003 年10 月建成通车。
1 车辆选型的要求
车辆是天津津滨轻轨工程中最重要的运营设备, 也是技术含量较高的机电设备。如何使它具有先进性、实用性和可靠性, 并且能满足滨海津滨轻轨交通运量、乘坐舒适、美观、节能和环保等要求, 首先必须做好车辆选型的工作。
1. 1 运量的要求
该线的客流预测: 高峰小时单向最大断面客流量初期(2006 年) 为10 187 人, 远期(2028 年) 为22 840 人; 日客流量初期为1016 万人, 远期为2814 万人。根据国家建设部1999 年公布实施的《城市轻轨交通工程项目建设标准》的规定, 凡是高峰小时单向最大断面流量为1 万人～ 2 万人的, 应采用B 型车辆。天津津滨轻轨交通的高峰小时单向最大断面流量符合建设部标准的规定, 因此, 天津津滨轻轨车辆选用B 型车。
1. 2 旅行时间的要求目前, 天津市区到滨海开发区的通勤职工每天约20 万, 主要交通工具是公共汽车、通勤班车、出租车和火车, 旅行时间在1h～ 2h 之间。天津火车站— 泰达火车站间每天只开行2 对客车, 远远不能满足通勤和旅行的需要。本线设计要求津滨轻轨电动车组单程运行时间(不包括各停站时间) 不超过40m in, 具有一定的竞争力。
1. 3 最高运行速度的要求
列车最高运行速度是反映天津津滨轻轨交通技术先进程度和运能的重要指标。列车最高运行速度的大小取决于该线旅行速度的高低、站间距的大小、列车站间加速度和减速度的大小。车辆的性能应满足列车最高运行速度的要求。
1. 4 供电方式的要求目前, 与直流750 V 第三轨供电比较, 直流1 500 V 架空接触网供电方式具有以下优点: (1) 电压较高, 供电距离一般为3 km～ 4 km, 牵引变电所数量可减少40%～ 50% ; (2) 电压变化率小, 供电质量较好; (3) 牵引电流较小, 系统能耗可减少20% 左右, 迷流一般可减少10%～ 30% ; (4) 同等功率时, 牵引电机体积小, 车辆自重轻, 能耗小; (5) 对乘客和维修人员安全感较好。因此, 天津津滨轻轨车辆采用直流1 500 V 架空接触网供电方式。
1. 5 安全运行的要求为保证城轨电动车组的安全运行, 车辆应按标准化进行设计, 尽可能采用标准化产品和较成熟的技术, 最大限度地提高车辆运营的可靠性。列车平均无故障运行距离应大于10 万km 。
1. 6 使用环境条件的要求天津地区具有北方气候特点, 空气干燥, 夏天最高温度可达到+ 40 ℃, 冬天可到-20 ℃; 降雨少, 年平均降雨量为600 mm 。天津地区又位于渤海湾, 风大, 潮湿, 空气中所含盐份大, 腐蚀性离子浓度高。因此, 车辆应能承受风、沙、雨、雪、盐份和腐蚀性物质的侵袭。
1. 7 车辆国产化的要求
国家计委对地铁车辆和机电设备国产化的要求为, 轻轨车辆的国产化率必须达到70% 以上。为此, 天津津滨轻轨车辆应立足在国内城轨车辆的定点厂进行试制和批量生产。
1. 8 既要技术先进又要经济合理的要求天津津滨轻轨车辆将广泛采用许多先进技术, 如轻量化车体、交流传动、自动控制及诊断和信息技术等, 以提高车辆的产品质量水平, 保证车辆运行安全性、舒适性和可靠性。同时, 要降低车辆造价, 节约能源, 提高车辆可维修性, 做到经济合理。
2 车辆选型的特点
根据上述要求, 通过广泛调研, 多次比选, 反复论证, 确定了天津津滨轻轨车辆的结构、形式。动车除受电弓和动车转向架外, 车辆结构基本与拖车相同。天津津滨轻轨交通电动车组车辆的主要技术
编组方式近期: 4 辆(2M 2T); 远期: 6 辆(3M 3T) 最高运行速度(km ·h-1) 100
车体轻量化不锈钢车体车辆长度mm 19 820 19 520
车体长度mm 19 300 19 000
车辆高度mm 3 800
地板面高mm 1 100
每侧车门数对3
车门宽度mm 1 300
车门高度mm 1 850
贯通道尺寸(宽× 高) mm 1 300×1 900 车辆定距mm 12 600
转向架轴距mm 2 300
车轮直径mm <840
车辆轴重t 14
载客人员?人定员: 190; 超员: 240 定员: 210; 超员: 266 座席人56 64
受电方式DC1 500 V 架空接触网启动平均加速度(m ·s-2) ≥0. 8
常用制动减速度(m ·s-2) 0.9
紧急制动减速度(m ·s-2)
牵引制动控制方式
1. 2 VVV F 逆变器, PWM 控制, IGBT 模块元件, 容量912 kW
辅助供电VVV F 静止逆变器, 容量140 kW
空调装置单元式空调机组, 制冷功率35 kW, 空调总风量8 000m3h(应急风量4 000m3h)
采暖装置电加热器(客室> 12 ℃ 、司机室> 14 ℃)
牵引电机功率kW 额定200 (持续制)
制动装置电阻、再生、空气踏面制动 空气踏面制动
车钩抗拉850 kN 、抗压1 200 kN 车钩缓冲装置弹性胶泥缓冲器容量18 kJ 、30 kJ 旅客信息系统GPS 定位、数字化站设备运行监控TM S 系统停车制动单元制动器制动方式模拟制动(空电联合制动) 应急电源蓄电池逆变、30 m in 供电天津津滨轻轨车辆结构与国内其他城市轨道车辆结构比较, 主要特点如下。
2. 1 列车编组兼顾近远期运量需要
为满足高峰小时单向最大断面客流量的运输能力, 天津津滨轻轨列车采用近期为4 辆编组、远期为6 辆编组和动拖比为1∶1 的方案。据计算, 近期4 辆编组时, 高峰小时发车间隔为4 m in, 单向小时最大运输能力达到14 250 人; 远期6 辆编组时, 高峰小时发车间隔为215 m in, 单向站时最大运输能力达到28 500 人。因此, 列车编组方式和数量满足了近远期运量的需要。
2. 2 车辆最高运行时速100 km
为了确定天津津滨轻轨车辆最高运行速度, 进行了列车牵引计算。计算条件: 列车4 辆编组, 重量224 t, 牵引加速度018m ?2, 制动减速度为019m ?2, 旅行 ss 时间为37 m in, 采用天津津滨轻轨交通的设计线路断面参数。计算结果表明, 列车最高时速达到100 km 时, 才能满足天津快速轨道交通单程旅行时间控制在37m in 和旅行速度74 km ?h 的要求。
2. 3 国内首次采用轻量化不锈钢车体
天津津滨轻轨车辆所以选用了轻量化不锈钢车体, 主要考虑到以下几方面:
(1) 轻量化不锈钢的机械强度高, 是耐候钢的2 倍多, 铝合金的6 倍多; 弹性模量是铝合金的3 倍。因此, 在保证车体强度和刚度的条件下, 板厚可以进一步减小, 实现车体薄壁化、轻量化, 既简化了工艺, 又减轻了重量。从表2 可知, 一般不锈钢车体自重比普通钢车体可减轻1t～ 3t。
(2) 不锈钢车体耐腐蚀性好, 免除了车体内壁覆防腐材料和表面油漆, 维修工作量减少, 降低了造价和运营维修费用, 延长了使用寿命。
(3) 不锈钢车的维修费用和总费用比铝合金车低。
表2 日本各种车体的重量
图1 日本3 种车体的维修费用
(4) 国内的不锈钢车体制造技术已趋于成熟。长春轨道客车股份有限公司1994 年与韩国合作生产了30 辆时速200 km 的不锈钢客车, 并引进了日本轻量化不锈钢车体生产技术, 已具备了设计和生产不锈钢车辆的能力。2. 4 采用最高运行时速100 km 的转向架目前, 国内城市地铁车辆的最高运行时速为80 km , 尚无最高时速100 km 的转向架。为此, 在选择转向架(图3) 方案时, 采取如下措施来提高转向架运行的安全性、平稳性和稳定性:
图2 日本3 种车体总的费用(含制造、维修费)
图3 转向架结构图
(1) 采用H 型焊接构架, 不但提高了转向架的使用寿命, 而且有利于保持侧架正位, 延长了转向架蛇行运动波长, 降低了转向架蛇行运动频率, 减少了横向运动的激扰, 提高了车辆横向平稳性。(2) 二系悬挂采用橡胶空气弹簧, 使车辆运行平稳。同时, 空气弹簧内设节流孔, 能衰减车辆的垂直振动, 并通过与高度阀和差压阀并用, 可使车体在不同载荷下保持地板面高度不变。空气弹簧可以同时承受三维方向载荷, 利用空气弹簧的横向弹性特性, 取代传统的转向架摇动台, 从而简化了结构, 减轻了自重。
(3) 一系悬挂采用圆弹簧和橡胶套定位。由于采用圆弹簧和橡胶套定位, 在垂向、横向和纵向3 个方向上具有不同的刚度值, 可以使轴箱定位刚度在3 个方向上取得合理的匹配, 做到直线上运用时转向架两轮天津津滨轻轨工程轨道车辆选型分析 徐志强, 范忠胜对保持平行, 延长蛇行运动波长; 曲线运行时又能导向灵活, 有利于提高转向架横向平稳性和稳定性。
(4) 合理选择转向架轴距。考虑到天津津滨轻轨交通线路最小曲线半径为400 m , 车辆段线路最小曲线半径为145 m , 从减小轮轨磨耗考虑, 转向架固定轴距选为2 300 mm 。
(5) 采用LM 型磨耗形踏面的车轮, 并将车轮的表面硬度提高到HB250～ 290, 与钢轨的硬度相匹配, 这样将大大减少车轮踏面的磨耗, 延长车轮的使用寿命。
(6) 对安装该转向架方案的车辆动力学性能计算表明, 该车辆的临界速度具有较大的容量, 满足了110 km ? h 最高运用速度的要求, 平稳性仍属优级; 以最不利速度通过R 400 m 和R 140 m 的曲线时, 脱轨系数、减载率和横向力均在安全限度内。
2. 5 采用架控VVVF 逆变器交流传动系统
为了使天津津滨轻轨电动车组具有良好的牵引性能和制动特性, 采用了具有当代先进技术水平的VVV F 逆变器交流传动系统。该系统安装在动车上, 由受电弓、避雷器?浪涌吸收器、高速断路器、线路滤波器、线路接触器、制动电阻器、VVV F 逆变器、交流电机和微机控制单元等组成。
该交流传动系统的主要特征是:
(1) 采用大功率IGBT 元件的逆变器。逆变器使用额定电压为3 300 V、额定电流为1 200 A 的IGBT 元件。IGBT 逆变器在PWM 工况下可以使用较高的开关频率, 因而输出电流谐波小。逆变器桥臂上不使用吸收电路, 以提高逆变器效率。与GTO 逆变器相比, 它的体积小, 重量轻。逆变器机组使用热管散热器, 散热效率高。
(2) 用1 台逆变器控制转向架的2 台电机。在天津津滨轻轨每辆动车上设置了2 台逆变器, 每台逆变器驱动1 个转向架上的2 台交流电机(架控方案)。与每辆车用1 台逆变器驱动4 台电机方案(车控方案) 相比, 架控方案的优点是: 逆变器有足够的容量, 能满足80 km 。 h 速度以内全部使用电制动的要求, 每个转向架独立控制, 粘着利用好; 故障状态下, 动力损失少, 系统工作可靠。
(3) 具有良好的牵引特性。由于对牵引电机采用矢量控制法, 动态响应好, 可以充分利用轮轨的粘着条件, 并按列车载重量从AW 0～ AW 2 范围内自动调整牵引力大小, 保持启动加速度不变。在时速0～ 44 km 范围保持恒牵引力启动, 在时速40 km～ 70 km 维持恒功率运行, 满足了列车牵引性能的要求。
(4) 具有宽范围的空电联合制动控制特性。在该系统的空电联合制动控制中,VVV F 逆变器控制第一级优先采用再生制动, 最大限度地将制动能量反馈给电网, 并被电网吸收; 当电网不能吸收再生制动能量时, 第二级投入电阻制动, 将不能再生的制动能量消耗在制动电阻上; 当电制动力不足时, 第三级选用空气摩擦制动来补偿已达到的制动力与列车所需的总制动力间的差值。电制动和摩擦制动的混合能自动平滑过渡, 满足列车的制动性能要求。
通过VVV F 逆变器的控制, 在列车10 km ? h～ 80 km ? h 较宽的速度范围内, 可以最大限度地使用电制动实施列车常用制动, 这样就减少了车轮和闸瓦的磨耗, 延长了使用寿命, 同时也节省了车辆用风量, 减轻了空压机的工作负荷。
(5) 具有良好的空转和滑行保护性能。在VVV F 逆变器每个驱动控制单元中, 都包括了空转、滑行保护系统。其速度传感器能在速度小于1 km ? h 条件下进行速度检测。当检测出牵引发生车轮空转时, 将减少所有相应轴牵引电动机的电流, 消除空转, 牵引力将恢复到所需值。当检测出制动发生车轮滑行时, 将按2 倍冲击极限值减少所有相应轴牵引电机的电流, 以降低电制动力, 直到滑行小于以前的检测极限; 但不允许电制动连续降低时间大于5 s, 此后, 将切除电制动而投入摩擦制动。在用摩擦制动条件下, 当发生车轴滑行时, 将减少滑行轴摩擦制动力, 直到滑行小于认可的检测极限, 但在任何轴上不允许连续降低时间大于5 s, 之后, 制动自动恢复。无论哪种工况, 电制动和摩擦制动都有各自独立的滑行保护装置, 以保证最佳利用粘着。
(6) 具有完善的保护功能。为保证VVV F 逆变器交流传动系统工作的可靠性和安全性, 在主回路中设计了多种保护功能, 即逆变器的输入过流保护、输出过流保护、低网压保护、过压保护、过热保护和逆变器的相电流保护。还有牵引电机过流保护, 制动电阻的过流和过热保护, 列车超速保护以及主电路输入电流和输出电流的差动保护。采取这些保护措施后, 保证了VVV F 逆变器系统工作稳定、安全、可靠。
2. 6 采用微机控制模拟电空制动系统
列车制动系统主要由风源系统、制动控制系统、基础制动装置、防滑装置及附属用风设备组成。在拖车 (B) 上配备一套供气装置, 包括空气压缩机、油水分离及干燥器等。该系统具有常用制动、紧急制动、快速制动和停车制动功能。
该系统的主要特征是:
(1) 采用模拟式制动控制装置。模拟式制动控制可以实现制动无级操纵, 司机操作方便, 可控制制动力细微调节, 因此, 比较适宜于A TC 系统控制列车。
(2) 常用制动采用电空制动。列车常用制动以电制动为主, 空气摩擦制动为辅。每车均设有一套制动控制单元, 通过本装置实现电空混合制动。拖车所需的制动力传到动车电子制动控制单元, 由动车电子控制单元将制动所要求的制动力送到VVV F 逆变器控制系统, 经电空制动计算, 再将所需的制动力信号反馈给动车电子控制单元, 先实施电制动, 不足时由拖车优先补足空气制动, 当拖车的空气制动力已达到最大值但还不能满足列车制动力要求时, 再由动车补足空气制动。
(3) 采用空气紧急制动和设置“ 快速制动”工况。当发生车辆脱钩、紧急电气列车线中断或失电、DC110 V 制动控制电源失电、总风缸压力过低、A T P 系统发出紧急制动指令以及司机发现意外情况按下紧急停车按钮时, 将采用空气制动对列车实施紧急制动, 不管什么原因引起的紧急制动, 所有车辆必须以紧急制动率制动。此外, 在列车制动工况中, 还设立了“ 快速制动”工况。当司机控制器调速手柄移到“ 快速制动”位时, 将施以与紧急制动相同减速度(112m ? s2) 的电空配合制动, 并优先使用电制动, 不足时补空气制动; 手柄移回 “ 隋行”位, 快速制动得到缓解。设置这种制动工况的目的是在非车辆故障下由司机实行紧急制动, 以便减少对车辆系统的损坏和对运营的影响。
(4) 采用踏面制动单元。踏面制动单元结构紧凑, 制动效率高, 作用灵敏, 容易做到少维修。并可对闸瓦间隙进行自动调整, 节省了劳力。对4 辆电动车组制动距离计算, 采用踏面制动单元和合成闸瓦, 摩擦因数取0125, 制动初速为100 km ? h 时, AW 2 下的紧急制动距离小于350 m, AW 3 下的紧急制动距离小于370 m。
(5) 采用机械式停放制动装置。为了使最大超员的列车具有停放在30‰ 坡道上静止不动的能力, 以及使空载列车停放在40‰ 坡道上静止不动的能力, 在列车中的每条轮对上均设置一个带停放制动的弹簧储能式单元制动器, 可通过操纵司机室内的停放制动开关, 控制停放制动的施加与缓解。同时, 亦可通过手动的停放缓解装置达到人工操作缓解停放制动。
(6) 采用真空膜式干燥过滤器, 使空气相对湿度达到30% 以下。
2. 7 采用列车管理系统(TM S) 为了保证天津津滨轻轨电动车组安全、准点运行, 及时发现列车故障, 快速实施维修, 提高运营和维修的质量, 提高车辆的可维修性, 在列车中设置了列车管理系统(TM S)。该系统由动车主控单元(M U )、拖车控制单元(SU )、列车总线(TM B) 和司机室的显示器(D SP) 组成,M U 和SU 间的数据通信通过列车总线完成。该系统除主要对列车的车载设备状况进行监控, 产生故障时及时进行报警、显示和记录外, 还设置了输出接口, 将重要故障信息传输给车载无线系统, 以实现控制中心和基地实时掌握列车的设备状态。
3 结论
(1) 采用轻量化不锈钢车体和交流传动的B 型车, 完全满足了天津滨海津滨轻轨交通对车辆提出的技术性能要求, 保证了电动车组近远期的运输能力、旅行时间和使用寿命的要求。
天津津滨轻轨车辆采用了轻量化不锈钢材质、电动塞拉门、贯通道连接、弹性胶泥缓冲器、IGBT 元件、VVV F 逆变器、模拟式制动和列车管理系统等多项新技术、新材料和新部件, 达到了国内城市轻轨车辆的先进技术水平。 (2) 天津津滨轻轨车辆遵循采用标准化产品和成熟技术、立足国内、不求最佳、经济实用等原则, 通过公开招标, 降低了车辆价格, 节约了投资。因此, 天津津滨轻轨车辆是目前国内性能价格比较好的一种车辆。
(3) 天津津滨轻轨车辆除VVV F 逆变器交流传动系统和模拟式制动控制系统需要进口外, 其他各部件都由国内厂家提供, 整车制造、试验和验收完全由中标商——长春轨道客车股份有限公司负责。因此, 车辆国产化率将达到70% 以上。
原作者：徐志强, 范忠胜
