深圳市軌道交通二期工程11號(hào)線車輛制式的選擇

深圳市軌道交通二期工程11號(hào)線車輛制式的選擇葉芹祿，傅萃清（鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院，Wuhan，China）摘要：文章闡述了深圳市軌道交通二期工程11號(hào)線項(xiàng)目特點(diǎn)，介紹了城市鐵路的主要特征，論述了車輛制式選擇的基本原則和方法，提出了A+概念車，創(chuàng)新了設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：深圳市軌道交通二期工程 11號(hào)線 車輛制式 選擇 深圳市軌道交通二期工程11號(hào)線貫穿深圳市第一、二城市圈層，連接城市總體規(guī)劃中的西、中、東及東部沿海四條發(fā)展軸，是深圳市的物流中心、高新區(qū)、大學(xué)城和中心城鎮(zhèn)各組團(tuán)之間的快速聯(lián)系通道，同時(shí)也是地鐵主干線路1、2、3、4號(hào)線和快速輕軌6、8、12號(hào)線的客流喂給線。1. 深圳市軌道交通二期工程11號(hào)線的特點(diǎn)11號(hào)線有別于現(xiàn)有的城市軌道交通工程項(xiàng)目，也不同于國(guó)鐵，有如下顯著的特點(diǎn)：(1) 利用平南鐵路富裕的能力和資源，組織開(kāi)展城市軌道交通運(yùn)輸，為鐵路參與城市軌道交通服務(wù)提供合作的契機(jī)，同時(shí)還要兼顧平南鐵路客貨運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。(2) 除了雪崗站、平湖站、塘坑站為高架站外，其余車站均為地面站。(3) 全線遠(yuǎn)期線路長(zhǎng)度約為50km，本次研究的深圳西站至塘坑站線路長(zhǎng)度36.48km，車站數(shù)目為12個(gè)，不開(kāi)放預(yù)留站時(shí)平均站間距為4.053km，最大站間距為6.63km（雪崗站～上李朗站），最小站間距為1.75km（西麗站～龍珠站）。從站間距離看，遠(yuǎn)比一般地鐵或輕軌長(zhǎng)。(4) 由于線路敷設(shè)方式為地面和少量高架兩種，車體尺寸及供電制式的選擇對(duì)土建投資影響不大。鑒于以上特點(diǎn)，設(shè)計(jì)將11號(hào)線定位為“城市鐵路”。2003年1月28日，國(guó)內(nèi)第一條被定位為城市鐵路的城市軌道交通線路北京13號(hào)線全線貫通并投入運(yùn)營(yíng)，它是北京市城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的一部分。城市鐵路應(yīng)該具備如下特征：(1) 線路貫穿城市且處于城郊，其功能和定位為連接衛(wèi)星城鎮(zhèn)，促進(jìn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)的發(fā)展。(2) 列車基本上運(yùn)行在地面上，有部分高架站。(3) 車站間距較大。(4) 平均時(shí)速（即旅行速度）較高。如香港的九廣，其列車為EMU,最高運(yùn)行速度達(dá)到135km/h。(5) 滿足城市交通客流輸送需要，系城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的組成部分。2. 車輛制式的選擇車輛型式按車體寬度可分A、B、C三類車型；按牽引系統(tǒng)可分直流車、交流車（VVVF）；按車體材料可分耐候鋼車、不銹鋼車和鋁合金車；按受電方式可分受電弓和受流器受電的車輛；按電壓等級(jí)可分DC1500V、DC750V、AC25kV。車輛的選型應(yīng)根據(jù)工程設(shè)計(jì)的客流量、行車密度、線路條件、供電電壓、氣象條件、車輛與備品來(lái)源、產(chǎn)品價(jià)格和維修能力等因素綜合比較確定。(1) 受電制式從供電工程經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)說(shuō)城市軌道交通供電電壓等級(jí)越高越有利，但是直流750V、直流1500V有不同的適應(yīng)性。采用第三軌供電方式時(shí)用直流750V就比較安全，而采用架空接觸網(wǎng)供電方式時(shí)用直流1500V就更經(jīng)濟(jì)，但是對(duì)城市景觀有影響，也不適宜在臺(tái)風(fēng)多發(fā)地應(yīng)用。從國(guó)內(nèi)外鐵路及城市軌道交通所采用的車輛受電制式看，大體有AC25kV 50Hz，AC15kV 16 2/3 Hz，DC3000V和DC1500V（DC750V）幾種，還有在歐洲國(guó)家之間開(kāi)行的雙流制或多流制列車車輛（車輛可同時(shí)適應(yīng)AC25kV 50Hz和DC1500V受電方式），都有成功的應(yīng)用。對(duì)不同的供電制式，車輛都可以適應(yīng)，但是交流AC25kV 50Hz受電的車輛其牽引、電氣傳動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要進(jìn)行變壓、整流、逆變?nèi)坞娔茏儞Q，絕緣要求也較高，總的制造成本較高；而直流DC1500V受電的車輛其牽引、電氣傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，只需逆變一次電能變換，車輛制造成本較低，其缺點(diǎn)是網(wǎng)壓較低，電流密度大，電能損耗大，線路建設(shè)成本較高，且存在“迷流”對(duì)軌道、建筑及附近設(shè)施的腐蝕等危害。鑒于AC25KV供電制式的優(yōu)勢(shì)并結(jié)合深圳市軌道交通二期工程11號(hào)線利用既有平南鐵路的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用AC25KV的供電方案。可以較好地解決平南鐵路客貨運(yùn)輸和城市軌道交通運(yùn)輸共線運(yùn)營(yíng)的兼容性問(wèn)題，兼顧今后平南鐵路客貨運(yùn)輸增長(zhǎng)引起的電氣化改造，減少投資，為平南鐵路和城市軌道交通的雙贏合作提供良好的契機(jī)。供電制式在經(jīng)過(guò)綜合比較確定后，車輛受電方式及具體的車輛電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就只是如何適應(yīng)的問(wèn)題了。本設(shè)計(jì)采用AC25KV架空接觸網(wǎng)供電的受電弓車輛。(2) 車體尺寸11號(hào)線系利用既有平南鐵路改造成為滿足城市軌道交通功能、兼營(yíng)鐵路客貨運(yùn)輸?shù)南到y(tǒng)，全線采用地面和高架兩種敷設(shè)方式。為充分利用平南鐵路限界空間，提高單車載客容量，降低人·公里車輛造價(jià)，兼容平南鐵路站臺(tái)至線路中心的距離，設(shè)計(jì)采用鐵路客車車輛的寬度、長(zhǎng)度系列（長(zhǎng)度24400～25500mm，寬度3104～3200mm）。這樣一種概念的城市軌道交通車輛與《城市軌道交通建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》中所述的A、B、C類型不同，設(shè)計(jì)暫且將它命名為A+車。嚴(yán)格地說(shuō)，A+車輛不能等同于傳統(tǒng)的鐵路客車車輛。其動(dòng)力組成方式（采用EMU方式）、地板面高度、車門數(shù)量和控制系統(tǒng)、座椅布置、客室內(nèi)設(shè)備布置與裝飾、制動(dòng)系統(tǒng)、牽引傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)輪徑、運(yùn)行控制系統(tǒng)等均與現(xiàn)行城市軌道交通車輛相類似，只是其車輛尺寸比《城市軌道交通建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》中的A型車輛略大，為便于理解和分類，顧名思義取之為A+。(3) 車體材料車體材料的選擇直接影響列車重量，列車重量又直接影響土建投資。車體材料的選擇尚應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件以及車輛的可維護(hù)性，結(jié)合不同材料的可加工性能、價(jià)格、市場(chǎng)供給等情況。目前，可供選擇的車體材料有三類：耐侯鋼、不銹鋼、鋁合金。隨著新材料的出現(xiàn)和材料制作工藝以及加工技術(shù)裝備的不斷發(fā)展，耐侯鋼車體已經(jīng)逐漸被不銹鋼、鋁合金車體所取代。1) 幾種主要車體材料在國(guó)內(nèi)外城市軌道交通車輛中的應(yīng)用從目前國(guó)內(nèi)車體材料的應(yīng)用情況看，三種材料都有應(yīng)用。天津?yàn)I海輕軌是我國(guó)第一條采用不銹鋼車體材料的線路，它主要考慮了該線所處的特殊環(huán)境條件（空氣中含鹽量較高），其他的如廣州、武漢、上海、南京、重慶等地均采用了鋁合金作為車體材料。從國(guó)際情況看，日本的日立、歐洲等公司都已經(jīng)不再生產(chǎn)不銹鋼車輛，韓國(guó)地鐵發(fā)展初期采用不銹鋼車體材料為主，現(xiàn)在也逐步發(fā)展鋁合金車體。應(yīng)該說(shuō)鋁合金車體材料的應(yīng)用在國(guó)際范圍講應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)趨勢(shì)。2) 材料價(jià)格的比較在原材料價(jià)格上，不銹鋼板材價(jià)格大概為3萬(wàn)元/t，鋁合金型材的價(jià)格4萬(wàn)左右，鋁合金價(jià)格稍高。但由于車體所用的1.5、1.2、0.8mm等規(guī)格的不銹鋼板材目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)合格的供貨商，仍然需要從韓國(guó)和日本進(jìn)口，而我國(guó)目前對(duì)從韓國(guó)、日本等國(guó)家進(jìn)口的不銹鋼都征收20%的懲罰性關(guān)稅和17%的增值稅；另外，車體上還需要根據(jù)承載結(jié)構(gòu)等不同要求設(shè)置加強(qiáng)筋，國(guó)內(nèi)企業(yè)的不銹鋼板壓筋加工工藝尚不成熟，需要由廠家設(shè)計(jì)好各種筋板后，交由國(guó)外廠商加工，加工費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用也很高，因此，不銹鋼的實(shí)際價(jià)格和鋁合金材料相比已經(jīng)沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。3) 車體重量的比較從重量上比較，由于鋁合金的比重僅為不銹鋼的三分之一略小，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。雖然因?yàn)殇X合金的強(qiáng)度、剛度性能稍差，在結(jié)構(gòu)上需要補(bǔ)強(qiáng)，在設(shè)計(jì)方法、加工工藝等方面還缺乏足夠的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)上還是比較保守，同樣是鋁合金車體，國(guó)內(nèi)廠家設(shè)計(jì)生產(chǎn)的車體重量比日本、韓國(guó)等先進(jìn)國(guó)家生產(chǎn)的車體重很多，但是仍然比不銹鋼車體要輕約四分之一。4) 材料加工工藝的比較從可加工性看，鋁合金型材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好后，可以整體進(jìn)行開(kāi)門、開(kāi)窗、沖壓成型（空調(diào)座等特殊結(jié)構(gòu)）等工序，自動(dòng)化程度更高，加工更精確。采用整體焊接工藝，使得車體密封性能更好。和鋁合金相比，由于不銹鋼車體需要按不同的結(jié)構(gòu)，局部點(diǎn)焊成型后，再拼裝，加工工藝復(fù)雜，精確度不高，密封性能差。5) 車體材料的選擇應(yīng)該說(shuō)，鋁合金車體將以重量輕、材料加工工藝性好、材料供應(yīng)等方面的優(yōu)勢(shì)，以及耐腐蝕性好、表面平整度高、免維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)引領(lǐng)軌道交通車體材料的新潮流。盡管鋁合金車體如上優(yōu)點(diǎn)，但業(yè)界仍然有不同的意見(jiàn)和看法。針對(duì)韓國(guó)大邱地鐵火災(zāi)事故，有專家曾認(rèn)為是鋁合金的助燃特性助長(zhǎng)了災(zāi)情的蔓延，這在技術(shù)上并沒(méi)有充足的依據(jù)。有一點(diǎn)是肯定的，即：在嚴(yán)重火災(zāi)條件下，不管是鋁合金還是不銹鋼，造成的破壞程度差不多，只是鋁合金由于熔點(diǎn)稍低，后果可能更嚴(yán)重。南京地鐵1號(hào)線車體材料選擇方案在參加工程設(shè)計(jì)評(píng)審的專家當(dāng)中引起爭(zhēng)論，在深圳軌道交通二期工程預(yù)可評(píng)審過(guò)程中也有專家對(duì)鋁合金材料提出了自己的看法。筆者認(rèn)為，從技術(shù)層面說(shuō)，不銹鋼、鋁合金有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，難分伯仲，應(yīng)用在軌道車輛中都沒(méi)有問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)具備城市軌道交通車輛整車供應(yīng)能力的制造商主要有：長(zhǎng)春-長(zhǎng)客龐巴迪軌道車輛有限公司、長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司、南京浦鎮(zhèn)車輛廠、株洲電力機(jī)車廠、青島四方機(jī)車車輛股份有限公司、大連機(jī)車車輛廠、上海阿爾斯通交通設(shè)備有限公司、湘潭電機(jī)股份有限公司、北京地鐵總公司地鐵車輛廠。除了長(zhǎng)春廠同時(shí)具備三種車體材料的生產(chǎn)能力外，其他工廠暫時(shí)還只是單一的生產(chǎn)能力（只生產(chǎn)鋁合金或只生產(chǎn)不銹鋼車體），從日后車輛承建商招標(biāo)的公平性角度，建議在工程的車輛選型階段不指定車體材料，而是在用戶需求書(shū)中，由用戶（市場(chǎng)主體）做出具體選擇。但是，設(shè)計(jì)方面應(yīng)該對(duì)不同車體材料對(duì)影響工程建設(shè)的因素有準(zhǔn)確的預(yù)計(jì)。(4) 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)1) 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展歷程眾所周知，蒸汽機(jī)的出現(xiàn)開(kāi)辟了工業(yè)革命的新時(shí)代，隨后，交通領(lǐng)域的動(dòng)力又逐漸被內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車所取代。大功率硅整流技術(shù)的出現(xiàn)，使電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車的傳動(dòng)型式從直—直傳動(dòng)(直流發(fā)電機(jī)或直流供電→直流電動(dòng)機(jī))，很自然地被更優(yōu)越的交—直傳動(dòng)(交流發(fā)電機(jī)或交流供電→硅整流→直流電動(dòng)機(jī))所取代。隨著大功率的晶閘管特別是大功率可關(guān)斷晶閘管(GTO)的出現(xiàn)和微機(jī)控制技術(shù)等的發(fā)展，20世紀(jì)70年代以后出現(xiàn)的交—直—交傳動(dòng)(交流發(fā)電機(jī)或交流供電→硅整流→逆變器→交流電動(dòng)機(jī))，即所謂的交流傳動(dòng)，又很自然地取代了交—直傳動(dòng)。2) 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的選擇電力電子器件和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展帶動(dòng)了地鐵、輕軌車輛電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的迅速發(fā)展。就主傳動(dòng)系統(tǒng)而言，從牽引電機(jī)來(lái)看，目前可分為直流電機(jī)傳動(dòng)和交流電機(jī)兩種，直流電機(jī)的調(diào)速方案主要有凸輪調(diào)阻、斬波調(diào)壓兩種，交流電機(jī)的調(diào)速方案主要有調(diào)頻調(diào)壓(VVVF，Variable-voltage variable-frequency)，控制理論有矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。人們很早認(rèn)識(shí)到交流傳動(dòng)的優(yōu)越性。交流傳動(dòng)技術(shù)是一門綜合技術(shù)，但其本質(zhì)的特點(diǎn)是牽引電動(dòng)機(jī)采用了交流異步電動(dòng)機(jī)，其一系列的優(yōu)點(diǎn)都是由此而表現(xiàn)出來(lái)的。交流傳動(dòng)所以成為現(xiàn)代軌道交通車輛發(fā)展的方向，正是由異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)所決定的。和傳統(tǒng)的串激直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)越之處表現(xiàn)在構(gòu)造簡(jiǎn)單、粘著性能好、功率大、牽引力大、可靠性高、維修簡(jiǎn)便、效率高、使用靈活性強(qiáng)、動(dòng)力性能好、制動(dòng)性能好、機(jī)械、絕緣、耐熱、耐潮、重量尺寸等諸多方面。從目前我國(guó)地鐵車輛技術(shù)應(yīng)用情況看，除了北京地鐵、上海一號(hào)線采用直流車，后來(lái)上馬的廣州、深圳、武漢等城市的軌道交通車輛均采用了交流車。綜述之，深圳市軌道交通二期工程11號(hào)線車輛采用變頻變壓（VVVF）逆變器調(diào)速、鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)。逆變器元件采用IGBT(或IGCT)功率元件。VVVF逆變器系統(tǒng)采用微機(jī)控制技術(shù)，具備自動(dòng)診斷功能。每臺(tái)動(dòng)車4臺(tái)牽引電機(jī)，采用架懸方式懸掛。考慮到其編組為2動(dòng)2拖，為提高動(dòng)力的可靠性，采用1C2M控制方式（即所謂的“架控方式”，提高可靠性 ）。葉芹祿 設(shè)備處車輛室高工 傅萃清城建院高工、副總工程師Tel：027-62826010，02751155416E-mail：hbyekinglo@163.com