下一代地铁列车创新设计

2021-08-30刘玉文，丁叁叁，尤维秀

铁道车辆 2021年1期

刘玉文，丁叁叁，尤维秀

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111；2.中车四方车辆有限公司，山东青岛 266111)

下一代地铁列车(图1)聚焦研究系统集成技术，突破了高适应性走行系统、高强度轻量化承载结构与轻质量高强度复合材料相结合的高性能车体、双源制供电的新型传动系统、全能量反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关键技术。

图1 下一代地铁列车外形图

1 下一代地铁列车技术路线及技术指标

1.1 技术路线

下一代地铁列车采取“设计—仿真分析—台架试验—线路试验”循环迭代、反复验证、系统优化的科学研发流程，循序渐进，全面创新。

本文基于设计研发工作中形成的谱系化和模块化设计平台，对下一代地铁列车的性能需求进行技术分析，对地铁列车的顶层技术指标进行分解，对地铁运营维护重点关注的关键指标进行量化。

1.2 技术指标

1.2.1 列车级指标

(1) 车辆最高设计速度为 140 km/h。以 GB/T 7928—2003《地铁车辆通用技术条件》规定的标准A型车为基准，列车降噪不小于 5 dB，减重不小于 13%，节能不小于 20%。

(2) 车辆防火性能满足 EN 45545-2：2013《铁路应用铁路车辆的防火》和 CJ/T 416—2012《城市轨道交通车辆防火要求》标准的要求。

(3) 车辆碰撞耐受性满足 EN 15227：2008《铁路应用铁路车辆车体防撞性要求》 C-Ⅱ等级的要求。

1.2.2 系统级指标

(1) 完成柔性径向直驱转向架研制，转向架最高设计速度140 km/h，适应80 km/h、100 km/h、120 km/h速度等级运行，适应最大轴重16 t。

(2) 完成轻量化车体研制，车体强度满足EN 12663-1:2010《铁路应用铁路车辆车体结构要求》P-Ⅲ等级的要求。

(3) 研制基于永磁直驱同步电动机的双源制牵引系统，适用于直流电网和车载储能装置等多种供电模式，与传统交流异步电动机牵引系统相比，额定工况下永磁电动机工作效率达94%，噪声(A计权声级)降低5 dB。

(4) 形成基于多网融合技术的列车网络平台，列车级、车辆级控制网络数据传输带宽分别为100 Mb/s、1 Gb/s，实现大数据技术在轨道车辆平台的应用。

(5) 研制高冗余度辅助供电系统，具备并网供电功能，冗余性强，系统单路故障时整车辅助用电设备仍可满额运行；额定工况下逆变器工作效率达92%，与同等级的高冗余度辅助电源相比，容量密度由100 VA/kg提高至150 VA/kg。

(6) 研制列车安全状态实时故障诊断设备。

(7) 研制一套基于历史故障链的专家系统和智能维保设备。

2 下一代地铁列车技术创新

下一代地铁列车的创新设计主要体现在列车灵活编组、牵引及供电装置、制动系统、自适应轻量化转向架、轻量化气密车体、快速网络、全息化状态监测和在途预警主动运维、空调系统、气动设计、噪声管理及减阻节能等方面。

2.1 列车灵活编组

下一代地铁列车采用动力、制动及控制单元式配置，自适应控制网络，快速编解车端连接系统及在线编解技术，编组数量为2～12辆，编解时间小于5 min。

列车端部2辆动车为1个基本单元，2个基本单元组成4辆编组列车，中间可随意增加动拖车或多单元重联运行，实现灵活编组。牵引、制动及各系统均按此原则布置，网络控制系统自动识别。下一代地铁列车编组见图2。

图2 下一代地铁列车编组图

2.2 牵引及供电装置

采用单臂弓受流、架空DC 1 500 V及储能装置DC 750 V双源制供电，混合SIC轴控牵引变流器，永磁同步电机驱动，2动1拖为一个动力单元，减重约15%，传动效率提高5%，启动加速度1.0 m/s2。可实现无电网运行，自动力回送，跨线运行，为互联互通奠定了基础。

2.2.1 辅助供电

辅助供电的基本单元为2台辅助逆变器(SIV)+1台蓄电池，高频并网供电。采用大功率高频变压器，应用谐振软开关技术、错相控制技术，同时采用全SIC变流装置、钛酸锂电池及CFRP机箱，使辅助供电系统具有轻量化、噪声低、冗余性高的特点。

2.2.2 氢能源辅助供电

氢燃料电池供电系统主要包括燃料电池发电系统、氢气供给系统和空气供给系统，具有清洁、环保、噪声低、容量密度高、可持续供电的优势，既可用于空调系统供电，也可为列车启动阶段峰值功率补充及车载储能单元充电。

2.3 制动系统

下一代地铁列车采用微机控制直通式电空制动及单元级分布式EBCU，可适应灵活编组。常用制动采用速度-黏着的减速度控制，紧急制动采用恒减速度控制，具有空重车调整功能，防滑轴控。基础制动采用大容量铝基/碳陶复合材料制动盘。风源系统采用环保的无油空压机。常用制动为电空复合制动，电制动优先，电制动可发挥到零速，实现全能量反馈动力制动。紧急制动为纯空气制动。

为简化系统，提高响应速度和精度，同步研制电机械基础制动系统，以取代电空制动系统，响应时间≤0.5 s，制动控制精度误差≤5%，并可取消制动配管。

2.4 自适应轻量化转向架

下一代地铁列车融合碳纤维构架及各种轻量化高性能部件、主动控制径向装置、全主动横向减振系统、转向架感知与诊断系统等关键技术，研制了主动径向转向架、碳纤维转向架及永磁直驱转向架，3种转向架接口相同，可根据需要互换装车。轻量化高性能部件可有效提升转向架及整车的动态性能，质量轻，轮轨力小，磨耗轻，噪声低，线路适应性强，动力学性能优越。转向架最高运行速度140 km/h，最大轴重16 t，最小通过曲线半径R80 m。

2.4.1 主动径向转向架

主动径向转向架为2轴二系无摇枕转向架。采用U形梁H型全钢焊接构架，一系转臂+主动径向定位，兼容传统转臂定位结构；二系采用空气弹簧、全主动横向减振器、抗侧滚扭杆、四点式高度阀和差压阀高度调整装置；采用橡胶堆式中央牵引装置。基础制动采用轮盘制动，每轴设停放制动。动车转向架电动机刚性架悬，平行轴式一级齿轮传动。该转向架主要特点为质量轻，线路适应性强，轮轨作用力小，磨耗低，动力学性能优越。

2.4.2 永磁直驱转向架

永磁直驱转向架为2轴二系无摇枕转向架。采用双T型弹性铰接式柔性构架，转臂定位结构，可兼容一系转臂+主动径向定位；二系采用空气弹簧、全主动横向减振器、抗侧滚扭杆、四点式高度阀和差压阀高度调整装置；采用橡胶堆式中央牵引装置。基础制动采用轮盘制动，每轴设停放制动。采用架悬式永磁同步电动机直接驱动结构。该转向架主要特点为转向架簧下质量小，运行噪声低，轮轨作用力小，磨耗低，线路适应性强，动力学性能优越。

2.4.3 碳纤维转向架

碳纤维转向架为2轴二系悬挂无摇枕拖车转向架。采用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；二系采用空气弹簧、全主动横向减振器、抗侧滚扭杆、四点式高度阀和差压阀高度调整装置；采用橡胶堆式中央牵引装置。基础制动采用轮盘制动，制动盘为碳陶制动盘，每轴设停放制动。转向架主要特点为质量轻，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。

2.5 轻量化气密车体

下一代地铁列车突破复合材料轻量化设计，大部件采用激光焊、不锈钢厚板激光-MIG复合焊、不锈钢和铝合金防电化学腐蚀等关键技术，研制了气密性好、高强度、高刚度、轻量化的碳纤维增强复合材料(CFRP)及钢铝复合车体。系统掌握了材料、铺层及结构的设计、成型、检验及试验验证技术，完成了列车主结构向CFRP迁移的技术准备。

采用CFRP结构的车体可以使单车减重35%，强度满足EN 12663-1:2010标准要求。

防撞吸能结构满足减重30%，撞击性能满足 EN 15227:2008标准要求。

钢-铝复合车体满足减重10%，强度满足EN 12663-1:2010标准要求。

2.6 快速网络

基于控制以太网和控制技术的发展，构建新型列车控制网络，由列车ETB骨干网+车辆ECN环网组成，列车级、车辆级传输带宽分别达到100 Mb/s、1 Gb/s。列车控制网络整合TCMS、PIS、CCTV和信号等系统，感知服务网整合智能运维与娱乐系统。列车控制网络与感知服务网络物理隔离，实现多网融合，降低了复杂度，提高了控制一致性，保障了网络数据实时性和安全性，为智能运维提供了高带宽的数据传输。

2.7 全息化状态监测和在途预警主动运维

通过研发列车安全状态及运行环境的智能监测与预警系统，对关键部件进行状态监测和健康预警，实现了智能运维模式，从而降低了车辆全寿命周期成本，满足车辆高可用性的要求。

2.8 空调系统

下一代地铁列车采用基于体感的PMV控制、被动压力保护、CFRP机体、低噪风机、椭圆管换热器及静电除尘器等技术，研制了大功率冷暖变频空调。空调机组制冷量为44 kW，制热量为18 kW，减重30%，降噪(A计权声级)为4 dB，隔声量(A计权声级)为45 dB，能耗降低25%，压力波动低于1 250 Pa/3 s。

为实现绿色环保，研制了新型储能空调，通过利用复合材料液-固相变储能原理，储存并利用空调多余冷量，使能耗降低20%。储能空调系统主要技术参数见表1。

表1 储能空调系统主要技术参数

2.9 气动设计

下一代地铁列车的气动外形和表面采取平顺化处理，重点解决21 m2小隧道内140 km/h运行时的阻力、噪声、交会压力波及微气压波等关键问题。与标准A型车相比，阻力系数降低31%～35%，横风侧向力降低约1%，隧道通过压力波降低约3%～5%。

2.10 噪声管理

设计过程中，通过研究噪声声源、频谱特性及传播机理，采用分频段控制和等声压级设计策略。同时，隔声降噪理念从关注隔声材料进化到材料与结构并重，注重整体效果，关注结构完整性，避免局部漏声。通过采用密封车体、类真空及纳米阻力隔声材料、降噪车轮、气动设计技术，实现了更高等级的噪声管理。与标准A型车相比，列车降噪不小于 5 dB。