尼日利亚阿布贾城铁车辆选型研究

2021-12-10韩维明

铁道建筑技术 2021年11期

韩维明滕瑶

(中国土木工程集团有限公司北京 100038)

1 项目背景

阿布贾城铁是西非地区开通的第一条城铁，位于尼日利亚首都阿布贾。全线采用中国铁路技术标准，总长77.782 km。一期工程约45 km，设计最高速度100 km/h。线路连接了阿布贾市中心、阿布贾至卡杜纳铁路(阿卡铁路)及阿布贾机场航站楼，共设有13个车站。阿布贾城铁二期工程将连接阿布贾主城区与周边的卫星城，带动整个阿布贾城市群的发展[1]。

2 车辆环境运行条件及主要技术参数

2.1 车辆环境运行条件

(1)环境条件

尼日利亚阿布贾地区属热带季风气候区。分干、湿两季。4～10月份为雨季，雨量充沛；11月到次年的4月为旱季，天气闷热，干旱少雨。车辆要求的使用环境温度:10～50℃。

(2)运行条件

轨距: 1 435 mm

最小竖曲线半径:

一般 10 000 m

困难 3 000 m

最小平面曲线半径

一般: 800 m

困难: 400 m

车辆段: 150 m

最大坡度

正线:最大坡度不大于25‰，困难地段30‰

车站线路: 3‰

出入段、联络线(空载): ≤40‰

道岔:

正线9号道岔、辅助线(车辆段)7号道岔

轨道类型

正线: 60 kg/m

车辆段: 50 kg/m

轨道最大超高: 120 mm

站台高度: 1 230 mm

站台有效长度: 90 m

车辆段检查坑长度: 84 m

车辆与站台水平间距离(站台高度处):≤100 mm

2.2 车辆主要技术参数

(1)车体

车辆长度(车钩连接面之间长度)

列车总长度 ≤80 m

车体宽度

车体宽度(地板面高度处) 2 800 mm

车体高度:

车辆顶面距轨顶面高度 ≤3 980 mm

轨面到地板面高度(空载、新轮)1 280 mm

(2)转向架

最高运行速度: 100 km/h

结构速度: 110 km/h

轮对内侧距(空载) 1 353±2 mm

转向架最低点离轨面最小距离(车轮全磨耗)

≥60 mm

轴重: ≤18 t

轮重减载率 ≤0.6

脱轨系数 ≤0.8

(3)牵引动力

额定负载(AW2)，半磨耗轮情况下:

列车最大运行速度 100 km/h

列车结构速度 110 km/h

车钩连挂速度 3～5 km/h

冲击极限 0.75 m/s3

平均初始加速度(0～18 km/h)≥0.55 m/s2

平均加速度(0～100 km/h) ≥0.13 m/s2

列车在车辆段内能以25 km/h的速度安全通过。

3 车辆选型原则

车辆是铁路交通的载体，车型、制式的选择是城铁系统整体方案确定的关键因素之一，影响交通系统的运输能力；其车辆、设备限界决定着建筑限界的大小，对工程投资、运输费用均有极大的影响力。因此车辆选型研究须综合考虑各方面关键因素，并全面分析带来的影响，选型应遵循以下原则:

(1)车辆设备应选择技术成熟、安全可靠的制造工艺，确保在全寿命周期内正常运行、便于维修，并具有一定的先进性和经济性，满足尼日利亚当地特殊的运营需求。

(2)应符合尼日利亚城铁线路设计的技术条件，如以规定的速度通过最小半径的平面曲线区段，并尽可能减小对周围环境的影响，符合阿布贾城市客流量和行车密度的要求。

(3)车辆采取减震、降噪措施，以减少振动和噪声对周边生活区的影响，与尼日利亚人文景观相协调。

(4)车辆选型应根据尼日利亚线路建设规划，在采用中国技术标准前提下结合UCI、EU等国际标准，研究分析选型的通用性，方便远期及其他路网车辆资源的共享。

(5)车辆制造关键技术尽量均采用国内成熟先进技术，选型应立足于国产化，为保障后期运营维修及车辆推广。

4 车辆动力分步及编组选型分析

4.1 动力分步选型分析

(1)动力集中式列车

动力集中式列车是铁路运输中最传统的运行方式，是由一台动力机车牵引数个无动力车辆，在轨道上行驶。机车牵引方式一般较多采用前端牵引方式，也有车尾逆推牵引方式，如图1所示。除使用于客运外，常见于货运及军事用途[2]。

动力集中式列车优点是:可以分别对机车、车辆进行维修，维修方便，车辆动力系统远离乘客，安全性能好[3]。

在替换动力方面较优，在机车故障以及进入不同区间(内燃、电力)情况下，可以简单换挂车头而无需把整列动车组更换。

装备更新方面，机车及车辆可以分别进行更新或升级而互不影响[4]。

缺点是:车辆轴重大，同样车辆有效长下载客量少，牵引总功率低，动力学性能及运行平稳性差，同等速度车外噪声震动更大，环境友好性差。而且由于客车车厢无动力，必须配置额外供电电源或者采用机车供电，能源利用率低[5]，与城市轨道交通快启快停的需求不匹配。

(2)动力分散式列车

动力分散式列车是一种动力分布在多个车厢的铁路列车，如图2所示。特点是动力来源分散在列车各个车厢上的发动机或电动机[6]。

图2 动力分散式列车动力分布

动力分散式列车的优缺点是:动力装置分布在列车不同的位置上，能够实现较大的牵引力，可以灵活编组并可以实现重联。较与动力集中式列车相比，具有制动效率高，调速性能好，制动减速度大，运行平稳性及旅客舒适性能好等特点[7]。另外，列车中某节动车的牵引动力发生故障对全列车的牵引指标影响较小。动力分散式列车可以保持高速更久，对市郊市域铁路、地铁、通勤铁路的模式来说，用同样的运营时间可以停靠更多站点。动力分散式列车的轴重比动力集中式列车的机车部分小，列车运行时轮对对路基损害较低，有利降低路基沉降维修费用[8]。

(3)牵引制式选型分析

阿布贾城铁车辆选型报告中进行了动力集中及分散牵引方式比选，最初推荐为动力集中型城铁列车。

动力集中型列车、动力分散型列车应用情况:两种牵引制式列车在国内及国际均有应用，国内厂家均有出口到海外应用的业绩。动力分散型列车造价略高。除造价略高外，动力分散动车组四节车辆均可载客，可以进一步提高载客量，持续满足阿布贾增长的客流量。

动力分散动车组启动加速度大，运行更加平稳、舒适性好，车形外观流线型更好、更具有现代感能够提升阿布贾的城市形象，配置两个动力系统，列车运行的可靠性更高，便于处理紧急情况，整列车制动的一致性能好，安全性、舒适性更好。

依据牵引计算，考虑运行速度、启动加速度、制动减速度等参数计算出来总的牵引功率，确定动力单元数量，结合尼日利亚阿布贾城铁线路主要设计标准、客流密度、旅行速度、乘坐舒适度等综合因素，故研究将动力集中型一动三拖动车组变更为动力分散型两动两拖动车组，并选用卧式柴油机，交流传动内燃动车组，以满足阿布贾城铁旅客运输需求。

4.2 车辆编组

阿布贾(Abuja)是尼日利亚首都，位于中部尼日尔河支流古拉河畔，尼日尔、卡杜纳、高原和夸拉四州的交界处，位列2019年全球城市500强榜单第463名，人口约200万。因此客流需求量较大且存在一定增长空间。车辆的编组依托于客流需求，在客流敏感性分析的基础上，对城铁列车编组方案进行了研究分析，提供了两种编组方案[9]。

(1)方案一

列车编组:4节编组，两动两拖，两动车的结构及功能以及两拖车的结构及功能均相同，且能互换。

编组形式:＋Mc－T－T－Mc＋

(＋:半自动车钩，－:半永久牵引杆)

车型:Mc车－带动力系统和司机室的车

T车－拖车

(2)方案二

列车编组:4节编组，两动两拖，两动车的结构及功能以及两拖车的结构及功能均相同，且能互换。

编组形式:＋Tc－M－M－Tc＋

(＋:半自动车钩，－:半永久牵引杆)

车型:M车－带动力系统的车

Tc车－带司机室的车

结合内燃动车组室内座椅布置、载客量、站立密度等因素，并考虑将轴重大的车作为头车，最终选用方案一。

5 车辆动力包的选型分析

内燃机车以内燃机作为原动力，通过传动装置驱动车轮。在内燃动车上，柴油机和动轮不能直接相连，传动装置是必不可少的一部分。内燃机车的传力传动装置的形式有:机械传动、电力传动和液力传动。传动装置起到直接相连不能解决的启动、速度扩展、特性变换的作用。一般液力传动主要用于小型内燃机车、窄轨内燃机车。机械传动内燃机车仅适用于工矿专用的小功率内燃机车上。因此干线内燃机车其传动装置一般为电力传动和液力传动。下面将从重量、牵引性能、载客量及成本等方面对内－电、内－液两种传动选型进行分析[10]。

在AW3工况下，启动加速度和平均加速度对比如表1所示。

表1 内液、内电牵引性能对比

动力包功率一样大的条件下，车辆不同荷载情况载客量对比如表2所示。

表2 不同荷载情况下载客量对比

5.1 内－液传动特点

(1)结构简单:主要采用机械传动方式，无过多的电力传动元器件，结构形式相对简单。

(2)成本较低:无超级电容、逆变器、牵引电机等设备，价格相对较低。

(3)重量轻:由于结构简单，无超级电容、逆变器、牵引电机等设备，相比内电传动轻约20%。

(4)难实现高功率:受制于液压机械传动的特点及车辆设备布置的限制，内液传动很难实现大功率传输。

5.2 内－电传动特点

(1)结构复杂:相比内－液传动，增加了超级电容、逆变器、牵引电机等电气传动设备，整套牵引系统相对比较复杂。

(2)成本较高:因增加了上述设备，成本相对较高。

(3)重量大:因增加了上述设备重量也较重。

(4)容易实现高功率:采用超级电容作为储能元器件，采用牵引电机作为能量输出，列车可以根据运行需要对超级电容和牵引电机进行选型，更容易实现高功率。

(5)控制精确:内电可以实现电气的无级控制，列车运行更精准。

综合考虑到性能、控制等方面的因素，研究在尼日利亚阿布贾城铁内燃动车组项目上采用内燃－电力传动的动车组。

6 车体材料选型分析

车体是车辆结构的主体，又是安装其他设备和部件的基础。车体的强度、刚度等关系到车辆运行的安全性、轻量性、舒适性、经济性、适用性。车体的防腐耐腐能力、表面保护、装饰方法，关系到车辆的美观、周期寿命等。所有这些都直接影响到运营质量和经济效益。目前在我国国铁、地铁车辆车体结构使用的材料主要为车不锈钢和铝合金，而碳钢车体由于其耐热性高焊接性能好，原材料价格低，在一些热带、亚热带发展中国家和地区受到欢迎。

6.1 车体材料的重量对比

据了解目前国内外地铁车辆碳钢车体结构自重约9～10 t，不锈钢车体自重约6～7 t，铝合金车体自重约4～5 t。

6.2 车体材料的制造工艺对比

碳钢车体各部件之间采用对接、搭接的焊接方式连接。制造工艺简单，其焊接性能良好。不锈钢车体采用板梁组合整体承载全焊结构，为了保持板材强度和减小变形，通常采用点焊的方式，不允许采用弧焊焊接强度高的材料，不锈钢车体采用接触焊。铝合金车体普遍采用大型桁架式中空型材组焊式，车辆制造厂只需下料、拼装、氩弧焊接，工艺简单、效率高时间比较短[11]。

6.3 车体材料的外观质量对比

不锈钢车体在制造过程中虽然不需要防腐保护及涂漆，但为了提高装饰美观度，板材自带点状或线条装饰。因为外墙板既薄又光，对不平度反应敏感性高，只要有轻微凹凸，经反光折射，肉眼就能察觉。相比之下，铝合金、碳钢车体型材表面平整、挺拔，但耐腐蚀性能较差，可结合尼日利亚人文风俗选择不同的颜色和装饰，因此更加美观，接受度较高。