西非某城轨内燃动车组选型研究

焦 龙

（中国土木工程集团有限公司，北京 100038）

1 前言

自2013年“一带一路”合作倡议提出以来，依托中国与有关国家既有的双多边机制，借助既有的、行之有效的区域合作平台，2015年，中国企业对“一带一路”相关的49个国家进行直接投资，投资额同比2014年增长18.2%。“一带一路”经济区开放后，承包工程项目已突破3000个。

基础设施项目是“一带一路”建设的优先领域，随着非洲地区经济发展水平的不断提高，区域内大型城市对于城市轨道交通的需求逐渐显现，若干“中国标准”“中国制造”的城市轨道交通项目陆续落地非洲。

车辆作为城市轨道交通系统的重要组成部分，其选型关乎旅客运输的安全性、舒适性和总体满意度。本文以西非某城市轨道交通项目为例，针对项目所在地电力供应匮乏但石油资源丰富的背景，对其车辆选型开展研究。

2 研究背景

项目所在地为西部非洲某国首都城市，该国是非洲第一大产油国、世界第十大石油生产国及第七大原油出口国，已探明的石油储量约371亿桶。该地区属热带草原气候，总体高温多雨，全年分为旱季和雨季，年均气温约为26～27℃，最高温度可达40℃。项目线路全长为45.245 km，轨距1435 mm，工程全部为地面线路，包含12 座车站及1座车辆段，最小站间距为1330 m、最大站间距为9950 m。

项目实施过程中，考虑到该城市基础设施较落后、电力供应不足、输变电网络覆盖面积小等情况，结合该区域石油资源丰富的优势因素，因此该项目选用的内燃动车组相较于电力动车组更符合市场及运营使用需求。另因项目全部工程采用中国标准，故应优先选择中国制造的机车车辆，以满足项目各子系统的适应性与匹配性。

3 国内外内燃动车组发展情况

国内内燃动车组的生产在2000年前后处于生产高潮期，特点是型号多样，技术成熟。因产业政策调整，大部分目前已不在国内线路运营使用，现阶段全部面向出口市场，其中主要型号有庐山号、神州号、和谐长城号、出口突尼斯内燃动车组及出口阿根廷内燃动车组等。国内主要型号内燃动车组技术特点如表1所示。

表1 国内主要型号内燃动车组技术特点 km / h

目前，据不完全统计，世界上拥有内燃动车组的铁路公司近百家，分布在约90多个国家和地区。运用较多的国家是德国、法国、意大利、西班牙和日本等国家。除工业发达国家以外，一些发展中国家也陆续开始注重发展内燃动车组运输。斯里兰卡铁路从20世纪50年代开始进口内燃动车组，到21世纪该国铁路已拥有从德国、日本、韩国及中国进口的各型内燃动车组。

内燃动车组自研发投入使用至今已有100多年的历史，近年来，国内外内燃动车组无论是在设计制造技术方面还是运营维护体系建设方面，都取得跨越性发展，现代内燃动车组的技术性能及乘坐舒适度得到大幅提升。在低运量的线路或区段使用内燃动车组，由于毋须投资建造电气化设施，项目的整体投资成本大幅降低。除此之外，内燃动车组的车辆造价和寿命周期成本低，是搭配电力牵引客运车辆的理想选择，已被广泛用于中短途的城际铁路线路或市郊铁路线路。

4 与干线内燃动车组的差异分析

从国内外内燃动车组的发展历程来看，既有车型的内燃动车组主要服务于干线铁路，鲜有用于城市轨道交通的案例。本项目所用内燃动车组由于载客量、站停时间、运行时间等服务需求与干线内燃动车组不同，导致两者在安全性能、机械性能、动力性能、服务设备等方面差异明显，因此相较于干线内燃动车组在设计上需特别对待。

4.1 机械特点差异

4.1.1 车门数量及尺寸差异

干线铁路内燃动车组车辆多为单侧2门或1门设计，车门宽度为800 mm，城市轨道交通内燃动车组车辆为4门或5门设计，车门宽度为1400 mm，由此引发车窗设计尺寸及数量的差异。

4.1.2 车钩差异

城市轨道交通站间距小、运行间隔短，为节约连挂时间，特别是救援实施时间，城市轨道交通内燃动车组车头通常采用自动车钩，由于车厢连接处需预留乘客站立空间，车体间采用密贴式车钩。干线内燃动车组则不用采用该种方式的设置。

4.1.3 贯通道差异

干线内燃动车组贯通道为过道式设计，城市轨道交通内燃动车组贯通道为载客式设计，从而引发宽度、扶靠设施、承载能力等方面差异。

4.1.4 车内布局差异

干线内燃动车组车以坐席为主，立席为辅，载客量在每节100 人上下；城市轨道交通内燃动车组以立席为主，坐席为辅，载客量在300 人左右，导致座位、扶手等车内设施布局存在较大差异。

4.2 牵引特性差异

与干线铁路相比，城市轨道交通线路的站间距小、站停时间短。如北京市郊铁路S2线以和谐长城号内燃动车组作为运营车辆，该线路全长108.3 km，全线共设车站6座，平均站间距为21.66 km。而本项目线路平均站间距4.23 km，仅为北京市郊铁路S2线的五分之一。

根据列车运行组织方案，本项目内燃动车组约5 min起停一次，需频繁进行牵引及制动。另外，城市轨道交通的站停精度按国内运营标准为250 mm，相对干线列车精准控制要求高。

4.3 可靠性需求差异

城轨内燃动车组站间运行时间短、运行强度大，开关车门、牵引制动及司机换端等操作次数明显高于干线内燃动车组，因此对于列车的可靠性及大部件寿命有着更高的需求，特别体现在车门及控制其开关的继电器、牵引系统电气寿命及控制继电器、制动系统机械寿命及控制继电器、空压机系统容量及送风能力、司机控制器使用寿命、司机换端操纵控制设备寿命等系统与部件。

5 选型研究

5.1 基本车型

基本车型的选择需综合考虑客流量、线路状况、列车运行组织与经济性等因素，目前国内城市轨道交通车辆以A型车和B型车为主，本项目线路参数及车辆限界以国内B型车为基础进行设计，因站台高度抬升180 mm，故内燃动车组车体高度与标准B型车相比有较大变动。另因内燃动车组车底安装内燃动力包、燃油箱等部件，车辆轴重也有所增加。本项目内燃动车组与国内B型车技术规格对比见表2。

表2 本项目内燃动车组与国内B型车技术规格对比

5.2 动力布置方式

内燃动车组按动力布置方式分为动力集中式和动力分散式2种，国内主要型号内燃动车组多为动力集中式，需将柴油机等设备集中布置于动车设备间，占用车体空间较多且会产生较大的噪声，进而影响乘客舒适性；反观动力分散式的内燃动车组，动力设备为分散式布置，小型化以及集成化程度高，且列车控制精准度更佳，故本项目以动力分散式内燃动车组为基础进行选型。

5.3 动力包

动力包为车辆牵引和辅助提供动力，主要由柴油机及其辅助系统、发电机、冷却系统、电控系统、安装框架和悬挂系统等组成，安装于车体底架下方。其中柴油机和发电机为车辆动力的来源，其性能决定动力包的各项技术规格指标，是动力包选型的关键因素。

因项目所在地工况较恶劣，对柴油机性能、质量及售后服务要求较高，故应优先考虑选用国际知名品牌的柴油机。经前期比对技术参数、交货期及业绩能力，筛选出由M公司和C公司的2套方案，2种方案的比选分析见表3。

表3 柴油机方案比选分析

综合比选2种方案，C公司柴油机自重较大且其布置方式会导致动车车底需布置柴油机和牵引电机2种大型设备，致使动车车底有缺乏操作及维修空间的可能。M公司柴油机自重轻、性能更优异，布置方式合理，可为后期设计、操作及维修预留较大的空间，因此选用M公司柴油机方案更为合理。

动力包采用永磁同步发电机，与普通交流发电机相比，体积更小、重量更轻，传动效率更高。发电机采用双轴承支承结构，发输出端为花键轴结构，与固定在柴油机飞轮上的联轴器花键孔连接，壳体通过连接套与柴油机飞轮壳固定在一起，组成柴油发电机组。同时使用柴油机冷却水系统的分支冷却永磁同步发电机，可大幅降低重量。动力包结构如图1所示。

图1 动力包结构示意图

5.4 传动方式

内燃动车组按牵引动力的传动方式可分为液力传动和电传动，其中电传动又可分为交-直流电传动和交-直-交流电传动。各传动方式的性能特点分析如表4所示。

从表4分析可知，交-直-交流电传动方式技术成熟、性能优越、环境适应性强，且全寿命周期内具备较好的经济性，符合城市轨道交通的运营特点，能很好的满足本项目内燃动车组的技术需求及使用场景需要。故选用交-直-交流电传动方式，即每辆动车上配置一套牵引动力系统，动力包输出电压、电流经过整流器给牵引逆变器，牵引逆变器控制牵引电机，牵引电机通过联轴节将动力传给安装在轮对车轴上的齿轮箱，带动轮对在轨道上转动，驱动列车运行。

表4 内燃动车组传动方式性能特点分析

5.5 列车编组

根据项目工程设计、客流量预测及牵引力计算，内燃动车组基础编组形式为4节编组，2动2拖。故有2种列车编组方案可供选择，如表5所示。

表5 列车编组方案选择

动车与拖车主要区别为动车转向架为动力转向架，拖车转向架为非动力转向架，即动车的转向架必然带有牵引电机，则电力牵引系统的设备如牵引逆变器箱、制动电阻箱等也必然安装于动车上，又鉴于空间原因动力包系统、燃油箱系统也安装于拖车上，而动力包加燃油箱的重量要比牵引系统重；另一方面由于司机室置于头车中，一般情况下头车整体载客量小于中间车。基于以上情况，对列车编组形式的选择主要考虑以下因素。

（1）重量偏差。方案1在空载情况下，中间车较头车轻，中间车载客量大于头车，故在大载客量情况下，两车最大轴重几乎相同。方案2在空载情况下，中间车较头车重，中间车载客量大于头车，故在大载客量情况下，会产生中间车最大轴重与头车最大轴重偏差较大的情况。此时，中间车车轮磨耗速度会快于头车。重量相差过大时，牵引制动时也会造成冲击。另外，头车带有司机室，车辆两端为非对称结构，司机室端较重，如车辆轴重偏差过大容易造成轮缘异常磨耗等一系列问题。

（2）线路黏着。中间车设置为动车时，拖车车轮提前于动车先碾压一遍轨道，对于车辆牵引系统来说，有利于提高牵引系统的黏着系数，利于牵引系统更好的发挥。

（3）设备干涉。头车转向架需要安装信号设备。如将头车设置为动车，转向架由于有牵引电机等空间限制，引起信号设备安装空间不足，另外还会造成电磁干扰。

（4）受电弓改造。鉴于列车受电方式后续有改为受电弓的可能，因此受电弓最好与电力牵引系统安装在同一车厢上，这样中间车转弯时偏移更小，顶部空间更大，更适合安装受电弓。综上，将动车编至中间位置更有利于列车运行的安全性及稳定性，故选用方案1作为列车编组方案。

5.6 车体

城市轨道交通B型车主要有V型和鼓型2种车体形状，2种型式的车体断面最大宽度相近，但鼓形车体最大宽度在地板高度约600～700 mm处，外观效果更加立体美观。由于鼓型车体中部有1处外鼓圆弧，客室座椅可在此圆弧处外移，有利于增加客室内乘客站立面积。在满足车辆安全运行的前提下，鼓形车体能更大限度地利用车辆限界，可带来一定的社会效益和经济效益，因此本项目内燃动车组选用鼓型车体。

城市轨道交通车辆常用的车体材料有不锈钢、铝合金和碳钢3大类。本项目内燃动车组运行环境为高温多雨多风沙的地面线路，且车辆自身重量较大，铝合金车体具有良好的减重效果、耐腐蚀性强，使其成为车体制造的首选型材。

5.7 转向架

转向架分为2种结构相似的动车转向架和拖车转向架，均为无摇枕结构型式。动车转向架和拖车转向架的主要区别是动车转向架装有驱动传动装置（牵引电动机、齿轮传动装置、联轴节），拖车转向架未安装驱动传动装置。由于本项目车辆轴重比标准B型车辆增加较多，故转向架设计须按最大载荷、结构速度、最恶劣的线路条件以及所有其他可能出现的最恶劣条件等综合工况进行分析和确定，同时对该项目大轴重要求的转向架进行针对性研究，完成转向架构架的静强度和振动模态计算以及转向架动力学计算，通过动力学试验验证转向架结构性能和走行行为特性。

6 研究结论

西非地区供电设施不发达，无成熟的发电设施及输变电网络，选用内燃动车组作为城市轨道交通项目车辆更具可行性及经济性。

目前国内外既有车型的内燃动车组多应用于干线铁路，本文进行选型研究的内燃动车组用于城市轨道交通，两者在机械结构、牵引特性及可靠性需求等方面存在较大的差异。

通过对车辆基本车型、编组方式、核心大部件等关键规格制式进行比对，结合本项目线路条件、运用环境及性能需求，最终选定以国内B型车为基础车型，采用鼓型铝合金车体并将车辆高度提升180 mm，由安装在拖车车底的内燃动力包提供动力，采用交-直-交流电传动方式牵引，编组形式为“+Tc-M-M-Tc+”2动2拖的动力分散式内燃动车组。