100 km_h速度等级A型地铁车辆.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 1 0 年1 月2 0 日 电力机车与城轨车辆 E k c t r i cL o c o m o t i r e s M a s sT r a n s i tV e h w l e s V 0 1 3 3N o 1 J a n 2 0 t h 2 0 1 0 研究开发 10 0k m h 速度等级A 型地铁车辆 柳晓峰 李耘茏 南车株洲电力机车有限公司 湖南株洲4 1 2 0 0 1 摘要 介绍了自主化研制的1 0 0k m h 速度等级A 型地铁车辆 包括总体技术性能 以及车体 转向架 空调 车门 制动系统 内装 牵引系统 辅助供电系统 微机控制系统 乘客信息系统等主要机械部件和主要电气部件的基本特点 关键词 地铁车辆 铝合金车体 轮盘制动 全景摄像 中图分类号 2 7 0 3文献标识码 A文章编号 1 6 7 2 11 8 7 2 0 1 0 0 1 0 0 5 0 5 A t y p em e t r o v e h i c l eo f1 0 0k m hs p e e dg r a d e L I UX i a o f e n g L IY u n l o n g C S RZ h u z h o uE l e c t r i cL o c o m o t i v eC o L t d Z h u z h o u4 1 2 0 0 1 C h i n a A b s t r a c t T h i sp a p e rp r e s e n t sAt y p em e t r ov e h i c l eo f1 0 0k m hs p e e dg r a d e i n c l u d i n gt h et e c h n i c a lp e r f o r m a n c eo fg e n e r M a n dt h eb a s i cf e a t u r e so ft h em a i nm e c h a n i c a lc o m p o n e n t sa n dt h em a i ne l e c t r i cc o m p o n e n t s s u c h 鹪t h ec a rb o d y b o g i e a i r c o n d i t i o n e r d o o r b r a k i n gs y s t e m i n t e r i o rl a y o u t t r a c t i o ns y s t e m a u x i l i a r yp o w e rs u p p l ys y s t e m m i c r o c o p u t e rc o n t r o ls y s t e ma n d p a s s e n g e ri n f o r m a t i o ns y s t e m I I K e yw o r d s m e t r ov e h i c l e a l u m i n u ma l l o yc a rb o d y w h e e ld i s kb r a k i n g p a n o r a m i cp h o t o g r a p h y 1 概述 南车株洲电力机车有限公司基于上海轨道交通l1 号线北段工程项目的需要 自主研发了适应于1 0 0k m h 速度等级的高端A 型地铁车辆 并预留提升到1 2 0k m h 速度等级的技术接口 该车型的主要技术特点是采用了 铝合金全焊接车体 高速转向架 适应更高速度的轮盘制 动技术 先进的网络集成控制技术 智能化节能型的空调 控制系统 光控节能型照明系统 无速度传感器的牵引控 制技术 安全快捷疏散的坡道式紧急逃生门以及非常现 代化的高度集成的乘客信息系统等大量新技术 使车辆 具有更高的可靠性 更低的能耗和更舒适的乘坐环境 为 今后各地铁公司对高速 高端车辆的需求打下基础 2 技术性能 2 1 列车编组 该型地铁列车采用4 动2 拖编组 即 T c 拳M p M M M p T c 一 其中 T c 为拖车 带司机室 M p 为动车 带 受电弓 M 为动车 一为全自动车钩 为半自动车钩 宰为半永久车钩 2 2 受流 供电方式 供电电压 额定 厂v 网压变化范围 v 2 3 车辆主要尺寸 T c 车长度 m m M p M 车长度 m m 列车长度 m m 列车最大宽度 m m 架空接触网 D C15 0 0 D Cl5 0 0 18 0 0 车辆高度 新轮 不包括受电弓 m m 地板面高度 新轮 空载 空气弹簧充气 m m 转向架中心距 m m 车钩高度 r a m 门开度 m m 门开启时高度 门槛顶面以上高度 m m 列车同侧相邻客室车门中心距 m m 2 4 载客量与车辆重量 2 44 0 0 2 28 0 0 1 4 0 0 0 3 0 38 0 0 11 3 0 1 57 0 0 7 2 0 l4 0 0 l8 6 0 45 6 0 各种工况下的载客量和车辆的质量分别如表1 和 收稿日期 2 0 0 9 1 0 2 8 作者简介 柳晓峰 高级工程师 1 9 9 6 年毕业于上海铁道大学铁道车辆专业 现从事城轨车辆研发T 作 一5 一 万方数据 电力机车与城轨车辆 2 0 1 0 年第1 期 表2 所示 表1各种工况下的载客量 裹2 各种工况下车辆的质量 其中乘客质量按照6 lk g 计算 在超员载荷工况下 整车质量控制在6 3 0 1t 满足轴重 1 6t 的要求 2 5 列车动力性能参数 1 列车运行速度 最高持续运行速度 l m h 1 0 0 设计结构速度 k m h 一 1 1 0 列车联挂速度 k m h 一3 洗车速度 k m h 1 3 退行速度 k m h 一 1 0 2 列车牵引特性 干燥 清洁的平直轨道上 列车在定员载荷 额定网 压以及车轮半磨耗状态的牵引特性曲线如图1 所示 Z 芒 穴 爱 穴 一 锌 I L 弋 蕙L 蕾弓 I 电 一一基辛 阻力 L I 一加速度I 1 图1 牵引特性曲线 0 3 6k m h 平均启动加速度 m s 0 8 0k m h 平均加速度 i l l s 2 0 1 0 0k m h 平均加速度 r n s 2 3 列车制动特性 荽 未 越 镧 曼 1 0 0 6 0 4 干燥 清洁的平直轨道上 列车在超员载荷 额定网 压以及车轮半磨耗状态下的制动特性曲线如图2 所示 在任何载荷及清洁干燥平直的轨道条件下 可以达 到下列制动要求 平均全常用制动减速度 1 0 0 0k m h 包括响应时 间 为 1 0r i d s 2 平均快速制动减速度 1 0 0 0k m h 包括响应时间 为1 3r i d s 平均紧急制动减速度 1 0 0 0k m h 包括响应时间 为1 3m s 2 Z R 盔 R 臀 莓 1 l J L 1 W J t 宅气制动力 电制动力 一一基本鞋l 力 一减速度 i 一 图2 制动特性曲线 3 设备布置 该型地铁列车大量采用模块化设计 各功能系统均 有较高的集成度 设备布置简洁明了 每辆车车顶布置2 台单元式空调机组 M p 车车顶布置了受电弓和避雷器 在车辆客室两端设置一定的电气屏柜 主要是 T e 车2 位 端设置空调控制柜 M p 车1 位端设置空调控制柜和继电 器柜 2 位端设置升弓柜 M 车1 位端设置空调控制柜和 继电器柜 此外 司机室后端设信号柜和继电器柜 底架设备布置以便于维护 平衡轴重及利于管线布 置为原则 将车辆重心尽量靠近纵横中心线 实现轴重均 匀分配 底架设备的分配情况详见表3 表3 底架设备分配裹 系统 设备T c 车 M p 车 M 车 牵引逆变器箱 制动电阻箱 高压箱 辅助逆变器箱 蓄电池组 低压箱 空气压缩机组 制动控制单元 制动模块 4 机械部分主要部件 4 1 车体 车辆采用自主化设计的适应内藏门的铝合金全焊接 A 型地铁车体 运用了模块化 轻量化设计理念 采用铝 合金大型中空挤压型材 底架无中梁整体承载全焊接结 构 其强度 刚度 模态 防碰撞等性能满足E N1 2 6 6 3 标 准要求 车体主要由底架 侧墙 端墙 顶盖和司机室等部分 组成 承受垂直 纵向 扭转等载荷 传递牵引力并具有隔 音 减振及保暖等功能 其使用寿命为3 0 年 在正常运行 条件下 不会出现任何疲劳或永久性变形 耄卯舯如 蚰舳卯 如o 4 4 3 2 2 l l 一 一 一 一 2 一 一 一 一 2 万方数据 柳晓峰等 1 0 0k m h 速度等级A 型地铁车辆 2 0 1 0 年第l 期 在T c 车底架的司机室端 左右各配备有1 个防爬 器 防止在发生严重撞车事故时出现爬车和吸收能量 降 低客室区域的受力等级和乘客受伤的风险 4 2 转向架 每节动车装配有2 台动车转向架 每节拖车有2 台 拖车转向架 动车转向架和拖车转向架结构基本相同 可 以实现构架互换 动车转向架配备有牵引驱动装置和相 应设备 转向架是按最高运营速度1 2 0k m h 构造速度 1 3 5k m h 的要求设计 完全适应1 0 0k m h 的运营速度 转向架完全自主化设计和制造 突破了多项关键技术 填 补了国内高速A 型地铁转向架的空白 其主要技术特点 为 1 构架是由2 根侧梁和l 根主横梁采用钢板 钢管 和铸钢3 种材料焊接而成的 H 型结构 2 采用轴箱顶置式螺旋钢弹簧的一系悬挂和二系空 气弹簧悬挂 3 动车转向架牵引电机架悬挂在构架横梁上 每个 构架反对称地布置2 台牵引电机 4 驱动装置由牵引电机 联轴节 齿轮箱等组成 5 牵引装置采用无磨耗的单拉杆牵引方式 6 基础制动装置采用轮盘制动单元 7 转向架与车体之间设置1 套抗侧滚装置 8 采用整体辗钢车轮轮对 9 采用紧凑型自密封圆锥滚子轴箱轴承 4 3 空调及通风 每个客室装有2 台空调机组 分别位于列车车顶的 1 4 和3 4 位置 采用两端送风 底部回风的形式 在每台 机组中 制冷输出由4 台重载 运输用的涡旋压缩机提 供 根据需要 制冷量可以实现2 5 5 0 7 5 1 0 0 四 档调节 客室内温度波动小 大大减少了压缩机的启停次 数 比采用2 台压缩机的空调机组更加节能环保 每节车 顶部设有4 个废排装置 用于排出车内多余的废气 空调机组新风入口设置可调节的新风门 在正常情 况下 空调控制系统能够自动根据输入的环境信号对新 风量进行调节 列车每天第一次发车时能够关闭新风门 进行预制冷 夏季 或预加热 冬季 在客流量较低时还 可以将新风量调低 从而降低新风损耗达到节能的目的 4 4 车门 每辆车每侧设置5 套电动内藏门 同侧的所有门均 同时打开或关闭 每套车门的开 关均具有自动障碍物检 测功能 每套门都在门正上方靠右的侧顶板上配备了1 套紧急出1 3 装置 为使T 作人员在紧急情况下可以通过 方孔钥匙从车外打开车门 每节车还配备了2 套紧急入 口装置 每侧各有l 套 此外 司机室两侧各设置一套手动移门 列车两端的 司机室中部设置紧急逃生门 其中逃生门是带有扶手的 坡道式结构 简单坚固 安全可靠且易于操作 坡道板能 自动展开 完今打开后倾斜角度平缓 逃生门打开后 两 侧不锈钢材质的刚性扶手自然展开 能为乘客提供有力 的支撑和保护 逃生门的周边为一条荧光带 在黑暗无光 的环境下给乘客以提示 4 5 空气制动系统 制动方式分常用制动 快速制动 紧急制动和停车制 动 常用制动中以电制动为主 制动力不足部分由空气制 动补充 车辆采用E P 2 0 0 2 空气制动系统 基础制动装置 为轮盘制动器 制动盘安装在轮对直辐板两侧 相对于踏 面制动 轮盘制动可以减少对踏面的磨损和热影响 提高 制动效率 能够适应高速度的热容量要求 E P 2 0 0 2 系统包括2 个核心产品 分别为网关阀和智 能阀 T c 车及M 车各有1 个E P 2 0 0 2 网关阀和1 个 E P 2 0 0 2 智能阀 而M p 车则有2 个E P 2 0 0 2 智能阀 两种 阀通过双冗余C A N 总线形成分布式制动控制的网络 4 6 内部装饰 车体天花板表面沿车辆中心线距地板面的标称高度 为21 0 0m m 乘客站立区的最小高度为18 6 0m m 每辆车 上配备了8 个双釉光深色车窗 采用钢化安全车窗玻璃 配备纵向排列长座椅 并另外设置了残疾人专区 配备了 足够数量的屯柱扶手杆 使得站立在车厢内的乘客均能达 到扶手位置 侧墙 天花板面板均为铝金属材料 采用了易 于维护并具有防火 抗毒性能的橡胶地板 车门出入口处 采用了抗磨损门槛 车体侧墙与底板的铝犁材间的绝缘采 用抗高温的矿棉 以获得一定的防火安伞性能 列车配有5 套完整的贯通道 每套贯通道的一半安 装在相邻的两节 车端部 并由相应的车钩支撑部分重量 完整的风挡由2 个连挂的单体风挡组成 贯通道满足 D I N5 5 1 0 的防火要求 使用期限达1 0 1 5 年 5 电气部分主要系统 车辆的研制体现了客户1 3 益增长的高度信息化的要 求 在设计中充分考虑了各功能在司机室的集中操作 包 括车辆电气与信号 通信 数宁电视等部分的接口 V V V F 控制技术 以及高度集成的乘客信息系统等 5 1 牵引系统及其电气设备 牵引系统电路图如图3 所示 虚线框内设备置于牵 引逆变器箱 牵引系统主要包括功率输入电路 电压源直 流中间电路 制动斩波电路 V V V F 电路等 功率输入电路的主要功能是将牵引逆变器与接触网 的直流输入电源接通 切断 电源输入电路包括受电弓 X 高速断路器 F I 避雷器 F 2 线路接触器 K 1 预 7 一 万方数据 电力机车与城轨车辆 2 0 1 0 年第l 期 图3 牵引系统电路图 充电接触器 K 2 预充电电阻器 R 线路电抗器 L 1 线路电压传感器 U 和线路电流传感器 I 电压源直流中间回路的主要功能是为感应电动机提供 无功功率 并稳定直流中间回路电压 电压源直流中问回路 包括电容器 C 放电电阻 R 和直流回路电压传感器 U 制动斩波电路用于吸收电阻制动产生的电能或接触 网产生的浪涌电压 在从接触网断开后快速释放直流回 路电容的电能 制动斩波电路包括制动斩波模块 T B 和 制动电阻器 V V V F 电路包括以I G B T 为主元件的模块和监测电动 机电流的传感器l I 将直流中间回路电压转换为变压变 频 V V V F 的三相交流输出 给感应式牵引电动机供电 此外 牵引系统还包括逆变器控制单元 电机控制采 用无速度传感器的矢量控制方式 牵引控制单元测量电 机定子电流矢量 通过解耦分离出励磁电流与转矩电流 并与电机模型进行比较 计算出电机速度等参数 牵引电 机不再另设速度传感器 牵引逆变器输入电压标称值D Cl5 0 0V 输入电压 公差范围D Cl0 0 0 18 0 0V 输出电压3 A C0 一l4 8 0V 标称输出电流3 A C3 8 0A 输出频率0 1 3 0H z 最大同步 脉冲频率5 0 0H z 牵引电机额定输出1 9 0k W 额定转速 18 0 0r m i n 最大转速36 4 2r r a i n 质量为5 3 0k g 5 2 辅助供电结构 全列车设置6 台辅助逆变器 每辆车1 台 逆变器输 出为三相不带中线的A C3 8 0V 电压 全列车并网给辅助 负载供电 相比传统的每列车布置2 台辅助逆变器的供 电方式 大大提高了辅助供电系统的冗余性和可靠性 如 果运营中某台辅助逆变器故障 通过切断相应的输出接 触器 出现故障的辅助逆变器将会与j 相母线隔离 经过 核算 剩下的5 台可以继续给所有负载供电 对运营没有 任何影响 还可以根据容量计算 确定更多台辅助逆变器 故障后的应对措施 辅助系统交流供电电路示意图见图4 每辆车中还设 置了1 台3 8 0V 2 2 0V 变压器 可以为方便插座等负载提 供A C2 2 0V 电源 图4 辅助供电示意图 由辅助逆变器供电的主要交流负载有 空气压缩 机 空调 通风设备 制动电阻风机和牵引柜通风风 机 3 8 0 V 2 2 0 V 转换变压器 直流负载是通过充电器或T c 车卜的蓄电池进行供 电的 在每辆n 车上设置了一组蓄电池和一台充电器 其中充电器集成在n 车的辅助逆变器箱中 能够直接实 现直流电压15 0 0V 1 1 0 V 的变换 在蓄电池欠压情况下 充电器内置的紧急启动单元可 以实现低压启动方案 即通过脚踏泵升弓后 紧急启动单元 将接触网卜D Cl5 0 0 V 直接转换到隔离的D C1 1 0 V 母线 上 从而给辅助逆变器内部的控制电路供电并启动蓄电 池充电器 启动时 小功率部分先建立起内部电源给内部 控制和驱动电路供电 当这部分电源建立起来后 大功率 部分将能源从l5 0 0 V 直流转换到1 1 0 V 直流输出 5 3 网络结构 网络控制系统包括列车控制系统和子系统 采用分布 式总线控制方式 整个网络由每节车上子系统间的M V B 车 辆总线和车辆间的M V B 主干线组成 符合I E C6 1 3 7 5 1 标 准 设有M V B 接口的外围设备通过远程数字 模拟输 入 输出接口 S K S 与M V B 网络相联接 如图5 所示 为了达到列车控制系统的冗余要求 M V B 接线采用 两组相互独立布置的M V B 电缆 充分保证列车控制系统 的可靠性 5 4 乘客信息系统 乘客信息系统高度集成音频 信息显示和视频监控 于一体 其中音频系统包括了广播 对讲 紧急报警等功 万方数据 柳晓峰等 1 0 0k m h 速度等级A 型地铁车辆 2 0 1 0 年第l 期 A 卜帮助逆变器 M V B 多功能车辆总线 B C U 一制动控制单兀 P I s 乘客信息系统 c c F 一中央控制功能 R M v B 转发器 D c u 一门 控系统 H M I 一司机室显示器 T c F 牵引控制功能 H v A C 一空调控制 单元 V C u 一车辆控制单元 I C U 牵引逆变器控制单元 图5 列车控制网络 能 信息显示系统包含了列车端部的目的地显示 客室两 端的L E D 信息显示以及每客室8 个L C D 视频显示等功 能 视频监控系统采用了先进的3 6 0 0 静态全景摄像技 术 实现无盲区监视 乘客信息系统还与其它系统存在有接口关系 包括 列车控制系统 车载无线电 车载数字电视系统等 为列 车的高度信息化发挥了重要作用 6 结束语 目前车辆研制 T 作已经完成 并在卜 海轨道交通1 1 号线完成了各项试验 车辆的各项技术指标都符合设计 要求 2 0 0 9 年1 2 月底正式投入运营 现阶段国内城轨交通正处于关键发展时期 自主化 研制的1 0 0k m h 速度等级A 型地铁车辆 不仅可以创新 地搭建产品平台 还能带来经济效益 显然有特别重要的 意义 参考文献 l G B7 9 2 8 2 0 0 3 地铁车辆通用技术条件l s 2 陶功安 袁立祥 马喜成 广州地铁3 号线地铁车辆U l 机车电传动 2 0 0 6 4 舢舢舢舢舢 J J J 且肆舢J L J J 簟舢J l L J J 单 L J J 簟4 L J L J t 舢 J 扯J 址J J 斗舢I L L J J J J J 舢舢 J J 且舢J 舢舢舢J L 且J J L L 扯 L 上接第4 页 在未来发展焊接数值分析技术和建立数学模型的过 程中 应十分重视实验验汪工作和充分考虑有关现象的 所有认识 使数学模型能反映真实现象的本质和规律 只 有这样才能使焊接成型数值分析技术得到真正的发展和 成功的应用 可以相信 随着人类对焊接过程和现象认知 的进一步深入 以及计算机技术的高度发展 焊接成型数 值分析技术也将越来越发展并具有广阔的应用前景 参考文献 l D 拉达伊 焊接热效应一温度场 残余应力 变形 M I 熊第京 译 北京 机械工业出版社 1 9 9 7 2 陈善本 焊接过程现代控制技术 M I 哈尔滨 哈尔滨T 业大学出版 社 2 0 0 1 p 1 王长利 焊接温度场和应力场的数值模拟 D 1 沈阳 沈阳T 业大学 2 0 0 5 4 1 王元良 赵素洁 焊接与焊接结构 M 1 成都 西南交通大学 1 9 8 1 5 徐家园 复杂构件三维焊接过程虚拟分析技术研究 D 1 广西 广西 大学 2 0 0 3 6 l 曾志 王立君 数值模拟技术在焊接中的应用 J 航空制造技术 2 0 0 8 8 4 4 4 7 7 汪建华 焊接数值模拟技术及其应用f M 上海 七海交通大学出版 社 2 0 0 3 8 赵锐 焊接残余应力的数值模拟及控制消除研究 D 大连 大连 理上大学 2 0 0 6 f 9 J o h nG o l d a k AN e wF i n i t eE l e m e n tM o d e lf o rW e l d i n gH e a tS o u r e e s J 1 M e t a l l u r s i e a lT r a n s a c t i o n sB 19 8 4 6 l O 宋天民 焊接残余应力的产生与消除I M 北京 中国石化出版社 2 0 0 5 l l 侯志刚 薄板结构焊接变形的预测与控制 D J 武汉 华中科技大 学 2 0 0 5 1 2 l 崔晓芳 箱型结构焊接变形预测 控制及应用 D 大连 大连交通 大学 2 0 0 5 1 3 1 蔡志鹏 大型结构焊接变形数值模拟的研究与应用f D l 北京 清华 大学 2 0 0 i 1 4 张建勋 刘川 张林杰 焊接非线性大梯度应力变形的高效计算 技术 J 焊接学报 2 0 0 9 6 1 0 7 一1 1 2 1 1 5 李鸿 基于固有应变的船体分段焊接变形I 页测I D J 哈尔滨 哈尔 滨l 程人学 2 0 0 6 1 6 1 D e a nD e I I g H i d e k a z uM u r a k a w a W e iL i a n g N u m e r i c a ls i m u l a t i o no f w e l d i n gd i s t o r t i o ni nl a r g es t r u c t u r e s J C o m p u t e rM e t h o d si nA p p l i e d M e c h a n i c s a n dE n g i n e r i n g 2 0 0 7 5 4 5 4 8 1 7 1 李冬林 焊接应力和变形的数值模拟研究 D I 武汉 武汉理1 大