大漢陽地區(qū)現(xiàn)代有軌電車試驗線車輛特點研究

王成龍， 董 皓， 李 文

(1.武漢車都軌道交通有限公司， 武漢 430056；

武漢市大漢陽地區(qū)現(xiàn)代有軌電車試驗線工程線路全長約16.8 km，全線共設(shè)車站22座，均為地面站. 線路西起黃陵官蓮湖東側(cè)，終點位于沌陽大道車輪廣場，與地鐵3號線換乘. 全線設(shè)官蓮湖車輛段與綜合基地(以下簡稱官蓮湖車輛基地)一處，位于鳳凰大道—幸福三路西南角地塊，接軌于幸福三路站. 車輛段占地約16.9 hm2. 車輛基地承擔(dān)全線車輛停放、運用和各修程檢修作業(yè).

本工程初期配屬21列車輛，車輛采用100%低地板鋼輪鋼軌現(xiàn)代有軌電車，正線和車輛基地采用儲能式供電方式. 該工程初、近期采用4模塊組運行，近遠期高峰時段采用4模塊兩列聯(lián)掛編組模式，以解決高峰時段大客流問題，且該方案編組靈活，維護方便[1].

1 車輛概況

車輛采用超級電容儲能供電模式，無接觸網(wǎng)，車站充電與儲能電源供電運行. 儲能電源采用功率型超級電容單元，大電流充放電可保障實現(xiàn)高效、循環(huán)使用電能，達到潔凈節(jié)能、低碳環(huán)保的效果[2]. 每個站臺均設(shè)置成套直流充電裝置，充電電壓為DC500～DC900V. 車輛采用被動式受電器受電，在車輛進站停靠上下客時完成車輛充電，充電時間約10～30 s. 列車設(shè)計速度70 km/h，車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命為30年.

1.1 車輛編組形式

車輛采用模塊化裝配方式，其包含4個基本功能模塊，各模塊之間采用單鉸或雙鉸等鉸接裝置和貫通道連接成一列車，每列車設(shè)置4臺轉(zhuǎn)向架；列車端部設(shè)有折疊車鉤，用于實現(xiàn)兩列車的聯(lián)掛編組；每列車的編組方式如圖1[3].

圖1 車輛編組示意圖

車輛編組方式=(折疊車鉤)Mc1(帶司機的動車模塊)+(單鉸)T(拖車模塊)+(雙鉸)M(動車模塊)+Mc2(帶司機的動車模塊)=(折疊車鉤)

1.2 儲能電源

超級電容作為主要的儲能電源，為車輛提供運行所需的能量，地面充電裝置在車輛到站時給儲能電源充電，車運行中由儲能電源給車輛供電，同時制動狀態(tài)時回收制動能量. 儲能電源主要由箱體、模組、主控單元、檢測與保護電路、散熱系統(tǒng)等構(gòu)成，其中模組的電壓均衡單元、主控單元、檢測與保護電路等構(gòu)成電源管理系統(tǒng).

圖2 儲能電源

每套儲能電源的參數(shù)如表1所示.

1.3 轉(zhuǎn)向架

車輛轉(zhuǎn)向架采用西門子成熟平臺Combino Plus的獨立車輪轉(zhuǎn)向架，車輛配置有4臺轉(zhuǎn)向架，包括3臺動車轉(zhuǎn)向架和1臺拖車轉(zhuǎn)向架；為了實現(xiàn)車輛100%低地板，轉(zhuǎn)向架采用了獨立車輪結(jié)構(gòu)；驅(qū)動單元縱向安裝在轉(zhuǎn)向架外側(cè)；轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動采用液壓盤形制動；轉(zhuǎn)向架安裝有磁軌制動；轉(zhuǎn)向架二系懸掛采用錐形橡膠堆彈簧[4].

表1 儲能電源參數(shù)表

車輛的動車轉(zhuǎn)向架車輪設(shè)計為牽引電機側(cè)面橫向耦合驅(qū)動的獨立式車輪；車輛的拖車轉(zhuǎn)向架車輪為軸橋式獨立車輪，均采用二系懸掛.

1—軸橋; 2—構(gòu)架; 3—橫向、垂向止擋; 4—二系懸掛; 5—車體旋轉(zhuǎn)止擋; 6—驅(qū)動裝置; 7—線纜; 8—輪緣潤滑; 9—銘牌; 10—磁軌制動; 11—排障器; 12—擋泥板; 13—彈簧儲能制動單元; 14—牽引桿; 15—錐形附件; 16—管路圖3 獨立車輪式動力轉(zhuǎn)向架

動車轉(zhuǎn)向架主要由牽引電機、構(gòu)架、軸橋裝置、一系懸掛系統(tǒng)、二系懸掛系統(tǒng)、磁軌制動系統(tǒng)、驅(qū)動軸箱、盤形制動器、牽引裝置等主要部件裝配組成. 每個牽引電機和2個驅(qū)動齒輪箱剛性裝配組成驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置縱向布置在構(gòu)架側(cè)梁外側(cè)，驅(qū)動單元通過4點架懸在構(gòu)架上，同時驅(qū)動側(cè)面的2個車輪.

拖車轉(zhuǎn)向架主要由一系懸掛系統(tǒng)、軸橋裝置、構(gòu)架、盤形制動器、二系懸掛系統(tǒng)、磁軌制動系統(tǒng)、牽引裝置等主要部件裝配組成.

轉(zhuǎn)向架采用獨立車輪結(jié)構(gòu)，其主要由軸橋、彈性車輪、獨立車輪軸承及附屬部件裝配組成. 獨立車輪軸承采用一大一小配置的雙列圓錐滾子軸承，軸承采用迷宮密封結(jié)構(gòu)，能很好地防污、防油及防水.

車輪采用彈性車輪，它由金屬部件和一些有預(yù)應(yīng)力的橡膠件(夾雜在鋼鐵部件間)組成. 輪胎便于更換，輪座設(shè)計有利于軸承維護的注脂孔.

轉(zhuǎn)向架采用兩級懸掛系統(tǒng). 一系懸掛由8個金屬- 橡膠錐形彈簧組成(每個車輪上2個)，其合適的縱向和橫向剛度以保證轉(zhuǎn)向架良好的曲線通過能力，可以通過插入墊片調(diào)整分配到車輪上的載荷. 二系懸掛由4個沙漏狀橡膠彈簧組成，其安裝在構(gòu)架懸伸梁兩側(cè)，能夠最大限度地減少車體滾動，保證乘坐的舒適性，也可以通過插入墊片補償車輪的磨耗量.

轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量小，尤其是簧下質(zhì)量，其中動力轉(zhuǎn)向架質(zhì)量約為4 810 kg，非動力轉(zhuǎn)向架質(zhì)量約為3 355 kg. 低的轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，尤其是低的簧下質(zhì)量能減輕輪軌作用力，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計完整，安全，使用壽命長[5].

1.4 折疊車鉤裝置

有軌電車車輛車鉤采用折疊式車鉤，主要由安裝吊掛系統(tǒng)、緩沖器組成、轉(zhuǎn)動臂組成和連掛系統(tǒng)等裝配組成，具有手動連掛和手動解鎖功能. 轉(zhuǎn)動臂的中間轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)設(shè)置鎖定功能，在車鉤打開拉后，中間關(guān)節(jié)處于鎖定位；當(dāng)需要折疊時，通過手動拉動解鎖拉繩解除鎖定；車鉤桿座采用帶緩沖的球軸承.

圖4 Albert折疊車鉤

1.5 液壓制動系統(tǒng)設(shè)置

本項目車輛的制動模式主要包括常用制動模式、緊急制動模式、自動緊急制動模式、安全制動模式、強制制動模式、停放制動模式和保持制動模式.

1)安全制動 屬于最高級別的制動形式，通過司機室蘑菇按鈕或安全回路(雙線雙斷)中斷施加， 安全制動一旦觸發(fā)， 在車輛完全停止前不能被取消. 該模式將至少施加車輛上所有被動式液壓彈簧制動.

2)停放制動 由動車轉(zhuǎn)向架上的被動式彈簧制動施加，滿足最大規(guī)定坡度上使?jié)M載列車靜置的要求.

3)強制制動 該制動模式僅在監(jiān)測到防折彎系統(tǒng)低壓故障時自動觸發(fā). 由于此時防折彎系統(tǒng)失效 ，為了防止制動時在各車體模塊間產(chǎn)生大的不均衡力 ，將使制動力在各模塊間均衡分布. 該模式施加動車上的電制動和拖車上的液壓制動.

車輛液壓制動系統(tǒng)包括動車轉(zhuǎn)向架配置被動式液壓彈簧制動系統(tǒng)、拖車轉(zhuǎn)向架配置主動式液壓盤式制動系統(tǒng)；全部轉(zhuǎn)向架均設(shè)置磁軌制動系統(tǒng)；每動車上配置兩套緊湊型雙向撒砂系統(tǒng)，分別負責(zé)對應(yīng)側(cè)輪對的撒砂[6].

1.6 空調(diào)系統(tǒng)

客室和司機室應(yīng)分別設(shè)置制冷、采暖、通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)機組均采用熱泵空調(diào)機組技術(shù). 在T和M模塊上各布置一臺額定制冷量為40 kW、額定制熱量為18 kW的模塊式熱泵空調(diào)機組，空調(diào)機組送回風(fēng)形式采用單側(cè)送風(fēng)、下側(cè)送風(fēng)、下側(cè)回風(fēng)的模式. 在車輛的MC1和MC2模塊端部車頂各布置一個額定制冷量為4 kW、額定制熱量為2 kW的獨立空調(diào)，保障司機室的空氣調(diào)節(jié). 空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)通過風(fēng)道在車內(nèi)頂板設(shè)置的靜壓送風(fēng)道系統(tǒng)給車內(nèi)客室送風(fēng).

空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計了光等離子空氣凈化技術(shù)，對相車廂客室內(nèi)的細菌、真菌等大量動態(tài)污染物有著全面凈化的綜合效果[7].

圖5 制動系統(tǒng)示意圖

圖6 空調(diào)系統(tǒng)原理圖

客室空調(diào)機組采用高壓直流變頻空調(diào)，熱泵機組制熱，客室空調(diào)機組主要技術(shù)參數(shù)：送風(fēng)量≥8 000 m3/h；額定制冷量≥2×40 kW；額定制熱量≥2×20 kW.

司機室空調(diào)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)：送風(fēng)量≥700 m3/h(700、500、350三檔可調(diào))；額定制冷量≥4 kW；額定制熱量≥3.8 kW(含800 W足部取暖器)

氣流組織：沿車輛長度方向中部送風(fēng)道送風(fēng)；沿車輛長度方向兩側(cè)內(nèi)裝回風(fēng)孔回風(fēng)；通過牽引箱與超級電容箱排氣口排風(fēng).

2 電氣總體方案

2.1 電氣系統(tǒng)方案

在T模塊設(shè)置一臺受電器，通過T模塊車頂?shù)母邏合涞母邏耗概沤o3個并聯(lián)的儲能電源箱進行充電. 在高壓箱對整車高壓用電設(shè)備進行電源分配. 如圖7為主電路原理圖.

圖7 主電路原理圖

列車牽引系統(tǒng)設(shè)備主回路包括：受電器、避雷器、熔斷器、儲能電源、電流傳感器、高速斷路器等設(shè)備. 觸網(wǎng)高壓電通過受電器給儲能電源供電，儲能電源通過高速斷路器給牽引系統(tǒng)主電路供電，通過熔斷器給輔助系統(tǒng)供電. 避雷器能防止來自車輛外部的過電壓(如雷擊等)和車輛內(nèi)部的操作過電壓對車輛電氣設(shè)備絕緣的破壞. 電流傳感器能實時監(jiān)測接觸網(wǎng)輸送給車輛的電流[8].

列車控制網(wǎng)絡(luò)采用2套網(wǎng)絡(luò)方案. 采用MVB總線對牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和制動系統(tǒng)進行控制和管理. 采用CANopen網(wǎng)絡(luò)對車載信號系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、車輛儲能電源管理系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、空調(diào)機組系統(tǒng)、車門裝置等進行監(jiān)控和控制管理，并實現(xiàn)列車級的故障信息診斷和信息監(jiān)視.

司機室占有、列車占有，司機室占有信號由司機鑰匙控制，并通過列車占有繼電器和列車線實現(xiàn)兩端司機室的互鎖.

2.2 列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)

列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)(TCMS)采用符合IEC61375標(biāo)準(zhǔn)的總線網(wǎng)絡(luò)組成，它將整列車的各個系統(tǒng)的智能單元聯(lián)結(jié)組成列車網(wǎng)絡(luò)，完成車輛的通信信息管理、故障信息診斷、顯示信息和記錄事件、信息傳送等主要功能. 列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：車載硬件、操作系統(tǒng)、控制軟件和便攜式維護工具[9].

本項目采用MVB+CANopen兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，牽引、輔助、制動等設(shè)備將通過MVB通信；儲能電源、車門、空調(diào)、PIS等系統(tǒng)通過CANopen網(wǎng)絡(luò)通信.

車輛控制系統(tǒng)分為列車控制級、車輛模塊控制級與子系統(tǒng)控制級3級(包括牽引控制、制動控制、液壓制動、車門控制、乘客信息系統(tǒng)等)，3級控制級均具備冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計. 對列車和車輛級總線設(shè)計采用雙通道冗余方案，其中一路通信線路發(fā)生故障時，車輛的控制系統(tǒng)可快速切換到另一路通信線路，保障車輛運行的正常通信[10].

3 車輛特點與優(yōu)勢

車輛選用西門子Combino轉(zhuǎn)向架平臺系統(tǒng)，并應(yīng)用單鉸鉸接和雙鉸鉸接模式，每個車輛模塊配備一臺轉(zhuǎn)向架，車輛的軸質(zhì)量小于10 t. 相比其他車輛，由于軸質(zhì)量小，有利于降低對鋼軌的沖擊，減少磨損，有效的降低軌道道岔系統(tǒng)的維修維護成本. 車輛的車輪采用彈性車輪，可有效降噪、減震，提高乘客體驗感和舒適度.

本項目全線采用超級電容儲能+車站快速充電的無觸網(wǎng)供電技術(shù). 超級電容利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)，功率密度大. 雙電層超級電容具備充電時間短、使用壽命長、操作簡單方便、維護成本低等明顯優(yōu)勢；本項目的車輛儲能電源

單體采用最新一代的9 500 F與12 000 F的超級電容單體，單體容量國內(nèi)領(lǐng)先水平.

車輛制動系統(tǒng)優(yōu)先采用電制動，電制動反饋能量優(yōu)先被儲能裝置吸收，制動能量吸收率不低于98%，節(jié)省電能，減少閘瓦磨耗.

4 結(jié)論與建議

超級電容儲能電能約12.63 kWh，滿足直線段約4 km的續(xù)航能力，但在路口較多、紅燈停車等待時間長、啟停次數(shù)較多的情況下續(xù)航里程較短；進一步研究提高單體電容的容量，提高超級電容的能量密度，解決啟停次數(shù)較多時續(xù)航里程較短的風(fēng)險.

通過平交路口信號優(yōu)先子系統(tǒng)的信號優(yōu)先控制，優(yōu)化對交叉路口交通信號控制系統(tǒng)的設(shè)計，對有軌電車車輛進行傾斜性的信號分配，提高有軌電車在交叉口的通行效率，確保有軌電車的優(yōu)先通行權(quán). 通過有軌電車優(yōu)先通過的控制，解決紅燈停車等待、多次啟停情況下續(xù)航里程較短的風(fēng)險，確保有軌電車的高效、準(zhǔn)點運營[11].

參考文獻：

[1] 陸云, 劉達德. 現(xiàn)代有軌電車工程[M]. 成都: 西南交通大學(xué)出版社, 2015.

[2] 沈震新. 超級電容的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展前景[J]. 讀寫算: (教師版), 2009(9): 109-110.

[3] 王灝, 田振清, 周楠森, 等. 現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)研究與實踐[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2011.

[4] 衛(wèi)超, 顧保南. 歐洲現(xiàn)代有軌電車的發(fā)展及其啟示[J]. 城市軌道交通研究, 2008, 11(1): 11-14.

[5] 沈訓(xùn)梁, 陸云, 李俊, 等. 100%低地板有軌電車及其轉(zhuǎn)向架發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 都市快軌交通, 2013, 26(5): 21-24.

[6] 吳其剛. 現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)發(fā)展的重難點及對策研究[J]. 鐵道工程學(xué)報, 2013(12): 89-92.

[7] 魏曉東. 城市軌道交通自動化系統(tǒng)與技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2011.

[8] 何治新. 現(xiàn)代有軌電車牽引供電方式選擇[J]. 城市軌道交通研究, 2013, 16(7): 105-108.

[9] 蔡小成. 現(xiàn)代有軌電車車載通信收發(fā)模塊研究與設(shè)計[D]. 蘭州: 蘭州交通大學(xué), 2014.

[10] 訾海波, 過秀成, 楊潔. 現(xiàn)代有軌電車應(yīng)用模式及地區(qū)適用性研究[J]. 城市軌道交通研究, 2009, 12(2): 46-49.

[11] 袁江波. 現(xiàn)代有軌電車路口信號優(yōu)先控制的方案及比選[J]. 城市軌道交通研究, 2016, 19(3): 51-55.