西非某城軌內(nèi)燃動(dòng)車組選型研究

焦 龍

（中國土木工程集團(tuán)有限公司，北京 100038）

1 前言

自2013年“一帶一路”合作倡議提出以來，依托中國與有關(guān)國家既有的雙多邊機(jī)制，借助既有的、行之有效的區(qū)域合作平臺(tái)，2015年，中國企業(yè)對(duì)“一帶一路”相關(guān)的49個(gè)國家進(jìn)行直接投資，投資額同比2014年增長18.2%?！耙粠б宦贰苯?jīng)濟(jì)區(qū)開放后，承包工程項(xiàng)目已突破3000個(gè)。

基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目是“一帶一路”建設(shè)的優(yōu)先領(lǐng)域，隨著非洲地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，區(qū)域內(nèi)大型城市對(duì)于城市軌道交通的需求逐漸顯現(xiàn)，若干“中國標(biāo)準(zhǔn)”“中國制造”的城市軌道交通項(xiàng)目陸續(xù)落地非洲。

車輛作為城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分，其選型關(guān)乎旅客運(yùn)輸?shù)陌踩浴⑹孢m性和總體滿意度。本文以西非某城市軌道交通項(xiàng)目為例，針對(duì)項(xiàng)目所在地電力供應(yīng)匱乏但石油資源豐富的背景，對(duì)其車輛選型開展研究。

2 研究背景

項(xiàng)目所在地為西部非洲某國首都城市，該國是非洲第一大產(chǎn)油國、世界第十大石油生產(chǎn)國及第七大原油出口國，已探明的石油儲(chǔ)量約371億桶。該地區(qū)屬熱帶草原氣候，總體高溫多雨，全年分為旱季和雨季，年均氣溫約為26～27℃，最高溫度可達(dá)40℃。項(xiàng)目線路全長為45.245 km，軌距1435 mm，工程全部為地面線路，包含12 座車站及1座車輛段，最小站間距為1330 m、最大站間距為9950 m。

項(xiàng)目實(shí)施過程中，考慮到該城市基礎(chǔ)設(shè)施較落后、電力供應(yīng)不足、輸變電網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積小等情況，結(jié)合該區(qū)域石油資源豐富的優(yōu)勢(shì)因素，因此該項(xiàng)目選用的內(nèi)燃動(dòng)車組相較于電力動(dòng)車組更符合市場(chǎng)及運(yùn)營使用需求。另因項(xiàng)目全部工程采用中國標(biāo)準(zhǔn)，故應(yīng)優(yōu)先選擇中國制造的機(jī)車車輛，以滿足項(xiàng)目各子系統(tǒng)的適應(yīng)性與匹配性。

3 國內(nèi)外內(nèi)燃動(dòng)車組發(fā)展情況

國內(nèi)內(nèi)燃動(dòng)車組的生產(chǎn)在2000年前后處于生產(chǎn)高潮期，特點(diǎn)是型號(hào)多樣，技術(shù)成熟。因產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整，大部分目前已不在國內(nèi)線路運(yùn)營使用，現(xiàn)階段全部面向出口市場(chǎng)，其中主要型號(hào)有廬山號(hào)、神州號(hào)、和諧長城號(hào)、出口突尼斯內(nèi)燃動(dòng)車組及出口阿根廷內(nèi)燃動(dòng)車組等。國內(nèi)主要型號(hào)內(nèi)燃動(dòng)車組技術(shù)特點(diǎn)如表1所示。

表1 國內(nèi)主要型號(hào)內(nèi)燃動(dòng)車組技術(shù)特點(diǎn) km / h

目前，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界上擁有內(nèi)燃動(dòng)車組的鐵路公司近百家，分布在約90多個(gè)國家和地區(qū)。運(yùn)用較多的國家是德國、法國、意大利、西班牙和日本等國家。除工業(yè)發(fā)達(dá)國家以外，一些發(fā)展中國家也陸續(xù)開始注重發(fā)展內(nèi)燃動(dòng)車組運(yùn)輸。斯里蘭卡鐵路從20世紀(jì)50年代開始進(jìn)口內(nèi)燃動(dòng)車組，到21世紀(jì)該國鐵路已擁有從德國、日本、韓國及中國進(jìn)口的各型內(nèi)燃動(dòng)車組。

內(nèi)燃動(dòng)車組自研發(fā)投入使用至今已有100多年的歷史，近年來，國內(nèi)外內(nèi)燃動(dòng)車組無論是在設(shè)計(jì)制造技術(shù)方面還是運(yùn)營維護(hù)體系建設(shè)方面，都取得跨越性發(fā)展，現(xiàn)代內(nèi)燃動(dòng)車組的技術(shù)性能及乘坐舒適度得到大幅提升。在低運(yùn)量的線路或區(qū)段使用內(nèi)燃動(dòng)車組，由于毋須投資建造電氣化設(shè)施，項(xiàng)目的整體投資成本大幅降低。除此之外，內(nèi)燃動(dòng)車組的車輛造價(jià)和壽命周期成本低，是搭配電力牽引客運(yùn)車輛的理想選擇，已被廣泛用于中短途的城際鐵路線路或市郊鐵路線路。

4 與干線內(nèi)燃動(dòng)車組的差異分析

從國內(nèi)外內(nèi)燃動(dòng)車組的發(fā)展歷程來看，既有車型的內(nèi)燃動(dòng)車組主要服務(wù)于干線鐵路，鮮有用于城市軌道交通的案例。本項(xiàng)目所用內(nèi)燃動(dòng)車組由于載客量、站停時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間等服務(wù)需求與干線內(nèi)燃動(dòng)車組不同，導(dǎo)致兩者在安全性能、機(jī)械性能、動(dòng)力性能、服務(wù)設(shè)備等方面差異明顯，因此相較于干線內(nèi)燃動(dòng)車組在設(shè)計(jì)上需特別對(duì)待。

4.1 機(jī)械特點(diǎn)差異

4.1.1 車門數(shù)量及尺寸差異

干線鐵路內(nèi)燃動(dòng)車組車輛多為單側(cè)2門或1門設(shè)計(jì)，車門寬度為800 mm，城市軌道交通內(nèi)燃動(dòng)車組車輛為4門或5門設(shè)計(jì)，車門寬度為1400 mm，由此引發(fā)車窗設(shè)計(jì)尺寸及數(shù)量的差異。

4.1.2 車鉤差異

城市軌道交通站間距小、運(yùn)行間隔短，為節(jié)約連掛時(shí)間，特別是救援實(shí)施時(shí)間，城市軌道交通內(nèi)燃動(dòng)車組車頭通常采用自動(dòng)車鉤，由于車廂連接處需預(yù)留乘客站立空間，車體間采用密貼式車鉤。干線內(nèi)燃動(dòng)車組則不用采用該種方式的設(shè)置。

4.1.3 貫通道差異

干線內(nèi)燃動(dòng)車組貫通道為過道式設(shè)計(jì)，城市軌道交通內(nèi)燃動(dòng)車組貫通道為載客式設(shè)計(jì)，從而引發(fā)寬度、扶靠設(shè)施、承載能力等方面差異。

4.1.4 車內(nèi)布局差異

干線內(nèi)燃動(dòng)車組車以坐席為主，立席為輔，載客量在每節(jié)100 人上下；城市軌道交通內(nèi)燃動(dòng)車組以立席為主，坐席為輔，載客量在300 人左右，導(dǎo)致座位、扶手等車內(nèi)設(shè)施布局存在較大差異。

4.2 牽引特性差異

與干線鐵路相比，城市軌道交通線路的站間距小、站停時(shí)間短。如北京市郊鐵路S2線以和諧長城號(hào)內(nèi)燃動(dòng)車組作為運(yùn)營車輛，該線路全長108.3 km，全線共設(shè)車站6座，平均站間距為21.66 km。而本項(xiàng)目線路平均站間距4.23 km，僅為北京市郊鐵路S2線的五分之一。

根據(jù)列車運(yùn)行組織方案，本項(xiàng)目內(nèi)燃動(dòng)車組約5 min起停一次，需頻繁進(jìn)行牽引及制動(dòng)。另外，城市軌道交通的站停精度按國內(nèi)運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)為250 mm，相對(duì)干線列車精準(zhǔn)控制要求高。

4.3 可靠性需求差異

城軌內(nèi)燃動(dòng)車組站間運(yùn)行時(shí)間短、運(yùn)行強(qiáng)度大，開關(guān)車門、牽引制動(dòng)及司機(jī)換端等操作次數(shù)明顯高于干線內(nèi)燃動(dòng)車組，因此對(duì)于列車的可靠性及大部件壽命有著更高的需求，特別體現(xiàn)在車門及控制其開關(guān)的繼電器、牽引系統(tǒng)電氣壽命及控制繼電器、制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械壽命及控制繼電器、空壓機(jī)系統(tǒng)容量及送風(fēng)能力、司機(jī)控制器使用壽命、司機(jī)換端操縱控制設(shè)備壽命等系統(tǒng)與部件。

5 選型研究

5.1 基本車型

基本車型的選擇需綜合考慮客流量、線路狀況、列車運(yùn)行組織與經(jīng)濟(jì)性等因素，目前國內(nèi)城市軌道交通車輛以A型車和B型車為主，本項(xiàng)目線路參數(shù)及車輛限界以國內(nèi)B型車為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因站臺(tái)高度抬升180 mm，故內(nèi)燃動(dòng)車組車體高度與標(biāo)準(zhǔn)B型車相比有較大變動(dòng)。另因內(nèi)燃動(dòng)車組車底安裝內(nèi)燃動(dòng)力包、燃油箱等部件，車輛軸重也有所增加。本項(xiàng)目內(nèi)燃動(dòng)車組與國內(nèi)B型車技術(shù)規(guī)格對(duì)比見表2。

表2 本項(xiàng)目內(nèi)燃動(dòng)車組與國內(nèi)B型車技術(shù)規(guī)格對(duì)比

5.2 動(dòng)力布置方式

內(nèi)燃動(dòng)車組按動(dòng)力布置方式分為動(dòng)力集中式和動(dòng)力分散式2種，國內(nèi)主要型號(hào)內(nèi)燃動(dòng)車組多為動(dòng)力集中式，需將柴油機(jī)等設(shè)備集中布置于動(dòng)車設(shè)備間，占用車體空間較多且會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，進(jìn)而影響乘客舒適性；反觀動(dòng)力分散式的內(nèi)燃動(dòng)車組，動(dòng)力設(shè)備為分散式布置，小型化以及集成化程度高，且列車控制精準(zhǔn)度更佳，故本項(xiàng)目以動(dòng)力分散式內(nèi)燃動(dòng)車組為基礎(chǔ)進(jìn)行選型。

5.3 動(dòng)力包

動(dòng)力包為車輛牽引和輔助提供動(dòng)力，主要由柴油機(jī)及其輔助系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、冷卻系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、安裝框架和懸掛系統(tǒng)等組成，安裝于車體底架下方。其中柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)為車輛動(dòng)力的來源，其性能決定動(dòng)力包的各項(xiàng)技術(shù)規(guī)格指標(biāo)，是動(dòng)力包選型的關(guān)鍵因素。

因項(xiàng)目所在地工況較惡劣，對(duì)柴油機(jī)性能、質(zhì)量及售后服務(wù)要求較高，故應(yīng)優(yōu)先考慮選用國際知名品牌的柴油機(jī)。經(jīng)前期比對(duì)技術(shù)參數(shù)、交貨期及業(yè)績能力，篩選出由M公司和C公司的2套方案，2種方案的比選分析見表3。

表3 柴油機(jī)方案比選分析

綜合比選2種方案，C公司柴油機(jī)自重較大且其布置方式會(huì)導(dǎo)致動(dòng)車車底需布置柴油機(jī)和牽引電機(jī)2種大型設(shè)備，致使動(dòng)車車底有缺乏操作及維修空間的可能。M公司柴油機(jī)自重輕、性能更優(yōu)異，布置方式合理，可為后期設(shè)計(jì)、操作及維修預(yù)留較大的空間，因此選用M公司柴油機(jī)方案更為合理。

動(dòng)力包采用永磁同步發(fā)電機(jī)，與普通交流發(fā)電機(jī)相比，體積更小、重量更輕，傳動(dòng)效率更高。發(fā)電機(jī)采用雙軸承支承結(jié)構(gòu)，發(fā)輸出端為花鍵軸結(jié)構(gòu)，與固定在柴油機(jī)飛輪上的聯(lián)軸器花鍵孔連接，殼體通過連接套與柴油機(jī)飛輪殼固定在一起，組成柴油發(fā)電機(jī)組。同時(shí)使用柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)的分支冷卻永磁同步發(fā)電機(jī)，可大幅降低重量。動(dòng)力包結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 動(dòng)力包結(jié)構(gòu)示意圖

5.4 傳動(dòng)方式

內(nèi)燃動(dòng)車組按牽引動(dòng)力的傳動(dòng)方式可分為液力傳動(dòng)和電傳動(dòng)，其中電傳動(dòng)又可分為交-直流電傳動(dòng)和交-直-交流電傳動(dòng)。各傳動(dòng)方式的性能特點(diǎn)分析如表4所示。

從表4分析可知，交-直-交流電傳動(dòng)方式技術(shù)成熟、性能優(yōu)越、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，且全壽命周期內(nèi)具備較好的經(jīng)濟(jì)性，符合城市軌道交通的運(yùn)營特點(diǎn)，能很好的滿足本項(xiàng)目內(nèi)燃動(dòng)車組的技術(shù)需求及使用場(chǎng)景需要。故選用交-直-交流電傳動(dòng)方式，即每輛動(dòng)車上配置一套牽引動(dòng)力系統(tǒng)，動(dòng)力包輸出電壓、電流經(jīng)過整流器給牽引逆變器，牽引逆變器控制牽引電機(jī)，牽引電機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)將動(dòng)力傳給安裝在輪對(duì)車軸上的齒輪箱，帶動(dòng)輪對(duì)在軌道上轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行。

表4 內(nèi)燃動(dòng)車組傳動(dòng)方式性能特點(diǎn)分析

5.5 列車編組

根據(jù)項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)、客流量預(yù)測(cè)及牽引力計(jì)算，內(nèi)燃動(dòng)車組基礎(chǔ)編組形式為4節(jié)編組，2動(dòng)2拖。故有2種列車編組方案可供選擇，如表5所示。

表5 列車編組方案選擇

動(dòng)車與拖車主要區(qū)別為動(dòng)車轉(zhuǎn)向架為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，拖車轉(zhuǎn)向架為非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，即動(dòng)車的轉(zhuǎn)向架必然帶有牽引電機(jī)，則電力牽引系統(tǒng)的設(shè)備如牽引逆變器箱、制動(dòng)電阻箱等也必然安裝于動(dòng)車上，又鑒于空間原因動(dòng)力包系統(tǒng)、燃油箱系統(tǒng)也安裝于拖車上，而動(dòng)力包加燃油箱的重量要比牽引系統(tǒng)重；另一方面由于司機(jī)室置于頭車中，一般情況下頭車整體載客量小于中間車。基于以上情況，對(duì)列車編組形式的選擇主要考慮以下因素。

（1）重量偏差。方案1在空載情況下，中間車較頭車輕，中間車載客量大于頭車，故在大載客量情況下，兩車最大軸重幾乎相同。方案2在空載情況下，中間車較頭車重，中間車載客量大于頭車，故在大載客量情況下，會(huì)產(chǎn)生中間車最大軸重與頭車最大軸重偏差較大的情況。此時(shí)，中間車車輪磨耗速度會(huì)快于頭車。重量相差過大時(shí)，牽引制動(dòng)時(shí)也會(huì)造成沖擊。另外，頭車帶有司機(jī)室，車輛兩端為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，司機(jī)室端較重，如車輛軸重偏差過大容易造成輪緣異常磨耗等一系列問題。

（2）線路黏著。中間車設(shè)置為動(dòng)車時(shí)，拖車車輪提前于動(dòng)車先碾壓一遍軌道，對(duì)于車輛牽引系統(tǒng)來說，有利于提高牽引系統(tǒng)的黏著系數(shù)，利于牽引系統(tǒng)更好的發(fā)揮。

（3）設(shè)備干涉。頭車轉(zhuǎn)向架需要安裝信號(hào)設(shè)備。如將頭車設(shè)置為動(dòng)車，轉(zhuǎn)向架由于有牽引電機(jī)等空間限制，引起信號(hào)設(shè)備安裝空間不足，另外還會(huì)造成電磁干擾。

（4）受電弓改造。鑒于列車受電方式后續(xù)有改為受電弓的可能，因此受電弓最好與電力牽引系統(tǒng)安裝在同一車廂上，這樣中間車轉(zhuǎn)彎時(shí)偏移更小，頂部空間更大，更適合安裝受電弓。綜上，將動(dòng)車編至中間位置更有利于列車運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性，故選用方案1作為列車編組方案。

5.6 車體

城市軌道交通B型車主要有V型和鼓型2種車體形狀，2種型式的車體斷面最大寬度相近，但鼓形車體最大寬度在地板高度約600～700 mm處，外觀效果更加立體美觀。由于鼓型車體中部有1處外鼓圓弧，客室座椅可在此圓弧處外移，有利于增加客室內(nèi)乘客站立面積。在滿足車輛安全運(yùn)行的前提下，鼓形車體能更大限度地利用車輛限界，可帶來一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，因此本項(xiàng)目內(nèi)燃動(dòng)車組選用鼓型車體。

城市軌道交通車輛常用的車體材料有不銹鋼、鋁合金和碳鋼3大類。本項(xiàng)目內(nèi)燃動(dòng)車組運(yùn)行環(huán)境為高溫多雨多風(fēng)沙的地面線路，且車輛自身重量較大，鋁合金車體具有良好的減重效果、耐腐蝕性強(qiáng)，使其成為車體制造的首選型材。

5.7 轉(zhuǎn)向架

轉(zhuǎn)向架分為2種結(jié)構(gòu)相似的動(dòng)車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架，均為無搖枕結(jié)構(gòu)型式。動(dòng)車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架的主要區(qū)別是動(dòng)車轉(zhuǎn)向架裝有驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置（牽引電動(dòng)機(jī)、齒輪傳動(dòng)裝置、聯(lián)軸節(jié)），拖車轉(zhuǎn)向架未安裝驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置。由于本項(xiàng)目車輛軸重比標(biāo)準(zhǔn)B型車輛增加較多，故轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)須按最大載荷、結(jié)構(gòu)速度、最惡劣的線路條件以及所有其他可能出現(xiàn)的最惡劣條件等綜合工況進(jìn)行分析和確定，同時(shí)對(duì)該項(xiàng)目大軸重要求的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行針對(duì)性研究，完成轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜強(qiáng)度和振動(dòng)模態(tài)計(jì)算以及轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)計(jì)算，通過動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)性能和走行行為特性。

6 研究結(jié)論

西非地區(qū)供電設(shè)施不發(fā)達(dá)，無成熟的發(fā)電設(shè)施及輸變電網(wǎng)絡(luò)，選用內(nèi)燃動(dòng)車組作為城市軌道交通項(xiàng)目車輛更具可行性及經(jīng)濟(jì)性。

目前國內(nèi)外既有車型的內(nèi)燃動(dòng)車組多應(yīng)用于干線鐵路，本文進(jìn)行選型研究的內(nèi)燃動(dòng)車組用于城市軌道交通，兩者在機(jī)械結(jié)構(gòu)、牽引特性及可靠性需求等方面存在較大的差異。

通過對(duì)車輛基本車型、編組方式、核心大部件等關(guān)鍵規(guī)格制式進(jìn)行比對(duì)，結(jié)合本項(xiàng)目線路條件、運(yùn)用環(huán)境及性能需求，最終選定以國內(nèi)B型車為基礎(chǔ)車型，采用鼓型鋁合金車體并將車輛高度提升180 mm，由安裝在拖車車底的內(nèi)燃動(dòng)力包提供動(dòng)力，采用交-直-交流電傳動(dòng)方式牽引，編組形式為“+Tc-M-M-Tc+”2動(dòng)2拖的動(dòng)力分散式內(nèi)燃動(dòng)車組。