深圳市軌道交通二期工程11號線車輛制式的選擇葉芹祿，傅萃清（鐵道第四勘察設計院，Wuhan，China）摘要：文章闡述了深圳市軌道交通二期工程11號線項目特點，介紹了城市鐵路的主要特征，論述了車輛制式選擇的基本原則和方法，提出了A+概念車，創新了設計。關鍵詞：深圳市軌道交通二期工程 11號線 車輛制式 選擇 深圳市軌道交通二期工程11號線貫穿深圳市第一、二城市圈層，連接城市總體規劃中的西、中、東及東部沿海四條發展軸，是深圳市的物流中心、高新區、大學城和中心城鎮各組團之間的快速聯系通道，同時也是地鐵主干線路1、2、3、4號線和快速輕軌6、8、12號線的客流喂給線。1. 深圳市軌道交通二期工程11號線的特點11號線有別于現有的城市軌道交通工程項目，也不同于國鐵，有如下顯著的特點：(1) 利用平南鐵路富裕的能力和資源，組織開展城市軌道交通運輸，為鐵路參與城市軌道交通服務提供合作的契機，同時還要兼顧平南鐵路客貨運輸的發展。(2) 除了雪崗站、平湖站、塘坑站為高架站外，其余車站均為地面站。(3) 全線遠期線路長度約為50km，本次研究的深圳西站至塘坑站線路長度36.48km，車站數目為12個，不開放預留站時平均站間距為4.053km，最大站間距為6.63km（雪崗站～上李朗站），最小站間距為1.75km（西麗站～龍珠站）。從站間距離看，遠比一般地鐵或輕軌長。(4) 由于線路敷設方式為地面和少量高架兩種，車體尺寸及供電制式的選擇對土建投資影響不大。鑒于以上特點，設計將11號線定位為“城市鐵路”。2003年1月28日，國內第一條被定位為城市鐵路的城市軌道交通線路北京13號線全線貫通并投入運營，它是北京市城市軌道交通線網規劃的一部分。城市鐵路應該具備如下特征：(1) 線路貫穿城市且處于城郊，其功能和定位為連接衛星城鎮，促進統一協調的發展。(2) 列車基本上運行在地面上，有部分高架站。(3) 車站間距較大。(4) 平均時速（即旅行速度）較高。如香港的九廣，其列車為EMU,最高運行速度達到135km/h。(5) 滿足城市交通客流輸送需要，系城市軌道交通線網規劃的組成部分。2. 車輛制式的選擇車輛型式按車體寬度可分A、B、C三類車型；按牽引系統可分直流車、交流車（VVVF）；按車體材料可分耐候鋼車、不銹鋼車和鋁合金車；按受電方式可分受電弓和受流器受電的車輛；按電壓等級可分DC1500V、DC750V、AC25kV。車輛的選型應根據工程設計的客流量、行車密度、線路條件、供電電壓、氣象條件、車輛與備品來源、產品價格和維修能力等因素綜合比較確定。(1) 受電制式從供電工程經濟性角度來說城市軌道交通供電電壓等級越高越有利，但是直流750V、直流1500V有不同的適應性。采用第三軌供電方式時用直流750V就比較安全，而采用架空接觸網供電方式時用直流1500V就更經濟，但是對城市景觀有影響，也不適宜在臺風多發地應用。從國內外鐵路及城市軌道交通所采用的車輛受電制式看，大體有AC25kV 50Hz，AC15kV 16 2/3 Hz，DC3000V和DC1500V（DC750V）幾種，還有在歐洲國家之間開行的雙流制或多流制列車車輛（車輛可同時適應AC25kV 50Hz和DC1500V受電方式），都有成功的應用。對不同的供電制式，車輛都可以適應，但是交流AC25kV 50Hz受電的車輛其牽引、電氣傳動系統比較復雜，需要進行變壓、整流、逆變三次電能變換，絕緣要求也較高，總的制造成本較高；而直流DC1500V受電的車輛其牽引、電氣傳動系統簡單，只需逆變一次電能變換，車輛制造成本較低，其缺點是網壓較低，電流密度大，電能損耗大，線路建設成本較高，且存在“迷流”對軌道、建筑及附近設施的腐蝕等危害。鑒于AC25KV供電制式的優勢并結合深圳市軌道交通二期工程11號線利用既有平南鐵路的特點，本設計采用AC25KV的供電方案。可以較好地解決平南鐵路客貨運輸和城市軌道交通運輸共線運營的兼容性問題，兼顧今后平南鐵路客貨運輸增長引起的電氣化改造，減少投資，為平南鐵路和城市軌道交通的雙贏合作提供良好的契機。供電制式在經過綜合比較確定后，車輛受電方式及具體的車輛電氣系統結構就只是如何適應的問題了。本設計采用AC25KV架空接觸網供電的受電弓車輛。(2) 車體尺寸11號線系利用既有平南鐵路改造成為滿足城市軌道交通功能、兼營鐵路客貨運輸的系統，全線采用地面和高架兩種敷設方式。為充分利用平南鐵路限界空間，提高單車載客容量，降低人·公里車輛造價，兼容平南鐵路站臺至線路中心的距離，設計采用鐵路客車車輛的寬度、長度系列（長度24400～25500mm，寬度3104～3200mm）。這樣一種概念的城市軌道交通車輛與《城市軌道交通建設標準》中所述的A、B、C類型不同，設計暫且將它命名為A+車。嚴格地說，A+車輛不能等同于傳統的鐵路客車車輛。其動力組成方式（采用EMU方式）、地板面高度、車門數量和控制系統、座椅布置、客室內設備布置與裝飾、制動系統、牽引傳動系統、轉向架、輪對輪徑、運行控制系統等均與現行城市軌道交通車輛相類似，只是其車輛尺寸比《城市軌道交通建設標準》中的A型車輛略大，為便于理解和分類，顧名思義取之為A+。(3) 車體材料車體材料的選擇直接影響列車重量，列車重量又直接影響土建投資。車體材料的選擇尚應結合當地的氣候條件以及車輛的可維護性，結合不同材料的可加工性能、價格、市場供給等情況。目前，可供選擇的車體材料有三類：耐侯鋼、不銹鋼、鋁合金。隨著新材料的出現和材料制作工藝以及加工技術裝備的不斷發展，耐侯鋼車體已經逐漸被不銹鋼、鋁合金車體所取代。1) 幾種主要車體材料在國內外城市軌道交通車輛中的應用從目前國內車體材料的應用情況看，三種材料都有應用。天津濱海輕軌是我國第一條采用不銹鋼車體材料的線路，它主要考慮了該線所處的特殊環境條件（空氣中含鹽量較高），其他的如廣州、武漢、上海、南京、重慶等地均采用了鋁合金作為車體材料。從國際情況看，日本的日立、歐洲等公司都已經不再生產不銹鋼車輛，韓國地鐵發展初期采用不銹鋼車體材料為主，現在也逐步發展鋁合金車體。應該說鋁合金車體材料的應用在國際范圍講應該說是一個趨勢。2) 材料價格的比較在原材料價格上，不銹鋼板材價格大概為3萬元/t，鋁合金型材的價格4萬左右，鋁合金價格稍高。但由于車體所用的1.5、1.2、0.8mm等規格的不銹鋼板材目前國內尚無合格的供貨商，仍然需要從韓國和日本進口，而我國目前對從韓國、日本等國家進口的不銹鋼都征收20%的懲罰性關稅和17%的增值稅；另外，車體上還需要根據承載結構等不同要求設置加強筋，國內企業的不銹鋼板壓筋加工工藝尚不成熟，需要由廠家設計好各種筋板后，交由國外廠商加工，加工費用、運輸費用也很高，因此，不銹鋼的實際價格和鋁合金材料相比已經沒有優勢。3) 車體重量的比較從重量上比較，由于鋁合金的比重僅為不銹鋼的三分之一略小，具有明顯的優勢。雖然因為鋁合金的強度、剛度性能稍差，在結構上需要補強，在設計方法、加工工藝等方面還缺乏足夠的經驗，設計上還是比較保守，同樣是鋁合金車體，國內廠家設計生產的車體重量比日本、韓國等先進國家生產的車體重很多，但是仍然比不銹鋼車體要輕約四分之一。4) 材料加工工藝的比較從可加工性看，鋁合金型材結構設計好后，可以整體進行開門、開窗、沖壓成型（空調座等特殊結構）等工序，自動化程度更高，加工更精確。采用整體焊接工藝，使得車體密封性能更好。和鋁合金相比，由于不銹鋼車體需要按不同的結構，局部點焊成型后，再拼裝，加工工藝復雜，精確度不高，密封性能差。5) 車體材料的選擇應該說，鋁合金車體將以重量輕、材料加工工藝性好、材料供應等方面的優勢，以及耐腐蝕性好、表面平整度高、免維護等諸多優點引領軌道交通車體材料的新潮流。盡管鋁合金車體如上優點，但業界仍然有不同的意見和看法。針對韓國大邱地鐵火災事故，有專家曾認為是鋁合金的助燃特性助長了災情的蔓延，這在技術上并沒有充足的依據。有一點是肯定的，即：在嚴重火災條件下，不管是鋁合金還是不銹鋼，造成的破壞程度差不多，只是鋁合金由于熔點稍低，后果可能更嚴重。南京地鐵1號線車體材料選擇方案在參加工程設計評審的專家當中引起爭論，在深圳軌道交通二期工程預可評審過程中也有專家對鋁合金材料提出了自己的看法。筆者認為，從技術層面說，不銹鋼、鋁合金有各自的優缺點，難分伯仲，應用在軌道車輛中都沒有問題。目前國內具備城市軌道交通車輛整車供應能力的制造商主要有：長春-長客龐巴迪軌道車輛有限公司、長春軌道客車股份有限公司、南京浦鎮車輛廠、株洲電力機車廠、青島四方機車車輛股份有限公司、大連機車車輛廠、上海阿爾斯通交通設備有限公司、湘潭電機股份有限公司、北京地鐵總公司地鐵車輛廠。除了長春廠同時具備三種車體材料的生產能力外，其他工廠暫時還只是單一的生產能力（只生產鋁合金或只生產不銹鋼車體），從日后車輛承建商招標的公平性角度，建議在工程的車輛選型階段不指定車體材料，而是在用戶需求書中，由用戶（市場主體）做出具體選擇。但是，設計方面應該對不同車體材料對影響工程建設的因素有準確的預計。(4) 牽引傳動系統1) 牽引傳動系統的發展歷程眾所周知，蒸汽機的出現開辟了工業革命的新時代，隨后，交通領域的動力又逐漸被內燃機車和電力機車所取代。大功率硅整流技術的出現，使電傳動內燃機車和電力機車的傳動型式從直—直傳動(直流發電機或直流供電→直流電動機)，很自然地被更優越的交—直傳動(交流發電機或交流供電→硅整流→直流電動機)所取代。隨著大功率的晶閘管特別是大功率可關斷晶閘管(GTO)的出現和微機控制技術等的發展，20世紀70年代以后出現的交—直—交傳動(交流發電機或交流供電→硅整流→逆變器→交流電動機)，即所謂的交流傳動，又很自然地取代了交—直傳動。2) 牽引傳動系統的選擇電力電子器件和微電子技術的飛速發展帶動了地鐵、輕軌車輛電氣傳動系統的迅速發展。就主傳動系統而言，從牽引電機來看，目前可分為直流電機傳動和交流電機兩種，直流電機的調速方案主要有凸輪調阻、斬波調壓兩種，交流電機的調速方案主要有調頻調壓(VVVF，Variable-voltage variable-frequency)，控制理論有矢量控制、直接轉矩控制等。人們很早認識到交流傳動的優越性。交流傳動技術是一門綜合技術，但其本質的特點是牽引電動機采用了交流異步電動機，其一系列的優點都是由此而表現出來的。交流傳動所以成為現代軌道交通車輛發展的方向，正是由異步電動機的特點和優點所決定的。和傳統的串激直流電動機驅動系統相比，交流異步電動機驅動系統的優越之處表現在構造簡單、粘著性能好、功率大、牽引力大、可靠性高、維修簡便、效率高、使用靈活性強、動力性能好、制動性能好、機械、絕緣、耐熱、耐潮、重量尺寸等諸多方面。從目前我國地鐵車輛技術應用情況看，除了北京地鐵、上海一號線采用直流車，后來上馬的廣州、深圳、武漢等城市的軌道交通車輛均采用了交流車。綜述之，深圳市軌道交通二期工程11號線車輛采用變頻變壓（VVVF）逆變器調速、鼠籠式三相異步電動機驅動的交流牽引傳動系統。逆變器元件采用IGBT(或IGCT)功率元件。VVVF逆變器系統采用微機控制技術，具備自動診斷功能。每臺動車4臺牽引電機，采用架懸方式懸掛。考慮到其編組為2動2拖，為提高動力的可靠性，采用1C2M控制方式（即所謂的“架控方式”，提高可靠性 ）。葉芹祿 設備處車輛室高工 傅萃清城建院高工、副總工程師Tel：027-62826010，02751155416E-mail：hbyekinglo@163.com
