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北京地铁4号线地铁车辆2010年第4期2o10年7月l0et机车电传动electricdriveforloc0motives?no4.2o10july10,2010作者简介:马云双(1971一),摘要:针对北京地铁4号线地铁车辆的创新设计,从车体结构,转向架,电气系统,噪声控制男,硕士,高级工程师(教和防火等方面叙述了其特点.该车辆自投入运用以来运营状况良好.授级),长期从事高速动车关键词:北京地铁4号线;地铁车辆;车体结构;转向架;电气系统;噪声控制;防火组,地铁列车的研发工作.中图分类号:u231:u266.2文献标识码:a文章编号:1000-128x(2010)04-0043-06metrovehicleofbeijingmetroline4mayun-shuang,liuyu-wen(csrqingdaosifanglocomotiveandrollingstockco.,ltd.,qingdao,shandong266031,china)abstract:thispaperintroducedtheinnovativedesignofmemovehiclesforbeijingmemoline4,whichcharacteristicsweredescribedfromthevehiclebodystructure,bogie,electricalsystem,noisecontrolandfireproof.thevehicleperformanceswellsincehavebeenputintouse.keywords:beringmetroline4:metrovehicle;vehiclebodystructure;bogie;electricalsystem;noisecontrol;fireproof0引言北京地铁4号线工程南起丰台区马家楼,北至海淀区龙背村,线路穿越丰台,宣武,西城,海淀4个行政区,是北京市轨道交通线网中的骨干线路,是南北交通大动脉.正线全长28.18km,共设23座地下车站,1座地面车站.初期,近期和远期均为3动3拖6辆编组,车辆全部由南车青岛四方机车车辆股份有限公司设计生产.1地铁车辆的特点北京地铁4号线地铁车辆具有如下特点:ato系统自动控制,车辆运营时可以无人驾驶.具有蓄电池牵引运行模式,无外部供电时,可利用自身蓄电池运行.车辆整体满足bs6853防火标准,可以最大限度地防止火灾发生.该标准在国内地铁车辆上首次采用,收稿日期:2010-0420为目前最严格的防火标准.采用先进的不间断供电技术,无供电母线但保证列车过断电区时辅助系统正常供电.客室侧门采用外挂密闭门,该车门为世界首创.其性能可靠,操作简单,密封优良,具有直径10mm的障碍检测能力,为国内最高之检测精度,确保乘客安伞2列车编组及主要技术参数2.1列车编组列车编组图见图1.歹0车编组:+tclm1一m3一t3一m2一tc2+其中:+为半自动车钩,一为半永久棒式车钩;m1,m2,m3车:无司机室的动车,m1,m2车设辅助电源装置,m3车不设辅助电源装置;t3车:无司机室的拖车;tcl,tc2车:带司机室的拖车,其中tc1安装信号车载设备主机.城市轨道车辆机车电传动虱蚕匹三三三三三=强藿圄聿塑e三三至三三三霞日鲁再国r二二二e二二阜蓼jf尸.ep:口:epe:1i卜le口e日.广i-匕三.匕=芒:j广门.广广:.2.2设备布置情况设备布置情况见表l.表1设备布置情况图1列车编组图启动加速度列车从0加速lj40km/h列车从0加速到8okm/h车型牵引辅助一系统系统制动系统vvv,/vv空气压缩机扩展供蓄电信号电装置池主机tc1m1m3,/t3m2x/,/tc2,/高压箱内2.3列车主要参数车体长度tcml/m2/m3厂r3车体宽度(最大处)车辆高度(最大处)客室地板面距轨面高度车辆两转向架中心距固定轴距列车编组长度车钩高度供电电压受流方式车辆自重tc车m1,m2,m3车t3车最高运行速度平均速度(典型区间)旅行速度19380mln19000itiiti2800fflln3800mltl1100iti1ti12600mln2200l-llnl117880mnl660mmnldc750v(dc500900v,第三轨上部接触受流50km/h(不含站停时间)37km/h(平均站停时间30s)制动减速度最大常用制动紧急制动设计寿命不小于0.83m/s不小于0.5m/s不小于1.0m/s不小于1.2m/s33年3主要系统结构部件3.1车体北京地铁4号线不锈钢车体采用整体承载内层筋板结构,车体由底架,侧墙,端墙,车顶和司机室(仅tc车)五大部件组成,车体材料采用奥氏体不锈钢(sus301系列)材料,符合日本标准jisg4305.1999,其中外板采用符合欧)hen10088标准的en1.4318材料,车体的牵引梁,枕梁部位采用高耐侯钢,其机械性能满足gb/t15911994要求.不锈钢车体具有强度刚度好,抗冲击性好,耐腐蚀,熔点高,外表无涂装,维护方便等优点.车体强度满足在极端条件下承受的动载荷,静载荷以及冲击载荷要求,并在各种条件下的架车,起吊,救援,调车,联挂,多车编组回送作业的各种力的作用下,车体应力不超过设计许用应力值,不产生永久变形及损坏.当超过最大载荷时,不发生车体压溃的现象.车体静强度试验满足国际标准en126632000铁路车辆车身的结构要求(静强度试验中纵向压缩载荷达到800kn)0首尾车底架前端设有防爬装置,以防止发生剧烈冲撞时与相邻车辆相互爬叠,确保撞击力沿底架传递.在防爬装置后面设有能量吸收结构,吸能结构的不同部件设定在一定的载荷作用下产生失效并保证其逐级ttt1o58332盯约约约8第4期马云双,刘玉文:北京地铁4号线地铁车辆作用.失效载荷是在满足列车正常运行前提下,两列车碰撞时列车前部的吸能区以可控的方式产生较大塑性变形,消耗巨大的撞击能量.北京地铁4号线车体前端吸能结构设计,不但通过了计算,而且还通过了相关试验的验证,吸能装置试验前后的图片参见图2,图3.图2试验前的吸能装置l冬j3试验后缩的吸能装置3.2转向架3.2.1主要特点转向架构架采用焊接结构,是一系悬挂为橡胶弹簧,二系悬挂为无摇枕空气弹簧的转向架,具有良好的运行性能,最低的振动噪声和最少的维修.轻量化特点如下:无摇枕结构,整体重量降低.横梁采用无缝钢管,兼作空气弹簧附加空气室,进一步使自身重量降低.使用锥形橡胶弹簧使转向架整体重量降低.3.2.2转向架主要结构转向架采用了轴承外置式无摇枕转向架;钢板焊接h型构架;迷宫式轴箱,双列圆柱滚子整体自密封轴承;整体辗钢轮.采用横向刚度小的空气弹簧来改善车辆乘坐舒适性;采用低横向刚度的轴箱橡胶弹簧,减轻了车辆通过曲线时的横向力,从而提高了车辆在曲线上的运行性能;无摇枕车体支承方式和橡胶弹簧式轴箱定位措施取消了摩擦部位,可以简化转向架结构和减少零部件数量,有利于简化维修和降低维修费用;牵引方式采用z字形全弹性无间隙牵引装置,提供足够的牵引刚度,可避免间隙引发高频冲击传至车体(通过中心销);ti天线,接近传感器及排障器安装梁为全弹性连接,在小横梁端部有一段橡胶弹性部件,抵消转向架构架端梁在各种模态下产生的扭曲变形量,保证安装梁及连接座不会产生裂纹现象;车轮上安装了车轮降噪阻尼器,车轮降噪阻尼器能较好地降低中高频尖叫声,以降低车辆整体的噪声.3.3电气系统电气系统具有以下主要特点:1)设备体积小,重量轻除牵引电机采用自通风外,主逆变器(mcm)和辅助逆变器(acm)均采用强迫通风,所以设备的外形较自通风设备小得多,其总体重量也轻得多.如牵引逆变器的质量为340kg,辅助电源系统的总质量为1350kg,高压箱的质量为200kg,所以,牵引和辅助系统设备的重量总和比某些国家供应商的单牵引系统设备或单辅助系统设备的重量还轻.2)备用制动供电替代高压母线供电北京地铁4号线列车采用先进的不间断供电技术.地铁列车的正常供电来自地面线路,即在地面轨道旁铺设一条称为第三轨的供电轨道来为列车供电.但由于施工条件限制,在道岔等处,不能铺设这样的供电轨,也就是说,线路上会有部分供电间断的区域,若列车上没有采取适当的不间断供电措施,列车经过这些区域时,会出现灯光熄灭,空调停止工作的情形.为保证列车通过断电区时车辆的正常供电,传统的做法是在列车上布置一条贯通全列车的母线,这样当列车通过断电区时,处于断电区的车辆可以通过母线接受其他不在断电区车辆的供电,从而保证全列车供电系统的正常供电.北京地铁4号线车辆电气系统采用先进的技术,当通过断电区时,若检测到无外部电源供电,列车智能管理系统会通知车辆牵引系统进入轻微制动模式,通过制动将列车的部分动能转化为电能,这些电能为列车供电系统提供电力供应.此方案摒弃了传统的母线重联供电模式,在减少了母线配线和控制设备的同时,增加了列车可以承受的断电区长度.3)蓄电池牵引蓄电池牵引运行模式是北京地铁4号线列车的一个显着特点.列车正常运行时,是由第三轨外部电源供电牵引运行的.当外部电源由于某种原因不能供电时,其线路上的列车就需要救援,但4号线地铁车辆可转换到蓄电池供电牵引模式,实现短时牵引.所以4号线列车可以减少车辆被救援的概率,提高了车辆的可用性.另外,在车辆段没有外部第三轨供电的情况下,列车可通过采用蓄电池牵引功能,实现段内列车位置的移动,从而减少了车辆段的调车用机车数量.存车库内可以不设第三轨,进一步保证了维护人员和司机的安全.通过试验验证,蓄电池牵引工况下,列车可运行2km以上.为了配合蓄电池牵引运行模式,北京地铁4号线机车电传动列车蓄电池容量为180a?h,单个蓄电池的质量约为7.5kg,每组总节数为78个,所以蓄电池总质量较普通车辆增加不多.3.3.1电气系统主电路构成电气系统主电路为基于每个逆变器控制4台牵引电机的车控牵引技术,主电路电路图参见图4.主要设备有:受流器,高压箱,滤波电抗器,牵引逆变器(mcm),辅助逆变器(acm),牵引电机等.1)牵引逆变器输入电压输出电压持续输出电流最大电流质量冷却方式2)牵引电机通风形式相数最大转速绝缘等级额定频率额定转速dc750vac3(0-585)v3892a3xl320a340kg强冷风冷自通风34195r/min200级70hz2061r/min额定电压585v额定电流223a小时功率180kw3)辅助逆变器最高电压900v额定电压750v满功率最小电压dc550v额定输出电压ac3380(15%)v输出频率(输入电压550v)50(1-i-2%)hz输出容量(cos=0.85)160kva直流输出电压dcll0v直流输出功率22kw冷却方式强冷风冷4)齿轮传动装置传动比7.611质量400kg最大牵引转矩1500n?m最小制动转矩1300n?m最大转速4700r/min5)线路电抗器感抗1.2mh冷却方式自冷囡图4主电路电路图3.3.2网络控制系统列车采用的mitractcms(列车控制和管理系统)系统优于一般列车采用的网络控制系统.tcms系统及其部件无论是硬件本身还是软件功能都具有高的可靠性和耐用性.控制器外形参见图5.mitractcms采用了分布式设计,分布式系统的好处是硬连线数量少,这就减少了容易出故障的连接点,降低了维护人员的工作强度,并且减轻了整车的重量.tcms系统中集成了列车诊断系统.每节车内的车辆控制单元检测,存储车辆状态信息和车辆的故障,事件等信息,行车信息存储在数据记录器中.故障信第4期马云双,刘玉文:北京地铁4号线地铁车辆息可即时显示在司机台的显示器上,并可指导司机采取适当的措施.行车数据既可以被下载下来分析,也可以长期存储在服务系统中供故障分析和研究之用.系统另设2个数据存储用黑匣子,进一步确保了数据的安全.3.4门系统3.4.1车辆客室侧门的结构简单且密封性能优良外挂门和塞拉门是地铁车辆采用较多的2种车门,外挂图5控制器外形图门结构简单,可靠,但密封性能比塞拉门差;塞拉门是地铁车辆所采用的各式车门中密封性能最好的车门,但其结构复杂,且受其结构影响,在乘客拥挤的时候,关门困难.北京地铁4号线车辆客室侧门采用外挂密闭门,该门除具有普通外挂门的可靠,操作简单等优点外,还解决了普通外挂门密封不良的缺点,使之拥有了塞拉门密封好的优点而无塞拉门关门困难和机构复杂之缺点,属创新设计.3.4.2客室侧门障碍检测能力高客室侧门障碍检测能力是直径10mm,也就是说,车门在关闭过程中遇到一根钢笔粗细的障碍物时,车门关门动作即自动停止,所以说最大限度地保障了乘客的安全.直径10mm的检测精度,是目前国内最高级别.3.4-3良好的隔热隔声性能客室侧门具有良好的隔热隔声性能,车辆的噪声指标完全满足合同要求.3.4.4坡道为l8.的紧急疏散门列车两端设有坡道式紧急疏散rj.紧急疏散门为在紧急情况下将乘客从车上疏散到车下的通道,它由两部分组成:疏散门和疏散梯.紧急情况下,打开疏散门后,乘客沿疏散梯从车上疏散到车下.在国产地铁车辆中,紧急疏散门的疏散梯主要为阶梯式,这样,打开疏散门后,乘客需要沿楼梯一样的梯子一阶一阶地走到车下,人员较多时,容易产生拥挤.北京地铁4号线车辆的紧急疏散门是南车青岛四方机车车辆股份有限公司和车门生产厂家联合设计的,疏散梯为坡道式,且坡度很小,这样,当乘客打开疏散门后,可以跑步通过坡道来到车下,所以说图6坡道式逃生梯坡道式逃生梯较阶梯式逃生梯更方便行走,也就大大提高了乘客在紧急时刻的疏散速度,缩短了疏散的时间,进一步保障了乘客的安全.疏散试验证明,全列车的乘客可以在不到30min的时间内由车上疏散到车下.疏散梯形式参见图6.4噪声控制地铁车辆噪声控制是一门复杂的现代技术,它与车体轻量化设计,气密性研究,转向架设计,轮轨摩擦,振动及隔声,减振材料的选择,动力设备的设计安装等息息相关,涉及到理论力学,流体力学,材料力学,空气动力学,机械设计等多门学科,以及摩擦学阻尼技术,模态分析,能量分析,随机信号分析等多门新技术.地铁车辆设计时如果仅从某一方面考虑是不能有效降低车内外噪声的,必须综合考虑,将声学设计融入地铁车辆结构及部件设计的每一个方面,才能实现噪声控制的目的.南车青岛四方机车车辆股份有限公司在北京地铁4号线设计过程中,利用分析软件做了一个车内,外噪声模拟模型.从模型上为大型噪声源(牵引设备,空调通风装置,轮轨噪声,空压机)建立噪声分配;为旋转设备,指定动态平衡标准,选择振动隔离措施;审查相关零部件(盖板,隔离材料和通道等)的设计,材料选择和制造方法,以确保噪声和振动的适当减弱;针对重要部件,组织供应商,设计人员进行审查和试验,以确保满足模型对噪声分配和减弱所确立的目标.设计过程中保持模型更新,避免整体噪声值出现差错;再通过样车的型式试验,验证噪声和振动性能.声学分析模型参见图7.图7静态f乘客室内各场点的a声压级分布5车辆防火车辆整体满足bs6853防火标准,具有良好的防火性能,可以最大限度地防止火灾发生.车辆的设计,制造及所选用的材料,部件的防火,耐火及防烟,防毒等方面均符合bs6853:1999标准的相应等级.bs6853标准是国际上地铁列车所采用的最严格,最高级别的防火标准,采用了该标准,车辆部件耐火的时间长,车辆所用材料黑闷蚕霾l噩鍪l圈置枷瑚枷mm枷枷meeeebe声舢嫩m!擎筋旧66866e686机车电传动阻燃性能高,车辆材料燃烧时释放的有毒物质少,材料燃烧时产生的烟雾少,这些特点使列车减少了引发火灾的几率,也改善了乘客在失火状况下的生存条件.6结语北京地铁4号线车辆所选用的大部件均按相关标准要求通过了振动,emc和其他常规的试验;编列后,又通过了列车级的各种试验;试验结果均优于业主合同的要求.所有列车于2009年9月投入载客试运营,运营状况良好.其中,蓄电池牵引功能在正线进行了aw3负载运行试验,在蓄电池牵引工况下,列车平稳地运行了一个区间,目前该功能正广泛地应用于段内调车作业.新型的外挂密闭门表现了良好的隔音降噪效果,且可靠性较高,得到业主的好评.参考文献:1张振淼.城市轨道交通车辆ml北京:中国铁道出版社,2003.2b$6853:1999,载客列车设计与构造防火通用规范sl(上接第27页)随着压差尸的上升,比功率呈上升趋势.比功率上升意味着生产单位气量的能耗增加.在实际使用过程中,由于轴功率下降,主电动机运行电流下降,机车空压机维护人员很少关注到了比功率是上升的情况.从节能角度上看,空滤压差应控制在5.0kpa及以下.可以通过计算进一步验证,在不同的空气滤清器压差条件下,其他排量下的机车用螺杆空气压缩机的压缩比,轴功率,排气量,比功率的变化趋势与图4一图6和表4具有很强的相似性或一致性.4空气滤清器使用时间(或维护保养时间)分祈机车用螺杆空气压缩机空气滤清器的压差设定值为5.0kpa,达到这个压差值时空气滤清器的使用时间(或螺杆空气压缩机的运行时间)应是多少呢?仍以机车上常用的功率22kw,排气量2.4m3/min的螺杆空气压缩机为例进行说明.机车在运行过程中将处于不同的灰尘环境,有时环境差异很大,这里以空气平均灰尘浓度为0.8mg/m和5.0mg/m.进行参考计算.根据空气滤清器的型号,查出空气滤清器在不同压差下的容灰量,按如下公式求出空气滤芯使用时间:f=(cx1oo0)/cgq60)式中:f使用时间,h;c空气滤清器容灰量(储灰能力),g;暑空气灰尘浓度,mg/m;q螺杆空气压缩机的排气量(进口状态),m/rain.计算出一个双级过滤的空气滤清器和一个单级过滤的空气