地铁车辆的发展与铝合金车体的研制

地铁车辆的发展与铝合金车体的研制

地铁车辆是地铁系统中最重要的机电设备之一，负责安全、快速、舒适地运送乘客到目的地。1969年我国第一条地铁线路在北京开通,之后又开通了天津地铁、广州地铁、上海地铁。北京和天津地铁所使用的地铁车辆是由长春客车厂和北京地铁车辆厂生产的,长春客车厂总结了在北京、天津地铁使用中发现的问题,在DK1型地铁电动客车的基础上经过不断改进,到目前为止已经生产了近30种型号的地铁电动客车。1995年—1997年,上海和广州相继引进了德国地铁车辆,在整体技术水平方面比北京和天津使用的国产车上了一个台阶,但同时也带来了一次性投资较大、备品备件昂贵、维修困难等问题,这对于地铁建设资金短缺的城市来说,不是一条发展地铁的道路。1996年10月,北京地铁总公司同长春客车厂签定了北京复八线地铁车辆生产合同,要求车辆的整体技术水平达到国外先进水平。该车辆的车体与走行部分为国内制造,关键部件国内不能生产的进行引进。采取国内组装的方式不仅减少了一次性投资,而且降低了维修费用。从我国地铁车辆的发展历史来看,国产化是地铁车辆的必由之路。1尸体1.1轻量化的原则地铁电动车辆对车体的主要要求:(1)足够的承载能力;(2)足够长的使用寿命;(3)尽量做到轻量化。地铁线路形式不只是在地下,而是地下、地面和高架相结合的线路形式,因此,减轻车体重量不仅可减少车辆电耗,降低运营成本,更重要的是减少对高架桥梁、道床、走行轨道的负载,进而降低地铁基本建设的总投资。1.2铝合金+地铁车辆(1)钢结构车体。钢结构车体无论是机械强度(承载能力)还是使用寿命都可以满足要求,北京地铁目前使用的钢结构车体车辆已运行了近30a,技术成熟,完全可以实现国产化。钢结构车体的主要缺点是重量较重。(2)铝合金车体。近年来,采用铝合金车体在国外已成为铁路客车和地铁车辆的发展趋势。其优点除了不易锈蚀和维修方便之外,最主要的是重量轻。据国外有关资料介绍,铝合金车体与钢车体相比,可减轻重量30%。根据长春客车厂为北京地铁设计试制的宽2.8m、长19m的铝合金车体的计算,在设计经验不足、缺少轻型适用的铝型材和留有很大设计安全裕量的情况下,仍比钢车体减轻重量1t多。据估算,如能选用到适当的铝合金型材,至少可减轻重量2t。如果设计生产宽3m、长22m的大型化车辆,预计铝合金车体比钢车体减轻重量约3t。由于铝合金车体的优势,它应该成为我国设计生产地铁车辆的发展方向。国内多年前就已着手设计生产铝合金车体的工作。1989年长春客车厂为北京地铁设计生产52辆DK16型车辆时,为探索和积累设计生产铝合金车体的经验,在其交付使用的最后一组车辆中,就制造了一辆铝合金车体。这辆车至今已安全运用了近10a。随后,该厂在铁路客车上也采用了铝合金车体,目前该客车已交付使用。这些都为今后国内铝合金车体的设计生产积累了宝贵的经验,也使国内车辆设计生产部门增加了对铝合金车体国产化的信心。但是,要在国内制造铝合金车体还要解决如下问题:(1)优化车体结构设计。借鉴国外经验,甚至采取购买国外技术、与国外技术合作等方式来缩小技术差距,在短期内使我国铝合金车体的设计和制造技术接近或达到国际水平。(2)解决大型化铝型材问题。目前,我国还不完全具备生产适用于地铁车辆的多规格大型铝合金型材的能力。近期的解决办法可分两步走:先进口部分铝合金型材,以满足地铁车辆生产的急需。由于这种型材需用的批量小,国际上也只有日本、德国、瑞士等少数国家具备大型铝型材的生产能力,多数国家也采取进口的办法满足国内需要。另外,考虑到我国今后地铁的发展和铁路车辆增长的需要,该产品国内市场潜力很大,不宜长期进口。国内生产大型铝型材已具备一定基础,只要国家对现有生产工厂进行专项扶持和投资,就可以生产出合格适用的大型铝型材。(3)不锈钢车体。不锈钢车体主要优点是其车体外表不用涂漆,易于维护,并可减少喷漆工序及喷漆车间。1.3钢结构车型车在资金短缺,或者高架线路较少,或者根据运量而选择了小型车时,可采用钢结构车体。在采用大型车辆并且高架线路较多的情况下,宜采用铝合金结构的车体。车体材料初期采用进口铝型材,逐步向国内生产过渡,并由国内工厂制造车体。2仆人2.1技术要求地铁车辆对转向架的主要要求:安全、可靠,具备良好的横向、垂向动力学性能,曲线通过性能好,轻量化。2.2有摇入轨的新型转向架转向架主要分为径向转向架和普通转向架。径向转向架有较好的曲线通过能力,但结构较为复杂,一般在山区铁路和有较多小弯道的线路使用。南非的山区货运铁路车辆和加拿大的快速轨道车辆采用了径向转向架。其他国家和国内的铁路、地铁普遍采用的是普通转向架,此种转向架技术较为成熟,适用范围较广。国内地铁使用的普通转向架主要有有摇枕和无摇枕2种形式。(1)有摇枕转向架。铸造有摇枕转向架在北京地铁已运用近30a。由于设计、材料、工艺等诸多原因,不仅重量重,而且曾多次发生构架裂纹和电机安装座焊缝开裂等危及行车安全的情况。多年来制造厂虽不断采取增加构架铸造厚度及局部补强等措施,但这一问题至今未得到彻底解决。1989年,北京地铁车辆厂借鉴同行的经验,生产了钢板板焊工艺转向架,由于仍然采用原铸钢转向架的设计结构,加之焊接工艺不当等原因,不但没有减轻重量,也没有解决转向架构架裂纹的问题。因此,设计和制造一种安全可靠、具有良好动力性能、轻量化的新型转向架是国内地铁车辆生产厂家的重要课题。(2)无摇枕转向架。长春客车厂为解决转向架的问题做了大量的工作。1996年,在交付给北京地铁的40辆DK20型车中,有一辆采用了新试制的无摇枕钢板焊接型转向架。在生产向伊朗出口的地铁车辆过程中,引进了无摇枕焊接转向架的制造技术。使用这种制造技术试制的转向架的构架已通过1000万次疲劳试验,通过分析可知,构架受力得到了较大改善。在向北京地铁复八线提供的174辆车中,也采用了该项技术。2.3关于预算的建议建议立足国内生产无摇枕焊接转向架。3空气刹车系统3.1空气制动机的选择空气制动系统包括空气供给系统和空气制动机。空气供给系统要具备除尘、除湿、过滤、油水分离等功能,能提供较高质量的压缩空气,避免风路和设备的堵塞和锈蚀。空气制动机要具有安全、可靠的质量;具备空气制动与电制动协调配合的功能;在地铁车辆采用动、拖混合编组的情况下,还要使动车的电制动与拖车的空气制动协调。3.2空气压缩机的应用(1)空气供给系统。包括空气压缩机、空气过滤装置、冷却除湿装置等。供风质量的好坏直接关系到车辆的风动门、电空开关、空气制动机等设备的安全可靠性。地下空气湿度大,空气供给系统各设备均吊挂在车体底架下,没有任何防护措施,工作条件恶劣。多年来,北京地铁车辆的空气供给系统一直沿用国内技术和国内产品。该空气供给系统提供的空气中含水分、油、粉尘等杂质较多,供风质量较差。针对这些问题,北京地铁试用和更换过多种空气压缩机,也试验过国内外的除湿装置,但从整体上看尚没有取得满意效果。由于地铁用空气压缩机需求量少,专业生产厂家不愿加大研制经费的投入,所以目前国内尚没有一种适用于地铁车辆安全可靠、性能优良的空气压缩机。(2)空气制动机。早在70年代,我国地铁车辆空气制动机就经过了由三通阀到膜板阀,再到七级阀(电控数字式空气制动机)的历程。在当时,该技术接近国外先进水平。由于在七级阀的推广使用过程中没有很好地利用80年代初期已开发的“空-电配合”技术,因此是一种不具备空-电制动完全配合的、技术很不完备的电控数字式空气制动机。北京地铁一期工程技术改造项目引进了英国西屋制动公司的模拟式空气制动机。其性能是:列车导线传输PWM控制信号,手控15级,自动驾驶64级,电制动优先,空气制动与电制动完全配合。运用实践证明,这种模拟式空气制动机安全、可靠,完全满足北京地铁一期工程技术改造列车运行自动保护(ATP)、列车自动驾驶(ATO)的功能要求。更重要的是,在引进该项设备时就充分考虑了国产化问题,同时引进了制造技术。目前,国内消化工作已完成。该空气制动机已应用在北京、天津地铁车辆上。需要指出的是,该项技术不适用于动拖混编的情况,因为当时引进的设备和技术都是按北京地铁一期工程技术改造全动车编组考虑的。近期,北京地铁复八线采用的动拖混合编组列车引进了日本制动机公司的数字模拟式空气制动机和制造技术。3.3空气制动机的应用(1)空气供给系统。国内外地铁车辆编组方式的趋势是采用动拖车混编。空气压缩机不再是每辆车安装一台,这样空气压缩机的供风量要比目前使用的供风量大。这种新型大供风量空气压缩机目前没有厂家生产,因此,近期仍以采用进口空气压缩机为宜。在引进空气压缩机的同时,应引进国外的设计制造技术,进行国内消化吸收,争取在短期内生产出质量合格的产品。(2)空气制动机。北京复八线地铁车辆使用的模拟式空气制动机是最佳方案。实现国产化有以下几种做法:(1)在日方提供的技术转让充分的前提下,国内抓紧消化吸收工作;(2)充分学习和借鉴日本制动机的动车与拖车之间控制方式的技术和思路,在已经国产化的英国模拟式空气制动机上完善其控制环节,达到动车与拖车的不同制动要求有机配合控制的目的。如果在近期内就要求提供满足技术要求的空气制动系统,国产化方案难以实现。因为空气制动机是列车安全运行的重要部分,新产品、新技术在批量生产和投入使用前,要做大量的试验工作,需经过较长时间的实际运用。所以,建议近期引进适用的国外制动机。4电气传动控制装置4.1地铁车辆的运行性能影响电气传动控制装置是地铁车辆的心脏,它的性能优劣直接影响到地铁车辆的运行性能、运输能力、耗电量等等。因此,要求电气传动控制装置安全、可靠,能满足列车的加速度性能,并节电。4.2在车辆中的应用地铁车辆电气传动控制方式的进步和发展是伴随着电力电子器件的进步和发展的。电力电子器件经过不可控型硅整流器件、半控型晶闸管(SCR)、全控型晶闸管(GTO),发展到绝缘门极双极晶闸管(IGBT)及智能功率模块(IPM)。地铁车辆电气传动控制方式也从最初的凸轮变阻调速方式、直流斩波调压控制方式,发展到变压变频(VVVF)交流传动方式。(1)凸轮变阻调速方式。国产地铁车辆一直采用的是直流传动凸轮变阻调速方式。这种控制方式的主要优点是:结构简单,国内有长期积累的运用和维修经验。缺点是:采用大电流、有触点的开关较多,维修工作量大,启动电阻耗能,不能实现再生制动。这种控制方式的装置国外已基本不再生产。与凸轮变阻调速方式功能相近的是斩波调阻调速方式。它减少了大电流电气开关的数量,但在耗能方面与凸轮变阻调速方式是一样的。北京地铁有78辆斩波调阻车辆,已使用了近20a,积累了较多的运用和维修经验。出口伊朗的地铁车辆就采用了这种斩波调阻调速方式。(2)直流斩波调压控制方式。采用直流斩波调压控制方式的最大优点是节能。我国早在70年代就开始研制逆导型晶闸管直流斩波调压控制装置,并先后有3组国内研制的直流斩波调压地铁车辆在北京地铁使用过。80年代初期,北京地铁引进了日本东急公司生产的1组(3辆)直流斩波调压车,而后又利用同时引进的部分制造技术,由长春客车厂、湘潭电机厂和永济电机厂等国内厂家共同合作,仿制了1组(3辆)同样技术的直流斩波调压车。80年代中后期,出现了新型大功率电力电子器件GTO。国际上广泛采用GTO作为开关元件应用在直流斩波调压控制装置中。我国也紧追世界新技术发展潮流,把采用GTO开关元件的直流斩波调压控制装置的研制与实地装备地铁车辆运行列入“八五”国家重点攻关项目。第一组(4辆)GTO直流斩波调压控制的列车于1995年在北京地铁改造完成,并投入运行。1998年,北京地铁在又完成2辆GTO直流斩波调压车的改造后,继续改造了6辆。国内的GTO直流斩波调压控制技术已趋于成熟,并具备了一定的安装、改造等方面的经验,除了GTO元件需进口(或进口芯片,国内封装)外,基本实现了国产化。(3)变压变频(VVVF)交流传动方式。90年代末期,国际上新型大功率电力电子器件发展迅速,微机技术广泛应用,促使VVVF逆变技术在地铁电动车辆上得到了快速发展。大功率GTO元件、IGBT元件以及模块化的IPM制造技术的发展,使得VVVF逆变装置进一步轻量化、小型化。这种交流传动方式的优点是:没有直流斩波调速方式的启动电阻;可实现再生制动,达到节能目的;提高了粘着系数,减少列车编组中的动车数量,降低列车综合造价;可采用交流牵引电动机,达到牵引电动机无维修化,降低维修费用。国内有关科研院所已开展了VVVF交流传动装置的研究,株洲电力机车研究所已研制成功采用晶闸管作为开关元件、功率为4000kW的干线机车用交-直-交逆变装置,并装车投入试验。铁道科学研究院研制出400kW的逆变器后,目前用GTO作为开关元件、油冷却系统的1000kW逆变器已进入负载试验阶段。虽然这些研究均未达到能够装备地铁车辆的实用阶段,但为国内该项技术的发展打下了基础,更为掌握国外同类设备的使用、维修及逐步实现进口配件的国产化提供了技术依靠。通过对凸轮变阻(包括斩波调阻)、直流斩波调压、交流变频变压几项技术和国内现状的分析,可以得出以下结论:交流传动方式是地铁车辆电气传动控制方式的发展方向。如果我国地铁近期采用交流传动方式,根据VVVF交流传动装置的技术要求和我国相关的技术水平,短期内国内难以研究和生产出技术成熟、安全可靠的实用型变压变频交流传动装置,因此必须进口。5牵引机5.1技术要求牵引电动机要适应地铁列车频繁启动、制动的特点,满足列车的技术性能要求,维修简单,维修量小。5.2直流牵引电机牵引电动机分为直流和交流2种。(1)直流牵引电动机。当地铁车辆的电气控制方式采用直流控制方式时,需使用直流牵引电动机。国产地铁车辆至今全部采用湘潭电机厂制造的直流牵引电动机,其功率原为76kW,后来增至86kW。实践证明该项技术完全成熟。80年代中期,湘潭电机厂利用引进日本日立公司制造技术生产了130kW的直流牵引电动机,经试验及在仿日斩波调压车上装车运行,证明完全符合技术要求。该项技术现已在出口伊朗的地铁车辆上使用。永济电机厂在1994年也生产出了地铁车辆用直流牵引电动机,并经过了装车试验。可见,国内完全可以独立设计、制造地铁车辆用直流牵引电动机。(2)交流牵引电动机。交流牵引电动机具有结构简单、几乎无维修的优点。国内早已开始研究开发与地铁车辆VVVF交流传动装置配套的交流牵引电动机。湘潭电机厂多年前就曾设计制造出了100kW左右的交流牵引电动机。永济电机厂研制的160kW交流牵引电动机在1997年通过了单机性能试验。交流牵引电动机与直流牵引电动机在设计、制造技术上有许多不同,用于地铁电动车辆的交流牵引电动机有更严格的技术要求。如:低频特性和各台电机之间特性参数的离散度要求。经过国内设计制造单位的努力攻关,设计制造出质量合格的交流牵引电动机是完全有把握的。5.3关于预算的建议如果地铁车辆采用VVVF交流传动方式,建议牵引电动机采用国内设计制造的方案。6辅助电源6.1技术要求辅助供电系统是为车辆照明、空调、电气控制等提供电源。要求该系统能够安全可靠地提供所需的各种交流、直流电源。6.2产品和变压器国产地铁车辆一直采用电动发电机组作为辅助供电系统,其容量为7kW。这种电动发电机组输出功率偏低,电压及频率调节精度较差。随着科学技术的进步,国外新造地铁车辆已陆续采用直-交静止逆变器作为辅助供电电源。我国从1994年就开始静止逆变器的研制工作,北京地铁设计研究所分别与湘潭电机厂、航天部十五所合作研制了容量为15kW、采用IGBT(1600V、300A)作为开关元件的静止逆变器,并于1997年在北京地铁车辆上装车试运行,通过了6万km单车负载考核试验。我