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应对城市发展需求的城轨车辆创新

发布时间:2014-04-29 15:11:51 编辑:wwxianlong
本文摘要:——南车青岛四方车辆股份有限公司副总工程师丁叁叁
——南车青岛四方车辆股份有限公司副总工程师丁叁叁

 

南车青岛四方车辆股份有限公司副总工程师丁叁叁

 
  各位领导、各位专家,大家好!

     我汇报三个部分,回顾发展历程,分析一下现在的技术现状和未来的技术发展趋势。
 
  发展历程
 
  中国城轨交通发展历程
 
  从1971年北京地铁1号线开通以来,经过了四十几年的发展,现在城市轨道交通发展非常迅速,在多个城市实行了网络化,截至目前像北京、上海、广州、天津等19个城市开通了地铁,共有87条运营线路,总里程达到了2500多公里。
 
  简单地划分一下,我们的城轨车辆技术大概可以分成两代和三个阶段的历程,第一代是以直流车为特征,第二代就是现有的这些交流技术,这里面大概分成两个阶段,一个是我们的技术引进阶段,一个是现在正在进行的国产化的阶段,下一代的车辆就是技术全面升级的车辆。
 
  第一代城轨车辆
 
  1967年自主研制的第一代的地铁车辆标志着我国初步掌握了车辆的设计技术,它是以碳钢车体、直流的方式、非网络的控制以及人工驾驶为主要的特征,它没有再生制动和空调等旅客信息系统,被动安全等级和现在的技术相比应该是偏低的,同时也没有很完善的主动防护系统。这一代车为城市的交通作出了重大贡献,受制于当时的专业技术和基础工业的限制,无论在安全、节能、环保、舒适型和智能化等方面较为落后,截止到2012年,这批车已经全部淘汰了。
 
  第二代城轨车辆
 
  从上世纪九十年代开始,北京、上海、广州这些大城市开始相继的引进国外的地铁车辆,将国外车辆的设计理念和相关的一些设计、标准、规范引入到了国内,这促进了我们城轨车辆技术的快速发展。在后续的国产化进程当中,我们逐步掌握了系统集成、车体、空调、贯通道、车门、广播系统以及内装技术这些相继的实现了国产化,最近几年,此前一直被国外公司垄断的牵引技术、制动技术,现在我们也都取得了很大的突破。
 
  技术现状
 
  中国城轨交通的格局
 
  从我国轨道交通的格局上看,目前从车辆的技术上看还是以地铁为绝对的主力,在我们国家的交通线路总里程里面地铁占了82%的比重,绝大多数还是以地铁为主的构建城轨交通的网络。2000年以后,其他的城轨交通形式诸如轻轨、跨坐式单轨、直线电机等相继问世,目前30多个城市的规划中,有轨电车的规划将近5000公里,其他各种形式的车辆规划也都在出现了,未来轨道交通多元化的发展趋势是非常明显的。
 
  车辆谱系-地铁车辆&新型交通形式
 
  从既有的车辆谱系上,目前A型车、B型车各种制式的车现在都有了,它的主要特征是运量大、速度不是很高,80公里左右,安全准时,同时是独享路权的,到目前阶段实现的功能主要是以城市的通行为主。从其他的形式里面刚才说到的这些新型的车种不断的出现,像2002年第一条轻轨,第一条有轨电车投入了运营,2005年第一条单轨和第一条直线电机车辆分别在重庆和广州建成,2010年的时候,新型的轨道交通APM线在广州开通,2010年在成都有一条市域铁路开始运行,新型的这些车辆是对目前地铁系统有效的补充,共同的构成现在的城市交通网。
 
  总体技术特征
 
  现在的这些城市轨道交通总体的技术特征呈现出标准和规范的多元化,不像大铁路有统一的规范、有统一的标准,现在城市轨道交通的规范相对不是那么完善,这是我们未来要继续发展的,另外因为不同的引进国产化的路线,现在的技术路线也是呈现多元化的趋势,各种车的技术性能也是各不相同,良莠不齐的,特别是在车的服务质量上,有的可能是以通行为目的能够多载客、安全运行,有的可能要求服务的品质、乘客的舒适度等等,这方面更多的呈现了多元化的趋势。
 
  系统技术-车体
 
  从系统上讲,早期的地铁是碳钢的焊接车体,最近开始发展不锈钢的点焊加弧焊的车体,这个车体也存在它的一些弊端,就是它的点焊结构的密封不能实现车内气压环境的精密的控制,另外现在发展出来铝合金车体,这个车体现在也都是以弧焊为主,现在也有一部分技术少量的在使用搅拌摩擦焊,主要是处于降低结构、减少变形的角度,还没有整车的角度大批量的使用。
 
  系统技术-转向架
 
  从转向架的技术来看,现在的转向架一般是在80到120公里左右,构架的形式基本上以钢板钢管的焊接结构为主,传动方式以交流架悬,一级点阵为主,采用直线电机驱动,悬挂的方式一般采用2系悬挂,大量主流的车采用的无摇枕大扰度的空气弹簧,1系一般采用橡胶簧,现在采用钢缘簧,制动的方式以踏面制动或者弹性制动为主。
 
  系统技术-牵引控制系统
 
  从牵引的控制系统方面讲,供电制式现在以直流1500V或750V为主,也有25KV的一些需求,但是目前的条件下这还不是主流,未来发展的方向可能会有一些新的变化。从牵引控制的方面看,大部分现在是采用变频变压的交流传动技术,控电的技术大多采用网络控制,驾驶模式采用ATP或ATO模式下的有人的驾驶方式,它的制动能量的消耗一般采用列车上电阻制动和空气制动结合,地面采用电阻制动或者是采用储能的吸收装置。
 
  系统技术-制动技术
 
  从制动技术本身而言,现在大部分的车都是采用微机控制的直控式的控制系统,有车控和驾控两种形式,基本采用电制动和空气制动的混合模式。从其他的系统而言,现在大部分车配有冷热空调、乘客信息显示系统、列车监控系统等,与第一代车辆相比主要是车辆的舒适度和运营的安全和速度方面都有较大幅度的提升。
 
  技术趋势
 
  三网融合的格局初步呈现
 
  从未来的趋势上看,刚才各位专家也都提到了,现在的城市群的发展非常快,轨道交通的发展也非常迅速,高铁、城际、城市轨道交通三种网络融合的趋势现在是越来越明显了,在这个层面上考虑问题就需要我们在城市规划的时候从国家交通网络的全局角度规划,目前中国已经形成了十多个城市群,三个国家级的城市群,七个区域的城市群,城市格局快速变化带来的是城轨车辆功能要求的进一步拓展,从传统的通行为主可能现在要发展到通勤加上站线的分流,对其他交通方式,如城际向航空、公路起到集散作用,还有一部分中短途的商务旅行,这是一方面。另一方面由于城市面积的不断扩充,城市轨道交通会向市域的方向发展,服务的领域也会进一步的扩大,逐渐的会形成都市的通行圈,按照规划的资料显示,到2020年,全国的城轨运营里程可能会达到6000公里,预计地铁占现在2/3左右,后续会呈现一个下降的趋势,就是说有轨电车、市域包括各种单轨、通轨多元化的模式是越来越明显了。
 
  产品谱系化日臻完善
 
  在这种条件下,意味着我们对产品的谱系化的要求会更加完善,在传统地铁各种车型的技术上大力的发展市域车辆、轻轨车辆、有轨电车、单轨、空轨以及铁路系统等等,这些系统相互补充、共同构建出我们现在城市的交通网络。在这个基础上,让用户可以根据它的客流量、运营的里程、运营的模式等等各种需求基于时间、成本和速度的模式进行快速的配置化设计,让用户可以灵活的选择。如果说要大致的分一下,这种大容量的轨道交通像地铁和市域的,可能更适合于像市中心和市郊有大的客流密度的方向,像中等的交通像轻轨等更适合于在市郊、市区以及中小城市市区,我们说中小城市对中国而言,如果对世界的城市规模而言我们可能都是大城市,这种有相当客流量的方向地区。较低的轨道交通刚才说到有轨电车和单轨系统可能适用运量较小,这可能和刚才专家的说法有一点点偏差,运量的定义,我想可能这个更适合于在路权的地区可能更适合这种新型的交通工具。
 
  车辆技术升级换代
 
  基于这个需求,未来我们的车辆技术一定会发生更新换代的变化,未来轨道交通的车辆研发一定要遵循人性化的设计理念,注重节能环保、经济适用,要更加安全、更加可靠、更加智能,服务的品质要更加提高,同时通过我们的设计,技术上要尽快的发展我们的列车的谱系化技术,具备快速定制、经济提供产品的能力。
 
  节能环保技术
 
  从一些技术的层面上展开说,从节能环保方面,一个就是我们在空调技术方面采用变频控制的技术,采用这种热循环的技术,采用新风调节的技术,通过这些技术来节省能量和能耗。根据目前初步的实验,大概能够节省能耗在20%-30%之间。
 
  第二个就是在牵引辅助供电系统方面,我们要发展以永磁同步电机直接驱动,简化驱动系统,降低传动噪音和重量,提高能源利用率。第三个就是关于能量回馈技术,要解决目前城市轨道车辆制动能量的回收利用问题,研究车载再生能量的储存设备,吸收再生反馈的剩余能量,降低能耗,另外我们要发展新型的储能系统,像超级电容电池等等,再就是研究制动能量回馈率和储能率评价和实验技术,优化制动分配管理及电制动发挥至零速技术,第四是智能的光感照明控制技术上研究智能光感照明系统,在保证客室照度的前提下,提高舒适性、降低能耗。
 
  第五个方面就是燃料电池的利用技术,利用氢燃料作为列车备用动力能源实现节能环保是我们下一步的一个发展方向。
 
  轻量化技术
 
  从轻量化而言,首先是车体,现在的车体是碳钢、不锈钢或者是铝合金,轻量化逐步在提升,但是轻量化一直是在列车的设计当中的一个永恒的课题,我们一直就在解决这个课题,每一个车都有这个矛盾,所以现在在研究像部分的或者整体的采用碳纤维以及复合材料等等在车体的主结构或者部分结构的使用,这个技术目前在国外也在进行相关的实验和试用,法国碳纤维的车体较铝合金车体减重25%之间,就是说合理的结构、合理的材料能够给我们车体未来的轻量化提供很大的空间,但是目前国内关于这方面特别是碳纤维方面的研究刚刚起步,我们也是在做一些初步的尝试,在高速列车的一些非关键地方做了试制,但是对于前车结构性的研究特别是和悬挂部件、支持部件以及车体的成型以及故障状态下车体的修复技术现在还有一些技术上的挑战,这是车体的轻量化。
 
  说到车体,刚才马云双马总也提到了,它还有其他的方向的技术,我们正将其作为关注点在着力突破,一个就是激光复合焊不锈钢车体,从设备、工艺上它实现的可能性不是特别大,这也就是世界上目前没有采用全不锈钢焊接车体的原因,我们现在正在尝试一些单元的激光焊的实验,形成一个充分发挥激光焊优势的地铁车辆。另外就是不涂装摩擦搅拌焊铝合金车体,搅拌摩擦技术现在在世界上不是一个很新的东西,但是要实现它的不涂装就是一个很大的挑战,它表面的拉丝处理,焊缝表面质量以及车体的变形都是很重要的技术,也是很艰巨的挑战,采用这样的车体一方面可以降低铝合金残余应力,免维护,这样两种车体都是要维护的,对用户而言也是有很大的经济价值的,所以这方面我们也正在进行突破,特别是像前搅拌摩擦焊的车体,我们的样车今年年底就会出来,我们准备在140公里城际列车上进行试用。
 
  转向架有几个方面能实现轻量化,一个是采用永磁同步电机的轴驱,取消变速箱及联轴节,简化转向架动力驱动系统,实现轻量化设计,另外就是采用空心车轴、波壁大断面承载结构,降低转向架部件重量。从新材料方面而言,我们要研究铝合金、高分子聚合材料等新材料在转向架部分部件的结构设计技术。
 
  从内饰结构而言,一种是新的内饰结构实现多功能的模块化的集成结构,另外是研究基于泡沫夹芯复合材料、纳米铝合金材料在内饰结构上的应用。
 
  安全可靠
 
  从安全可靠性而言有很多的技术,一个是要发展列车的在线预警技术,采用实时智能的列车状态感知、监测和高精度定位追踪技术,对列车各关键系统实时状态监测、诊断和预警,提高安全可靠性。另外一个方面就是关于列车的背后安全防护,把列车的防撞击结构从传统的靠防滑器来防滑做到车体结构参与性能变形的新理念,这个防滑器的防滑理论是基于齿轮能够接触才有防滑的功能,现在的城轨车辆大部分因为考虑都是很多流线化的造型,所以我们要把现代的撞击技术应用到城轨车辆上,以此来发展新的耐冲击车体结构。
 
  提升服务品质技术
 
  从提高成员的舒适性而言,因为生活水平的提高,我们不再是简单的上下班概念,也不希望所有的人拿这么多钱的情况下每天挤成沙丁鱼,都希望坐的舒服一点,综合考虑乘客各方面的因素,结合PMV和PPD的理念,建立符合国情的室内热舒适性的评价体系,另外一个是优化控制策略,动态的调整舒适性的设定参数,像温度、新风量,根据外部的环境和载客量的变化进行调节,同时要采用节能的设备,广泛采用节能技术,像空气制冷机组、前热交换器等等。
 
  在信息化和智能化方面,要利用工业以太网的技术,在目前已有的列控网技术上构建多网融合的一体化列车网络,集成服务系统的功能,实现各个系统的数据共享和实时响应。
 
  适用性
 
  工业多网融合能够有效的提升列车的控制和服务水平,采用基于4G网络传输的系统,为乘客提供各种现代通讯服务,同时要发展智能化的检修维护服务系统,实施在线的监测、在线的诊断。从适应性上讲,我们现在发展双流制的车辆技术。
 
  南车四方与城轨交通
 
  最后简单的说一下我们四方厂一些主要的产品,一个是我们现在已经有各种形式的A型车、B型车以及C型车等等,技术特点是非常鲜明的,另外特别是我们现在已经在广州大量运用的直线电机车辆。市域车方面,我们在城际列车塞诺瓦(英译)的平台下采用系列开发的概念,有200公里速度等级的,160公里速度等级的,120公里速度等级的三种车型,这三种车型都具有大载客量、快起快停、快速沉降、快速通过、安全可靠的特点,它服务的载客量、加速减速的性能和地铁是一致的,它另外的特点就是它既可以长距离的运行也可以短时运行,更加有利于将来城市轨道网络的规划。我们有满足干线铁路互联互通的产品,前面两种产品200、160的已经出来了,140的过两个月就出来了,另外就是符合微型地铁的140到160公里的1500、15000兼容的市域轨道车辆大概在年底也会出来。再就是有轨电车刚才马总已经介绍了,我们有各种形式的有轨电车,样机也出来了,我们也做了储能的设备和新燃料的设备,供电技术也都完成了,准备在有轨电车的样车上技术实施。另外我们准备了两种形式的跨坐式的单轨车辆,同时我们也正在研制空中吊挂式的单轨列车。
 
  基于前面的这一系列的技术分析,我们总结了未来技术发展的一些理念,永磁同步牵引传动、轻质高强度车体等等一系列的概念我们正在研制,我们称之为下一代地铁车辆的样车,把我们刚才说到的新的技术整合到这些车上,作为我们下一步的研发的基础。
 
  我的汇报就这么多,谢谢大家!
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市场周刊
2021-02
出刊日期:2021-02
出刊周期:每月
总481期
出刊日期:(2014 07 08)
出刊周期:每周