深圳市轨道交通二期工程11号线车辆制式的选择叶芹禄，傅萃清（铁道第四勘察设计院，Wuhan，China）摘要：文章阐述了深圳市轨道交通二期工程11号线项目特点，介绍了城市铁路的主要特征，论述了车辆制式选择的基本原则和方法，提出了A+概念车，创新了设计。关键词：深圳市轨道交通二期工程 11号线 车辆制式 选择 深圳市轨道交通二期工程11号线贯穿深圳市第一、二城市圈层，连接城市总体规划中的西、中、东及东部沿海四条发展轴，是深圳市的物流中心、高新区、大学城和中心城镇各组团之间的快速联系通道，同时也是地铁主干线路1、2、3、4号线和快速轻轨6、8、12号线的客流喂给线。1. 深圳市轨道交通二期工程11号线的特点11号线有别于现有的城市轨道交通工程项目，也不同于国铁，有如下显著的特点：(1) 利用平南铁路富裕的能力和资源，组织开展城市轨道交通运输，为铁路参与城市轨道交通服务提供合作的契机，同时还要兼顾平南铁路客货运输的发展。(2) 除了雪岗站、平湖站、塘坑站为高架站外，其余车站均为地面站。(3) 全线远期线路长度约为50km，本次研究的深圳西站至塘坑站线路长度36.48km，车站数目为12个，不开放预留站时平均站间距为4.053km，最大站间距为6.63km（雪岗站～上李朗站），最小站间距为1.75km（西丽站～龙珠站）。从站间距离看，远比一般地铁或轻轨长。(4) 由于线路敷设方式为地面和少量高架两种，车体尺寸及供电制式的选择对土建投资影响不大。鉴于以上特点，设计将11号线定位为“城市铁路”。2003年1月28日，国内第一条被定位为城市铁路的城市轨道交通线路北京13号线全线贯通并投入运营，它是北京市城市轨道交通线网规划的一部分。城市铁路应该具备如下特征：(1) 线路贯穿城市且处于城郊，其功能和定位为连接卫星城镇，促进统一协调的发展。(2) 列车基本上运行在地面上，有部分高架站。(3) 车站间距较大。(4) 平均时速（即旅行速度）较高。如香港的九广，其列车为EMU,最高运行速度达到135km/h。(5) 满足城市交通客流输送需要，系城市轨道交通线网规划的组成部分。2. 车辆制式的选择车辆型式按车体宽度可分A、B、C三类车型；按牵引系统可分直流车、交流车（VVVF）；按车体材料可分耐候钢车、不锈钢车和铝合金车；按受电方式可分受电弓和受流器受电的车辆；按电压等级可分DC1500V、DC750V、AC25kV。车辆的选型应根据工程设计的客流量、行车密度、线路条件、供电电压、气象条件、车辆与备品来源、产品价格和维修能力等因素综合比较确定。(1) 受电制式从供电工程经济性角度来说城市轨道交通供电电压等级越高越有利，但是直流750V、直流1500V有不同的适应性。采用第三轨供电方式时用直流750V就比较安全，而采用架空接触网供电方式时用直流1500V就更经济，但是对城市景观有影响，也不适宜在台风多发地应用。从国内外铁路及城市轨道交通所采用的车辆受电制式看，大体有AC25kV 50Hz，AC15kV 16 2/3 Hz，DC3000V和DC1500V（DC750V）几种，还有在欧洲国家之间开行的双流制或多流制列车车辆（车辆可同时适应AC25kV 50Hz和DC1500V受电方式），都有成功的应用。对不同的供电制式，车辆都可以适应，但是交流AC25kV 50Hz受电的车辆其牵引、电气传动系统比较复杂，需要进行变压、整流、逆变三次电能变换，绝缘要求也较高，总的制造成本较高；而直流DC1500V受电的车辆其牵引、电气传动系统简单，只需逆变一次电能变换，车辆制造成本较低，其缺点是网压较低，电流密度大，电能损耗大，线路建设成本较高，且存在“迷流”对轨道、建筑及附近设施的腐蚀等危害。鉴于AC25KV供电制式的优势并结合深圳市轨道交通二期工程11号线利用既有平南铁路的特点，本设计采用AC25KV的供电方案。可以较好地解决平南铁路客货运输和城市轨道交通运输共线运营的兼容性问题，兼顾今后平南铁路客货运输增长引起的电气化改造，减少投资，为平南铁路和城市轨道交通的双赢合作提供良好的契机。供电制式在经过综合比较确定后，车辆受电方式及具体的车辆电气系统结构就只是如何适应的问题了。本设计采用AC25KV架空接触网供电的受电弓车辆。(2) 车体尺寸11号线系利用既有平南铁路改造成为满足城市轨道交通功能、兼营铁路客货运输的系统，全线采用地面和高架两种敷设方式。为充分利用平南铁路限界空间，提高单车载客容量，降低人·公里车辆造价，兼容平南铁路站台至线路中心的距离，设计采用铁路客车车辆的宽度、长度系列（长度24400～25500mm，宽度3104～3200mm）。这样一种概念的城市轨道交通车辆与《城市轨道交通建设标准》中所述的A、B、C类型不同，设计暂且将它命名为A+车。严格地说，A+车辆不能等同于传统的铁路客车车辆。其动力组成方式（采用EMU方式）、地板面高度、车门数量和控制系统、座椅布置、客室内设备布置与装饰、制动系统、牵引传动系统、转向架、轮对轮径、运行控制系统等均与现行城市轨道交通车辆相类似，只是其车辆尺寸比《城市轨道交通建设标准》中的A型车辆略大，为便于理解和分类，顾名思义取之为A+。(3) 车体材料车体材料的选择直接影响列车重量，列车重量又直接影响土建投资。车体材料的选择尚应结合当地的气候条件以及车辆的可维护性，结合不同材料的可加工性能、价格、市场供给等情况。目前，可供选择的车体材料有三类：耐侯钢、不锈钢、铝合金。随着新材料的出现和材料制作工艺以及加工技术装备的不断发展，耐侯钢车体已经逐渐被不锈钢、铝合金车体所取代。1) 几种主要车体材料在国内外城市轨道交通车辆中的应用从目前国内车体材料的应用情况看，三种材料都有应用。天津滨海轻轨是我国第一条采用不锈钢车体材料的线路，它主要考虑了该线所处的特殊环境条件（空气中含盐量较高），其他的如广州、武汉、上海、南京、重庆等地均采用了铝合金作为车体材料。从国际情况看，日本的日立、欧洲等公司都已经不再生产不锈钢车辆，韩国地铁发展初期采用不锈钢车体材料为主，现在也逐步发展铝合金车体。应该说铝合金车体材料的应用在国际范围讲应该说是一个趋势。2) 材料价格的比较在原材料价格上，不锈钢板材价格大概为3万元/t，铝合金型材的价格4万左右，铝合金价格稍高。但由于车体所用的1.5、1.2、0.8mm等规格的不锈钢板材目前国内尚无合格的供货商，仍然需要从韩国和日本进口，而我国目前对从韩国、日本等国家进口的不锈钢都征收20%的惩罚性关税和17%的增值税；另外，车体上还需要根据承载结构等不同要求设置加强筋，国内企业的不锈钢板压筋加工工艺尚不成熟，需要由厂家设计好各种筋板后，交由国外厂商加工，加工费用、运输费用也很高，因此，不锈钢的实际价格和铝合金材料相比已经没有优势。3) 车体重量的比较从重量上比较，由于铝合金的比重仅为不锈钢的三分之一略小，具有明显的优势。虽然因为铝合金的强度、刚度性能稍差，在结构上需要补强，在设计方法、加工工艺等方面还缺乏足够的经验，设计上还是比较保守，同样是铝合金车体，国内厂家设计生产的车体重量比日本、韩国等先进国家生产的车体重很多，但是仍然比不锈钢车体要轻约四分之一。4) 材料加工工艺的比较从可加工性看，铝合金型材结构设计好后，可以整体进行开门、开窗、冲压成型（空调座等特殊结构）等工序，自动化程度更高，加工更精确。采用整体焊接工艺，使得车体密封性能更好。和铝合金相比，由于不锈钢车体需要按不同的结构，局部点焊成型后，再拼装，加工工艺复杂，精确度不高，密封性能差。5) 车体材料的选择应该说，铝合金车体将以重量轻、材料加工工艺性好、材料供应等方面的优势，以及耐腐蚀性好、表面平整度高、免维护等诸多优点引领轨道交通车体材料的新潮流。尽管铝合金车体如上优点，但业界仍然有不同的意见和看法。针对韩国大邱地铁火灾事故，有专家曾认为是铝合金的助燃特性助长了灾情的蔓延，这在技术上并没有充足的依据。有一点是肯定的，即：在严重火灾条件下，不管是铝合金还是不锈钢，造成的破坏程度差不多，只是铝合金由于熔点稍低，后果可能更严重。南京地铁1号线车体材料选择方案在参加工程设计评审的专家当中引起争论，在深圳轨道交通二期工程预可评审过程中也有专家对铝合金材料提出了自己的看法。笔者认为，从技术层面说，不锈钢、铝合金有各自的优缺点，难分伯仲，应用在轨道车辆中都没有问题。目前国内具备城市轨道交通车辆整车供应能力的制造商主要有：长春-长客庞巴迪轨道车辆有限公司、长春轨道客车股份有限公司、南京浦镇车辆厂、株洲电力机车厂、青岛四方机车车辆股份有限公司、大连机车车辆厂、上海阿尔斯通交通设备有限公司、湘潭电机股份有限公司、北京地铁总公司地铁车辆厂。除了长春厂同时具备三种车体材料的生产能力外，其他工厂暂时还只是单一的生产能力（只生产铝合金或只生产不锈钢车体），从日后车辆承建商招标的公平性角度，建议在工程的车辆选型阶段不指定车体材料，而是在用户需求书中，由用户（市场主体）做出具体选择。但是，设计方面应该对不同车体材料对影响工程建设的因素有准确的预计。(4) 牵引传动系统1) 牵引传动系统的发展历程众所周知，蒸汽机的出现开辟了工业革命的新时代，随后，交通领域的动力又逐渐被内燃机车和电力机车所取代。大功率硅整流技术的出现，使电传动内燃机车和电力机车的传动型式从直—直传动(直流发电机或直流供电→直流电动机)，很自然地被更优越的交—直传动(交流发电机或交流供电→硅整流→直流电动机)所取代。随着大功率的晶闸管特别是大功率可关断晶闸管(GTO)的出现和微机控制技术等的发展，20世纪70年代以后出现的交—直—交传动(交流发电机或交流供电→硅整流→逆变器→交流电动机)，即所谓的交流传动，又很自然地取代了交—直传动。2) 牵引传动系统的选择电力电子器件和微电子技术的飞速发展带动了地铁、轻轨车辆电气传动系统的迅速发展。就主传动系统而言，从牵引电机来看，目前可分为直流电机传动和交流电机两种，直流电机的调速方案主要有凸轮调阻、斩波调压两种，交流电机的调速方案主要有调频调压(VVVF，Variable-voltage variable-frequency)，控制理论有矢量控制、直接转矩控制等。人们很早认识到交流传动的优越性。交流传动技术是一门综合技术，但其本质的特点是牵引电动机采用了交流异步电动机，其一系列的优点都是由此而表现出来的。交流传动所以成为现代轨道交通车辆发展的方向，正是由异步电动机的特点和优点所决定的。和传统的串激直流电动机驱动系统相比，交流异步电动机驱动系统的优越之处表现在构造简单、粘着性能好、功率大、牵引力大、可靠性高、维修简便、效率高、使用灵活性强、动力性能好、制动性能好、机械、绝缘、耐热、耐潮、重量尺寸等诸多方面。从目前我国地铁车辆技术应用情况看，除了北京地铁、上海一号线采用直流车，后来上马的广州、深圳、武汉等城市的轨道交通车辆均采用了交流车。综述之，深圳市轨道交通二期工程11号线车辆采用变频变压（VVVF）逆变器调速、鼠笼式三相异步电动机驱动的交流牵引传动系统。逆变器元件采用IGBT(或IGCT)功率元件。VVVF逆变器系统采用微机控制技术，具备自动诊断功能。每台动车4台牵引电机，采用架悬方式悬挂。考虑到其编组为2动2拖，为提高动力的可靠性，采用1C2M控制方式（即所谓的“架控方式”，提高可靠性 ）。叶芹禄 设备处车辆室高工 傅萃清城建院高工、副总工程师Tel：027-62826010，02751155416E-mail：hbyekinglo@163.com
