南京地鐵車輛設(shè)計審查要點

摘　要　地鐵車輛的設(shè)計影響到地鐵的今后運營與維修,因此把好設(shè)計關(guān)十分重要。在參與南京地鐵與ALSTOM 的設(shè)計聯(lián)絡(luò)中,就設(shè)計過程中的車輛制動,電磁兼容,設(shè)備安裝及與其他系統(tǒng)接口等問題進(jìn)行了總結(jié)。用戶與制造商應(yīng)在設(shè)計階段加強(qiáng)協(xié)商與交流,以提高車輛的可靠性與適用性。
關(guān)鍵詞　地鐵車輛,設(shè)計審評,電磁適應(yīng)性

目前國內(nèi)A 型地鐵車輛均由國外車輛制造商設(shè)計并制造,技術(shù)上總體來說是成熟、可靠的,然而在投入運行后都發(fā)現(xiàn)了很多問題。其主要原因是: 車輛制造商對地鐵運營的經(jīng)驗不足,對用戶的系統(tǒng)配套設(shè)備也不完全了解;車輛制造商出于自身利益會較多地考慮制造成本和項目執(zhí)行的便利;制造商的水平也是通過一個個項目的實踐逐步提高的。作為用戶,不能過多地依賴車輛制造商,而應(yīng)在車輛的設(shè)計過程中就從運營和維修角度嚴(yán)格審查車輛制造商提供的圖紙和文件,以減少給日后的運營維護(hù)帶來的不便。本文作者參加了南京地鐵與ALSTOM 的設(shè)計聯(lián)絡(luò)與審查。現(xiàn)將審查要點與體會整理出來,供國內(nèi)地鐵同行在車輛設(shè)計中參考。
1 　車輛在運輸過程中的問題
1. 1 　運輸過程中的制動要求
地鐵車輛通過國內(nèi)鐵道線路運輸時,為保證車輛運輸過程的安全性,鐵路運輸部門對車輛空氣制動有要求(即對守車的制動力有規(guī)定要求) 。在設(shè)計中,應(yīng)考慮地鐵列車制動風(fēng)管在鐵路運輸中與鐵路車輛風(fēng)管的連通問題。地鐵車輛可以參與、也可以不參與鐵道車輛的制動。由于地鐵車輛的制動系統(tǒng)和鐵道車輛不同,牽引機(jī)車不易控制,所以通常采用不參與的方式,在地鐵車輛的每輛車上增設(shè)一個截斷塞門。上海軌道交通3 號線(明珠線一期) 車輛由于在設(shè)計中沒有考慮這一問題,在鐵路運輸中出現(xiàn)麻煩。經(jīng)過協(xié)商后,采用140 m 的軟管跨過6 節(jié)地鐵車輛來連接干線列車的前后車輛,以保證與守車制動管相連,滿足整列車的制動性能。南京地鐵在與ALSTOM 設(shè)計聯(lián)絡(luò)時提出了這一問題。經(jīng)過協(xié)商,每輛車在主風(fēng)管與空氣制動設(shè)備之間增設(shè)了一個截斷塞門,以滿足運輸過程中的制動要求。
1. 2 　車輛在隧道內(nèi)的救援方式
由于隧道內(nèi)的空間比較狹小,車輛在脫軌后復(fù)位相對比較困難,應(yīng)考慮在車輛的1、2 位端部牽引梁處設(shè)計車輛脫軌復(fù)位頂車裝置。為方便在隧道外的車輛復(fù)位,在轉(zhuǎn)向架的兩側(cè)邊梁處也應(yīng)考慮復(fù)位頂車裝置。
1. 3 　車輛在隧道內(nèi)的制動手動緩解
南京地鐵的隧道內(nèi)沒有維修通道,維修人員不能到車下進(jìn)行操作,當(dāng)列車由于制動故障停車后需要手動緩解時只能在車上操作。ALSTOM 最初的設(shè)計將制動緩解閥的操作手柄設(shè)置在轉(zhuǎn)向架上。南京地鐵在設(shè)計聯(lián)絡(luò)時堅決要求ALSTOM 將制動緩解閥的操作手柄設(shè)置在車內(nèi)。ALSTOM 最后同意修改設(shè)計,將操作手柄設(shè)置在二位端B 側(cè)電氣柜上,如圖1 所示。
　
2 　電磁兼容性要求
電磁兼容性要求的范圍涉及車載設(shè)備、信號設(shè)備、通信設(shè)備、供電設(shè)備、附近設(shè)備、鄰區(qū)外部設(shè)備及乘客的物品和器具等。所有的車載設(shè)備應(yīng)能在地鐵線路的電磁環(huán)境中可靠工作,功能和性能不受影響, 并且不影響地鐵線路的其他設(shè)備系統(tǒng)。

圖1 　南京地鐵車輛制動緩解閥
　　電磁干擾因素有輻射干擾、感應(yīng)干擾、傳導(dǎo)干擾、靜電釋放等4 種。供貨商應(yīng)該在設(shè)計開始時提交一份至少要包括下列內(nèi)容的EMC(電磁適應(yīng)性) 計劃: EMC 組織機(jī)構(gòu)、人員和資質(zhì);在整個合同期間擬采取的總體方法和步驟、進(jìn)度計劃;對EMC 要采取的詳細(xì)方法和步驟; 說明設(shè)計中應(yīng)考慮的射頻干擾和敏感性設(shè)備; 說明對電磁干擾敏感的系統(tǒng)之間的接口和達(dá)到EMC 的方法。在設(shè)計階段,車輛制造商應(yīng)該提交一份EMC 設(shè)計審核文件。該文件要說明如何滿足輻射電磁干擾、磁場、感應(yīng)式干擾、傳導(dǎo)干擾、信號兼容性、通信兼容性等要求。為確保和表明EMC 符合標(biāo)準(zhǔn),要求車輛制造商編制一份綜合測試計劃。測試按照車輛級和設(shè)備級進(jìn)行。測試后應(yīng)提供實驗報告,并將所有測試結(jié)果、計算、理論分析和設(shè)計研究組合到一份文件,表明EMC 全面符合標(biāo)準(zhǔn),并將該文件呈交用戶。
3 　車輛設(shè)備的要求
3. 1 　蓄電池箱的設(shè)計及安裝位置
蓄電池的檢查周期正常情況下為3 個月。蓄電池組為80 單元左右。由于檢查是逐個單元進(jìn)行的,箱體的設(shè)計應(yīng)考慮便于檢查和加液。ALSTOM 原來提供給南京地鐵的方案是固定式的,檢修時需在平交道上進(jìn)行,在可升降的專用小推車的協(xié)助下將整個箱體卸下來。整個過程費時又費力。后來經(jīng)過協(xié)商和談判將蓄電池箱設(shè)計成帶滾動支架的可抽拉式,不需工具就能拉出。
3. 2 　電氣設(shè)備箱/ 電氣柜的設(shè)計
設(shè)備箱的設(shè)計應(yīng)該考慮檢修的方便性、可測試性、可互換性,同時還應(yīng)該考慮拆卸的時間和所需的專用工具。AL STOM 提供給南京地鐵牽引設(shè)備箱和輔助逆變器箱的方案中采用了螺栓固定方法,打開箱門約需5 min 。雖然從安全的角度這樣可保證維修人員不受電擊的傷害,但增加了維修人員的工作強(qiáng)度。另外,AL STOM 在設(shè)備箱/ 電氣柜布置設(shè)計中對零部件的檢查、測試和更換的方便性考慮不夠充分,增加了檢修的難度。如客室內(nèi)Ⅱ 位端右側(cè)電氣柜的下部由于安裝了滅火器,難以接近進(jìn)行檢修和更換下部的電氣零部件; 左側(cè)電氣柜的下部由于檢查門比較小,難以接近進(jìn)行檢修和更換安裝在側(cè)墻上的零部件; 司機(jī)室電氣柜內(nèi)的部分電氣元器件的布置接近地板面,維修人員需匍匐在地進(jìn)行檢修和更換。南京地鐵在設(shè)計聯(lián)絡(luò)和審查中提出了這些問題。由于這些設(shè)計涉及AL S TOM 的已定型部件產(chǎn)品和客室/ 司機(jī)室布置,若要修改,對交貨期會有影響。經(jīng)過協(xié)商,南京地鐵沒有堅持要求修改。
3. 3 　電氣絕緣( 車頂絕緣距離)
車輛頂部與接觸網(wǎng)之間的電氣絕緣距離必須滿足GB 50157 -92 《地下鐵道設(shè)計規(guī)范》第8. 3. 14 條(當(dāng)時GB 50157 -2003 尚未頒布) 或IEC 913 -1988 《電力牽引架空線》第2. 1. 6 條。即對于接觸網(wǎng)標(biāo)稱電壓為1 500 DC 的地鐵車輛,車體與線路帶電部分(接觸網(wǎng)) 之間的最小間隙在靜態(tài)狀態(tài)下不小于150 mm , 在動態(tài)狀態(tài)下不小于100 mm 。ALSTOM 在投標(biāo)階段的設(shè)計方案中車頂(帶受電弓和空調(diào)單元) 與接觸網(wǎng)之間的間隙在靜態(tài)狀態(tài)下為93 mm 、在動態(tài)狀態(tài)下為60 mm 。雖然ALSTOM 說明該設(shè)計符合法國標(biāo)準(zhǔn)NF F60 -101 《鐵路車輛絕緣配合2裝置和設(shè)備上空氣絕緣距離和爬電路徑》,但南京地鐵堅持要求修改設(shè)計以滿足IEC 913 -1988 的規(guī)定。為此, AL2 STOM 通過降低空調(diào)的高度滿足了這一要求。
3. 4 　蓄電池熔斷器的位置
為了防止蓄電池熔斷器的更換帶電操作,蓄電池的隔離開關(guān)應(yīng)該設(shè)置在蓄電池與熔斷器的中間,以使兩者隔離。ALSTOM 的設(shè)計沒有考慮到這一細(xì)節(jié), 將隔離開關(guān)設(shè)置在熔斷器和蓄電池的外側(cè),如圖2 所示。這樣的設(shè)置將導(dǎo)致熔斷器的更換帶電操作。

圖2 　原AL STOM 設(shè)計車輛隔離開關(guān)位置圖
　
3. 5 　電子控制單元的維修接口
控制單元是列車的神經(jīng)元,一旦出現(xiàn)故障通常會影響列車的正常運行。為了能夠快速下載部件的故障信息進(jìn)行故障分析和處理,最好在車上設(shè)置牽引、輔助、制動等電子控制單元的維修接口。而AL2 STOM 為南京地鐵設(shè)計的車輛上這些電子控制部件及其維修接口只設(shè)置在車體下面。當(dāng)列車因故障停在隧道內(nèi)時,無法到車下讀取數(shù)據(jù),因為隧道內(nèi)沒有維修通道。當(dāng)然,大多數(shù)故障處理與數(shù)據(jù)下載的工作按運營規(guī)則是不會安排在運營線路上進(jìn)行的。
3. 6 　司機(jī)顯示器
司機(jī)顯示器(DDU) 在列車運行中的主要功能是給司機(jī)顯示列車的基本運行數(shù)據(jù)、故障和評估,以及列車狀態(tài)信息,司機(jī)也能通過鍵盤或觸摸屏發(fā)送控制指令。如何最大限度利用顯示器為運行服務(wù), 需要充分調(diào)研列車司機(jī)的需求,了解各系統(tǒng)在各種故障情況下DDU 應(yīng)該有何提示和報警信息。
3. 7 　事件記錄儀
為了方便故障分析和調(diào)查不正常事件產(chǎn)生的原因,列車上通常設(shè)有事件記錄儀。不正常事件的發(fā)生通常是突發(fā)性的,有可能是列車故障引起的,也可能是人為因素,另外也可能是列車故障后司機(jī)的不當(dāng)措施引起的。事件記錄儀的功能要達(dá)到記錄列車各系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)和司機(jī)的操作(即按鈕和開關(guān)的狀態(tài)) 。事件記錄儀的設(shè)置可謂“ 養(yǎng)兵千日,用兵一時”。為了有效記錄列車各系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)和司機(jī)的操作,并最終幫助事件調(diào)查人員提供有價值的數(shù)據(jù),最好采用實時記錄數(shù)據(jù)的方式,將列車一天的狀態(tài)信息記錄下來。若結(jié)束一天的運營后不需要下載這些信息,則第二天這些信息將被更新。南京地鐵在合同談判階段對事件記錄儀沒有詳細(xì)的要求。在項目執(zhí)行階段,AL STOM 提供的方案是采用事件觸發(fā)進(jìn)行記錄的方式,僅有三個觸發(fā)條件: ① 司機(jī)按下緊急制動按鈕或A TC 實施緊急制動; ② 緊急制動接觸器電路狀態(tài)從有電轉(zhuǎn)變至無電; ③ 電路維護(hù)測試電路狀態(tài)轉(zhuǎn)變。在設(shè)計聯(lián)絡(luò)階段,經(jīng)過協(xié)商,又增加了9 個觸發(fā)條件。雖然考慮的范圍擴(kuò)大了,但由于存儲器的容量限制,事件記錄的數(shù)量有限,當(dāng)列車在某天觸發(fā)事件記錄儀進(jìn)行記錄的故障出現(xiàn)的次數(shù)較多時,事件記錄儀的記錄可能會溢出。
4 　與其它系統(tǒng)的接口
4. 1 　車輛與信號系統(tǒng)的接口
車輛與其它系統(tǒng)之間的接口要考慮功能接口和物理接口兩個方面。其中車輛與信號系統(tǒng)的A TC 之間的功能接口比較復(fù)雜,主要有數(shù)字信息交換接口類型及協(xié)議、列車制動動態(tài)參數(shù)與A TC 控制列車停車精度之間的配合、列車制動沖擊極限的控制權(quán)、駕駛模式的轉(zhuǎn)換、零速信號的來源、無人自動折返功能的實現(xiàn)、兩個系統(tǒng)的牽引/ 制動力矩電流環(huán)的一致,等等。為了在項目執(zhí)行階段避免因解決接口問題而增加費用,應(yīng)該在后招標(biāo)、后確定的合同確定之前將接口問題談好,形成詳細(xì)的接口技術(shù)規(guī)格。因為不同的供貨商有不同的設(shè)計理念和不同的配套產(chǎn)品,當(dāng)出現(xiàn)矛盾時,為了維護(hù)自身的利益,都不愿修改設(shè)計和產(chǎn)品。如果沒有合同條款的約定,勢必在推諉中延誤項目的執(zhí)行。
4. 2 　車輛與無線通信的接口
車輛與無線通信之間的接口需要確定控制中心(OCC) 對客室廣播的優(yōu)先權(quán)問題。即OCC 對客室的廣播是自動的,還是由司機(jī)控制。如果用戶希望通過車輛與無線通信之間的數(shù)字接口將車輛的故障數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)絆CC 和車輛基地,以縮短車輛的維修時間,提高車輛的利用率,一定要在地鐵項目總體規(guī)劃中確定并在車輛合同中明確這一功能需求,并確定兩個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口及協(xié)議。若有此功能接口,可利用該數(shù)據(jù)接口在OCC 將服務(wù)信息和廣告信息即時傳輸?shù)杰囕v內(nèi)的旅客信息顯示屏上。
4. 3 　車輛與供電系統(tǒng)的接口
車輛與供電系統(tǒng)之間的接口需要考慮遠(yuǎn)期高峰小時變電所的容量、受電弓與接觸網(wǎng)的匹配、電磁兼容等問題。每個問題都需要兩個供貨商認(rèn)真、細(xì)致地配合。如受電弓和接觸網(wǎng)之間的匹配不僅要考慮受電弓的尺寸、材料、受流能力,還需要校核列車在靜止時受電弓的最大受流能力是否足夠。最大受流能力除與受電弓碳條的數(shù)量、尺寸、單位受流能力有關(guān)外,還與接觸網(wǎng)的數(shù)量(單線、還是雙線) 有關(guān)。即要考慮是單線受流還是雙線受流。這一問題容易被忽略。
4. 4 　車輛與土建的接口
車輛與土建之間的接口需要考慮限界,輪軌匹配(如車輪踏面外形與鋼軌外形匹配、車輪與鋼軌的硬度匹配、軌底坡),線路曲線,線路最大坡度,等等。
4. 5 　其它
除了以上問題,還應(yīng)該注意一些細(xì)節(jié)問題。如: 司機(jī)室側(cè)門鎖和司機(jī)室隔門緊急解鎖機(jī)構(gòu)是否利于操作;內(nèi)部玻璃窗的四周是否全部進(jìn)行了密封;客室側(cè)門機(jī)構(gòu)蓋板開啟是否方便;元器件的編碼是否便于維修人員判斷故障范圍等問題。地鐵車輛設(shè)計的好壞影響到地鐵今后的運行安全、運營與維修的成本,所以一定要把好設(shè)計關(guān),科學(xué)論證、仔細(xì)審查,力求實現(xiàn)地鐵車輛的安全性高、可靠性高、可利用性高和低成本的“三高一低”目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)
1 　GB 50157 -92 地下鐵道設(shè)計規(guī)范
2 　沙　斐. 機(jī)電一體化系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù). 北京:中國電力出版社,1999