南京地鐵車(chē)輛設(shè)計(jì)審查要點(diǎn)

摘　要　地鐵車(chē)輛的設(shè)計(jì)影響到地鐵的今后運(yùn)營(yíng)與維修,因此把好設(shè)計(jì)關(guān)十分重要。在參與南京地鐵與ALSTOM 的設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)中,就設(shè)計(jì)過(guò)程中的車(chē)輛制動(dòng),電磁兼容,設(shè)備安裝及與其他系統(tǒng)接口等問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)。用戶(hù)與制造商應(yīng)在設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)協(xié)商與交流,以提高車(chē)輛的可靠性與適用性。
關(guān)鍵詞　地鐵車(chē)輛,設(shè)計(jì)審評(píng),電磁適應(yīng)性

目前國(guó)內(nèi)A 型地鐵車(chē)輛均由國(guó)外車(chē)輛制造商設(shè)計(jì)并制造,技術(shù)上總體來(lái)說(shuō)是成熟、可靠的,然而在投入運(yùn)行后都發(fā)現(xiàn)了很多問(wèn)題。其主要原因是: 車(chē)輛制造商對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)的經(jīng)驗(yàn)不足,對(duì)用戶(hù)的系統(tǒng)配套設(shè)備也不完全了解;車(chē)輛制造商出于自身利益會(huì)較多地考慮制造成本和項(xiàng)目執(zhí)行的便利;制造商的水平也是通過(guò)一個(gè)個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐逐步提高的。作為用戶(hù),不能過(guò)多地依賴(lài)車(chē)輛制造商,而應(yīng)在車(chē)輛的設(shè)計(jì)過(guò)程中就從運(yùn)營(yíng)和維修角度嚴(yán)格審查車(chē)輛制造商提供的圖紙和文件,以減少給日后的運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)的不便。本文作者參加了南京地鐵與ALSTOM 的設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)與審查。現(xiàn)將審查要點(diǎn)與體會(huì)整理出來(lái),供國(guó)內(nèi)地鐵同行在車(chē)輛設(shè)計(jì)中參考。
1 　車(chē)輛在運(yùn)輸過(guò)程中的問(wèn)題
1. 1 　運(yùn)輸過(guò)程中的制動(dòng)要求
地鐵車(chē)輛通過(guò)國(guó)內(nèi)鐵道線(xiàn)路運(yùn)輸時(shí),為保證車(chē)輛運(yùn)輸過(guò)程的安全性,鐵路運(yùn)輸部門(mén)對(duì)車(chē)輛空氣制動(dòng)有要求(即對(duì)守車(chē)的制動(dòng)力有規(guī)定要求) 。在設(shè)計(jì)中,應(yīng)考慮地鐵列車(chē)制動(dòng)風(fēng)管在鐵路運(yùn)輸中與鐵路車(chē)輛風(fēng)管的連通問(wèn)題。地鐵車(chē)輛可以參與、也可以不參與鐵道車(chē)輛的制動(dòng)。由于地鐵車(chē)輛的制動(dòng)系統(tǒng)和鐵道車(chē)輛不同,牽引機(jī)車(chē)不易控制,所以通常采用不參與的方式,在地鐵車(chē)輛的每輛車(chē)上增設(shè)一個(gè)截?cái)嗳T(mén)。上海軌道交通3 號(hào)線(xiàn)(明珠線(xiàn)一期) 車(chē)輛由于在設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮這一問(wèn)題,在鐵路運(yùn)輸中出現(xiàn)麻煩。經(jīng)過(guò)協(xié)商后,采用140 m 的軟管跨過(guò)6 節(jié)地鐵車(chē)輛來(lái)連接干線(xiàn)列車(chē)的前后車(chē)輛,以保證與守車(chē)制動(dòng)管相連,滿(mǎn)足整列車(chē)的制動(dòng)性能。南京地鐵在與ALSTOM 設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)時(shí)提出了這一問(wèn)題。經(jīng)過(guò)協(xié)商,每輛車(chē)在主風(fēng)管與空氣制動(dòng)設(shè)備之間增設(shè)了一個(gè)截?cái)嗳T(mén),以滿(mǎn)足運(yùn)輸過(guò)程中的制動(dòng)要求。
1. 2 　車(chē)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(chē)輛在脫軌后復(fù)位相對(duì)比較困難,應(yīng)考慮在車(chē)輛的1、2 位端部牽引梁處設(shè)計(jì)車(chē)輛脫軌復(fù)位頂車(chē)裝置。為方便在隧道外的車(chē)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(chē)裝置。
1. 3 　車(chē)輛在隧道內(nèi)的制動(dòng)手動(dòng)緩解
南京地鐵的隧道內(nèi)沒(méi)有維修通道,維修人員不能到車(chē)下進(jìn)行操作,當(dāng)列車(chē)由于制動(dòng)故障停車(chē)后需要手動(dòng)緩解時(shí)只能在車(chē)上操作。ALSTOM 最初的設(shè)計(jì)將制動(dòng)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(jì)聯(lián)絡(luò)時(shí)堅(jiān)決要求ALSTOM 將制動(dòng)緩解閥的操作手柄設(shè)置在車(chē)內(nèi)。ALSTOM 最后同意修改設(shè)計(jì),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(chē)載設(shè)備、信號(hào)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(chē)載設(shè)備應(yīng)能在地鐵線(xiàn)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(xiàn)路的其他設(shè)備系統(tǒng)。

圖1 　南京地鐵車(chē)輛制動(dòng)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(jì)開(kāi)始時(shí)提交一份至少要包括下列內(nèi)容的EMC(電磁適應(yīng)性) 計(jì)劃: EMC 組織機(jī)構(gòu)、人員和資質(zhì);在整個(gè)合同期間擬采取的總體方法和步驟、進(jìn)度計(jì)劃;對(duì)EMC 要采取的詳細(xì)方法和步驟; 說(shuō)明設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的射頻干擾和敏感性設(shè)備; 說(shuō)明對(duì)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(jì)階段,車(chē)輛制造商應(yīng)該提交一份EMC 設(shè)計(jì)審核文件。該文件要說(shuō)明如何滿(mǎn)足輻射電磁干擾、磁場(chǎng)、感應(yīng)式干擾、傳導(dǎo)干擾、信號(hào)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(chē)輛制造商編制一份綜合測(cè)試計(jì)劃。測(cè)試按照車(chē)輛級(jí)和設(shè)備級(jí)進(jìn)行。測(cè)試后應(yīng)提供實(shí)驗(yàn)報(bào)告,并將所有測(cè)試結(jié)果、計(jì)算、理論分析和設(shè)計(jì)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(hù)。
3 　車(chē)輛設(shè)備的要求
3. 1 　蓄電池箱的設(shè)計(jì)及安裝位置
蓄電池的檢查周期正常情況下為3 個(gè)月。蓄電池組為80 單元左右。由于檢查是逐個(gè)單元進(jìn)行的,箱體的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮便于檢查和加液。ALSTOM 原來(lái)提供給南京地鐵的方案是固定式的,檢修時(shí)需在平交道上進(jìn)行,在可升降的專(zhuān)用小推車(chē)的協(xié)助下將整個(gè)箱體卸下來(lái)。整個(gè)過(guò)程費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。后來(lái)經(jīng)過(guò)協(xié)商和談判將蓄電池箱設(shè)計(jì)成帶滾動(dòng)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(jì)
設(shè)備箱的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮檢修的方便性、可測(cè)試性、可互換性,同時(shí)還應(yīng)該考慮拆卸的時(shí)間和所需的專(zhuān)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(kāi)箱門(mén)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(jì)中對(duì)零部件的檢查、測(cè)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(mén)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(jì)聯(lián)絡(luò)和審查中提出了這些問(wèn)題。由于這些設(shè)計(jì)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(duì)交貨期會(huì)有影響。經(jīng)過(guò)協(xié)商,南京地鐵沒(méi)有堅(jiān)持要求修改。
3. 3 　電氣絕緣( 車(chē)頂絕緣距離)
車(chē)輛頂部與接觸網(wǎng)之間的電氣絕緣距離必須滿(mǎn)足GB 50157 -92 《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》第8. 3. 14 條(當(dāng)時(shí)GB 50157 -2003 尚未頒布) 或IEC 913 -1988 《電力牽引架空線(xiàn)》第2. 1. 6 條。即對(duì)于接觸網(wǎng)標(biāo)稱(chēng)電壓為1 500 DC 的地鐵車(chē)輛,車(chē)體與線(xiàn)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(dòng)態(tài)狀態(tài)下不小于100 mm 。ALSTOM 在投標(biāo)階段的設(shè)計(jì)方案中車(chē)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(dòng)態(tài)狀態(tài)下為60 mm 。雖然ALSTOM 說(shuō)明該設(shè)計(jì)符合法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NF F60 -101 《鐵路車(chē)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(jiān)持要求修改設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足IEC 913 -1988 的規(guī)定。為此, AL2 STOM 通過(guò)降低空調(diào)的高度滿(mǎn)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(kāi)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(jì)沒(méi)有考慮到這一細(xì)節(jié), 將隔離開(kāi)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(jì)車(chē)輛隔離開(kāi)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(chē)的神經(jīng)元,一旦出現(xiàn)故障通常會(huì)影響列車(chē)的正常運(yùn)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(chē)上設(shè)置牽引、輔助、制動(dòng)等電子控制單元的維修接口。而AL2 STOM 為南京地鐵設(shè)計(jì)的車(chē)輛上這些電子控制部件及其維修接口只設(shè)置在車(chē)體下面。當(dāng)列車(chē)因故障停在隧道內(nèi)時(shí),無(wú)法到車(chē)下讀取數(shù)據(jù),因?yàn)樗淼纼?nèi)沒(méi)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(yùn)營(yíng)規(guī)則是不會(huì)安排在運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路上進(jìn)行的。
3. 6 　司機(jī)顯示器
司機(jī)顯示器(DDU) 在列車(chē)運(yùn)行中的主要功能是給司機(jī)顯示列車(chē)的基本運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障和評(píng)估,以及列車(chē)狀態(tài)信息,司機(jī)也能通過(guò)鍵盤(pán)或觸摸屏發(fā)送控制指令。如何最大限度利用顯示器為運(yùn)行服務(wù), 需要充分調(diào)研列車(chē)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(bào)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(chē)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(chē)故障引起的,也可能是人為因素,另外也可能是列車(chē)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(chē)各系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)和司機(jī)的操作(即按鈕和開(kāi)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(shí)”。為了有效記錄列車(chē)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(jià)值的數(shù)據(jù),最好采用實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)的方式,將列車(chē)一天的狀態(tài)信息記錄下來(lái)。若結(jié)束一天的運(yùn)營(yíng)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(duì)事件記錄儀沒(méi)有詳細(xì)的要求。在項(xiàng)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(gè)觸發(fā)條件: ① 司機(jī)按下緊急制動(dòng)按鈕或A TC 實(shí)施緊急制動(dòng); ② 緊急制動(dòng)接觸器電路狀態(tài)從有電轉(zhuǎn)變至無(wú)電; ③ 電路維護(hù)測(cè)試電路狀態(tài)轉(zhuǎn)變。在設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)階段,經(jīng)過(guò)協(xié)商,又增加了9 個(gè)觸發(fā)條件。雖然考慮的范圍擴(kuò)大了,但由于存儲(chǔ)器的容量限制,事件記錄的數(shù)量有限,當(dāng)列車(chē)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(shí),事件記錄儀的記錄可能會(huì)溢出。
4 　與其它系統(tǒng)的接口
4. 1 　車(chē)輛與信號(hào)系統(tǒng)的接口
車(chē)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(gè)方面。其中車(chē)輛與信號(hào)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(lèi)型及協(xié)議、列車(chē)制動(dòng)動(dòng)態(tài)參數(shù)與A TC 控制列車(chē)停車(chē)精度之間的配合、列車(chē)制動(dòng)沖擊極限的控制權(quán)、駕駛模式的轉(zhuǎn)換、零速信號(hào)的來(lái)源、無(wú)人自動(dòng)折返功能的實(shí)現(xiàn)、兩個(gè)系統(tǒng)的牽引/ 制動(dòng)力矩電流環(huán)的一致,等等。為了在項(xiàng)目執(zhí)行階段避免因解決接口問(wèn)題而增加費(fèi)用,應(yīng)該在后招標(biāo)、后確定的合同確定之前將接口問(wèn)題談好,形成詳細(xì)的接口技術(shù)規(guī)格。因?yàn)椴煌墓┴浬逃胁煌脑O(shè)計(jì)理念和不同的配套產(chǎn)品,當(dāng)出現(xiàn)矛盾時(shí),為了維護(hù)自身的利益,都不愿修改設(shè)計(jì)和產(chǎn)品。如果沒(méi)有合同條款的約定,勢(shì)必在推諉中延誤項(xiàng)目的執(zhí)行。
4. 2 　車(chē)輛與無(wú)線(xiàn)通信的接口
車(chē)輛與無(wú)線(xiàn)通信之間的接口需要確定控制中心(OCC) 對(duì)客室廣播的優(yōu)先權(quán)問(wèn)題。即OCC 對(duì)客室的廣播是自動(dòng)的,還是由司機(jī)控制。如果用戶(hù)希望通過(guò)車(chē)輛與無(wú)線(xiàn)通信之間的數(shù)字接口將車(chē)輛的故障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絆CC 和車(chē)輛基地,以縮短車(chē)輛的維修時(shí)間,提高車(chē)輛的利用率,一定要在地鐵項(xiàng)目總體規(guī)劃中確定并在車(chē)輛合同中明確這一功能需求,并確定兩個(gè)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(shí)傳輸?shù)杰?chē)輛內(nèi)的旅客信息顯示屏上。
4. 3 　車(chē)輛與供電系統(tǒng)的接口
車(chē)輛與供電系統(tǒng)之間的接口需要考慮遠(yuǎn)期高峰小時(shí)變電所的容量、受電弓與接觸網(wǎng)的匹配、電磁兼容等問(wèn)題。每個(gè)問(wèn)題都需要兩個(gè)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(chē)在靜止時(shí)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(xiàn)、還是雙線(xiàn)) 有關(guān)。即要考慮是單線(xiàn)受流還是雙線(xiàn)受流。這一問(wèn)題容易被忽略。
4. 4 　車(chē)輛與土建的接口
車(chē)輛與土建之間的接口需要考慮限界,輪軌匹配(如車(chē)輪踏面外形與鋼軌外形匹配、車(chē)輪與鋼軌的硬度匹配、軌底坡),線(xiàn)路曲線(xiàn),線(xiàn)路最大坡度,等等。
4. 5 　其它
除了以上問(wèn)題,還應(yīng)該注意一些細(xì)節(jié)問(wèn)題。如: 司機(jī)室側(cè)門(mén)鎖和司機(jī)室隔門(mén)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(mén)機(jī)構(gòu)蓋板開(kāi)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(wèn)題。地鐵車(chē)輛設(shè)計(jì)的好壞影響到地鐵今后的運(yùn)行安全、運(yùn)營(yíng)與維修的成本,所以一定要把好設(shè)計(jì)關(guān),科學(xué)論證、仔細(xì)審查,力求實(shí)現(xiàn)地鐵車(chē)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(jì)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(guó)電力出版社,1999