摘 要 地铁车辆的设计影响到地铁的今后运营与维修,因此把好设计关十分重要。在参与南京地铁与alstom 的设计联络中,就设计过程中的车辆制动,电磁兼容,设备安装及与其他系统接口等问题进行了总结。用户与制造商应在设计阶段加强协商与交流,以提高车辆的可靠性与适用性。
关键词 地铁车辆,设计审评,电磁适应性
目前国内a 型地铁车辆均由国外车辆制造商设计并制造,技术上总体来说是成熟、可靠的,然而在投入运行后都发现了很多问题。其主要原因是: 车辆制造商对地铁运营的经验不足,对用户的系统配套设备也不完全了解;车辆制造商出于自身利益会较多地考虑制造成本和项目执行的便利;制造商的水平也是通过一个个项目的实践逐步提高的。作为用户,不能过多地依赖车辆制造商,而应在车辆的设计过程中就从运营和维修角度严格审查车辆制造商提供的图纸和文件,以减少给日后的运营维护带来的不便。本文作者参加了南京地铁与alstom 的设计联络与审查。现将审查要点与体会整理出来,供国内地铁同行在车辆设计中参考。
1 车辆在运输过程中的问题
1. 1 运输过程中的制动要求
地铁车辆通过国内铁道线路运输时,为保证车辆运输过程的安全性,铁路运输部门对车辆空气制动有要求(即对守车的制动力有规定要求) 。在设计中,应考虑地铁列车制动风管在铁路运输中与铁路车辆风管的连通问题。地铁车辆可以参与、也可以不参与铁道车辆的制动。由于地铁车辆的制动系统和铁道车辆不同,牵引机车不易控制,所以通常采用不参与的方式,在地铁车辆的每辆车上增设一个截断塞门。上海轨道交通3 号线(明珠线一期) 车辆由于在设计中没有考虑这一问题,在铁路运输中出现麻烦。经过协商后,采用140 m 的软管跨过6 节地铁车辆来连接干线列车的前后车辆,以保证与守车制动管相连,满足整列车的制动性能。南京地铁在与alstom 设计联络时提出了这一问题。经过协商,每辆车在主风管与空气制动设备之间增设了一个截断塞门,以满足运输过程中的制动要求。
1. 2 车辆在隧道内的救援方式
由于隧道内的空间比较狭小,车辆在脱轨后复位相对比较困难,应考虑在车辆的1、2 位端部牵引梁处设计车辆脱轨复位顶车装置。为方便在隧道外的车辆复位,在转向架的两侧边梁处也应考虑复位顶车装置。
1. 3 车辆在隧道内的制动手动缓解
南京地铁的隧道内没有维修通道,维修人员不能到车下进行操作,当列车由于制动故障停车后需要手动缓解时只能在车上操作。alstom 最初的设计将制动缓解阀的操作手柄设置在转向架上。南京地铁在设计联络时坚决要求alstom 将制动缓解阀的操作手柄设置在车内。alstom 最后同意修改设计,将操作手柄设置在二位端b 侧电气柜上,如图1 所示。
2 电磁兼容性要求
电磁兼容性要求的范围涉及车载设备、信号设备、通信设备、供电设备、附近设备、邻区外部设备及乘客的物品和器具等。所有的车载设备应能在地铁线路的电磁环境中可靠工作,功能和性能不受影响, 并且不影响地铁线路的其他设备系统。
图1 南京地铁车辆制动缓解阀
电磁干扰因素有辐射干扰、感应干扰、传导干扰、静电释放等4 种。供货商应该在设计开始时提交一份至少要包括下列内容的emc(电磁适应性) 计划: emc 组织机构、人员和资质;在整个合同期间拟采取的总体方法和步骤、进度计划;对emc 要采取的详细方法和步骤; 说明设计中应考虑的射频干扰和敏感性设备; 说明对电磁干扰敏感的系统之间的接口和达到emc 的方法。在设计阶段,车辆制造商应该提交一份emc 设计审核文件。该文件要说明如何满足辐射电磁干扰、磁场、感应式干扰、传导干扰、信号兼容性、通信兼容性等要求。为确保和表明emc 符合标准,要求车辆制造商编制一份综合测试计划。测试按照车辆级和设备级进行。测试后应提供实验报告,并将所有测试结果、计算、理论分析和设计研究组合到一份文件,表明emc 全面符合标准,并将该文件呈交用户。
3 车辆设备的要求
3. 1 蓄电池箱的设计及安装位置
蓄电池的检查周期正常情况下为3 个月。蓄电池组为80 单元左右。由于检查是逐个单元进行的,箱体的设计应考虑便于检查和加液。alstom 原来提供给南京地铁的方案是固定式的,检修时需在平交道上进行,在可升降的专用小推车的协助下将整个箱体卸下来。整个过程费时又费力。后来经过协商和谈判将蓄电池箱设计成带滚动支架的可抽拉式,不需工具就能拉出。
3. 2 电气设备箱/ 电气柜的设计
设备箱的设计应该考虑检修的方便性、可测试性、可互换性,同时还应该考虑拆卸的时间和所需的专用工具。al stom 提供给南京地铁牵引设备箱和辅助逆变器箱的方案中采用了螺栓固定方法,打开箱门约需5 min 。虽然从安全的角度这样可保证维修人员不受电击的伤害,但增加了维修人员的工作强度。另外,al stom 在设备箱/ 电气柜布置设计中对零部件的检查、测试和更换的方便性考虑不够充分,增加了检修的难度。如客室内ⅱ 位端右侧电气柜的下部由于安装了灭火器,难以接近进行检修和更换下部的电气零部件; 左侧电气柜的下部由于检查门比较小,难以接近进行检修和更换安装在侧墙上的零部件; 司机室电气柜内的部分电气元器件的布置接近地板面,维修人员需匍匐在地进行检修和更换。南京地铁在设计联络和审查中提出了这些问题。由于这些设计涉及al s tom 的已定型部件产品和客室/ 司机室布置,若要修改,对交货期会有影响。经过协商,南京地铁没有坚持要求修改。
3. 3 电气绝缘( 车顶绝缘距离)
车辆顶部与接触网之间的电气绝缘距离必须满足gb 50157 -92 《地下铁道设计规范》第8. 3. 14 条(当时gb 50157 -2003 尚未颁布) 或iec 913 -1988 《电力牵引架空线》第2. 1. 6 条。即对于接触网标称电压为1 500 dc 的地铁车辆,车体与线路带电部分(接触网) 之间的最小间隙在静态状态下不小于150 mm , 在动态状态下不小于100 mm 。alstom 在投标阶段的设计方案中车顶(带受电弓和空调单元) 与接触网之间的间隙在静态状态下为93 mm 、在动态状态下为60 mm 。虽然alstom 说明该设计符合法国标准nf f60 -101 《铁路车辆绝缘配合2装置和设备上空气绝缘距离和爬电路径》,但南京地铁坚持要求修改设计以满足iec 913 -1988 的规定。为此, al2 stom 通过降低空调的高度满足了这一要求。
3. 4 蓄电池熔断器的位置
为了防止蓄电池熔断器的更换带电操作,蓄电池的隔离开关应该设置在蓄电池与熔断器的中间,以使两者隔离。alstom 的设计没有考虑到这一细节, 将隔离开关设置在熔断器和蓄电池的外侧,如图2 所示。这样的设置将导致熔断器的更换带电操作。
图2 原al stom 设计车辆隔离开关位置图
3. 5 电子控制单元的维修接口
控制单元是列车的神经元,一旦出现故障通常会影响列车的正常运行。为了能够快速下载部件的故障信息进行故障分析和处理,最好在车上设置牵引、辅助、制动等电子控制单元的维修接口。而al2 stom 为南京地铁设计的车辆上这些电子控制部件及其维修接口只设置在车体下面。当列车因故障停在隧道内时,无法到车下读取数据,因为隧道内没有维修通道。当然,大多数故障处理与数据下载的工作按运营规则是不会安排在运营线路上进行的。
3. 6 司机显示器
司机显示器(ddu) 在列车运行中的主要功能是给司机显示列车的基本运行数据、故障和评估,以及列车状态信息,司机也能通过键盘或触摸屏发送控制指令。如何最大限度利用显示器为运行服务, 需要充分调研列车司机的需求,了解各系统在各种故障情况下ddu 应该有何提示和报警信息。
3. 7 事件记录仪
为了方便故障分析和调查不正常事件产生的原因,列车上通常设有事件记录仪。不正常事件的发生通常是突发性的,有可能是列车故障引起的,也可能是人为因素,另外也可能是列车故障后司机的不当措施引起的。事件记录仪的功能要达到记录列车各系统设备的状态和司机的操作(即按钮和开关的状态) 。事件记录仪的设置可谓“ 养兵千日,用兵一时”。为了有效记录列车各系统设备的状态和司机的操作,并最终帮助事件调查人员提供有价值的数据,最好采用实时记录数据的方式,将列车一天的状态信息记录下来。若结束一天的运营后不需要下载这些信息,则第二天这些信息将被更新。南京地铁在合同谈判阶段对事件记录仪没有详细的要求。在项目执行阶段,al stom 提供的方案是采用事件触发进行记录的方式,仅有三个触发条件: ① 司机按下紧急制动按钮或a tc 实施紧急制动; ② 紧急制动接触器电路状态从有电转变至无电; ③ 电路维护测试电路状态转变。在设计联络阶段,经过协商,又增加了9 个触发条件。虽然考虑的范围扩大了,但由于存储器的容量限制,事件记录的数量有限,当列车在某天触发事件记录仪进行记录的故障出现的次数较多时,事件记录仪的记录可能会溢出。
4 与其它系统的接口
4. 1 车辆与信号系统的接口
车辆与其它系统之间的接口要考虑功能接口和物理接口两个方面。其中车辆与信号系统的a tc 之间的功能接口比较复杂,主要有数字信息交换接口类型及协议、列车制动动态参数与a tc 控制列车停车精度之间的配合、列车制动冲击极限的控制权、驾驶模式的转换、零速信号的来源、无人自动折返功能的实现、两个系统的牵引/ 制动力矩电流环的一致,等等。为了在项目执行阶段避免因解决接口问题而增加费用,应该在后招标、后确定的合同确定之前将接口问题谈好,形成详细的接口技术规格。因为不同的供货商有不同的设计理念和不同的配套产品,当出现矛盾时,为了维护自身的利益,都不愿修改设计和产品。如果没有合同条款的约定,势必在推诿中延误项目的执行。
4. 2 车辆与无线通信的接口
车辆与无线通信之间的接口需要确定控制中心(occ) 对客室广播的优先权问题。即occ 对客室的广播是自动的,还是由司机控制。如果用户希望通过车辆与无线通信之间的数字接口将车辆的故障数据实时传输到occ 和车辆基地,以缩短车辆的维修时间,提高车辆的利用率,一定要在地铁项目总体规划中确定并在车辆合同中明确这一功能需求,并确定两个系统之间的数据接口及协议。若有此功能接口,可利用该数据接口在occ 将服务信息和广告信息即时传输到车辆内的旅客信息显示屏上。
4. 3 车辆与供电系统的接口
车辆与供电系统之间的接口需要考虑远期高峰小时变电所的容量、受电弓与接触网的匹配、电磁兼容等问题。每个问题都需要两个供货商认真、细致地配合。如受电弓和接触网之间的匹配不仅要考虑受电弓的尺寸、材料、受流能力,还需要校核列车在静止时受电弓的最大受流能力是否足够。最大受流能力除与受电弓碳条的数量、尺寸、单位受流能力有关外,还与接触网的数量(单线、还是双线) 有关。即要考虑是单线受流还是双线受流。这一问题容易被忽略。
4. 4 车辆与土建的接口
车辆与土建之间的接口需要考虑限界,轮轨匹配(如车轮踏面外形与钢轨外形匹配、车轮与钢轨的硬度匹配、轨底坡),线路曲线,线路最大坡度,等等。
4. 5 其它
除了以上问题,还应该注意一些细节问题。如: 司机室侧门锁和司机室隔门紧急解锁机构是否利于操作;内部玻璃窗的四周是否全部进行了密封;客室侧门机构盖板开启是否方便;元器件的编码是否便于维修人员判断故障范围等问题。地铁车辆设计的好坏影响到地铁今后的运行安全、运营与维修的成本,所以一定要把好设计关,科学论证、仔细审查,力求实现地铁车辆的安全性高、可靠性高、可利用性高和低成本的“三高一低”目标。
参考文献
1 gb 50157 -92 地下铁道设计规范
2 沙 斐. 机电一体化系统的电磁兼容技术. 北京:中国电力出版社,1999
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