地铁综合检测车车辆选型
时间：2023-03-24 17:28:00
地铁综合检测车车辆选型
近年来，国家对城市轨道交通（以下简称“城轨”）行业的发展特别是运营安全问题高度重视。随着网络化运营的深入推进及智慧城轨的不断发展，采用综合检测技术实现关键基础设施健康状态的高效感知，是城轨基础设施运维的迫切需求。
城轨领域目前应用的车载综合检测技术装备包括工程车搭载检测系统、运营电客车搭载检测系统以及城市轨道交通综合检测车（以下简称“城轨综检车”）。相比其余 2 种检测方式，城轨综检车集成多种智能化感知系统，有利于集中统一维护管理、设备维修以及开展线网级基础设施统一标准评价，能够有效弥补当前城轨行业基础设施状态感知能力不足、检测手段单一的缺陷。目前，由中国铁道科学研究院集团有限公司（以下简称“铁科院”）研制的国内首列 3B 型城轨综检车已在北京地铁某线路开展周期性的动态检测，并发现了轨道动态几何超限、钢轨扣件缺失等一系列病害问题，切实保障了线路的运营安全。鉴于城轨线路里程短、运营速度慢、运营主体分散等客观因素，城轨综检车的研发相对高速铁路综合检测车启动较晚，实际应用线路也较少，随着城轨综检车应用的进一步推广，开展城轨综检车的选型研究工作十分必要。
1、选型思路及原则
重庆市轨道交通（集团）有限公司在 4 号、5 号、10 号线及环线等第二轮城轨线路规划建设之初提出了基于通信的列车运行控制系统（CBTC）互联互通网络化运营理念，截至 2022 年底，重庆市轨道交通已经实现地铁 4 号、5 号、环线三线的互联互通，为城轨综检车实现线网级的应用创造良好的条件。
城轨综检车的选型应该在满足城轨检测需求的条件下充分考虑重庆市轨道交通的线路条件，依据如下原则展开选型分析：①车辆性能应满足先进性、造型美观、舒适安全、技术成熟、运用可靠、维护方便、安全节能、经济高效的要求，符合国家关于城市轨道交通设备国产化有关政策和规定；②充分考虑重庆地区气候条件及使用环境，车辆限界完全符合《地铁限界标准》（CJJ/T 96-2018）和《重庆市地铁设计规范》（DBJ 50-244-2016）中车辆限界规定；③最高运行速度应选择合理，具有良好的牵引性能、制动性能和动力学性能；④检测车轴重满足线路条件要求，动力学性能满足故障运行及救援需求；⑤车辆编组、车载设备布置应满足检测系统方案的需要等。
2、面向功能需求的列车编组方案分析
2.1检测系统配置方案
城轨综检车的选型首先应符合实际线路的检测需求，依据不同的城轨综检车搭载检测系统选择合理的配置方案。
检测系统配置方案主要取决于搭载检测系统的数量及检测系统（如钢轨探伤系统、车辆动力学响应检测系统）的布置情况。例如：钢轨探伤系统安装需要预留较多空间，应尽可能将钢轨探伤系统集成于列车的拖车转向架；车辆动力学响应检测系统为更好满足线路的检测要求，一般需要在首尾两车的拖车转向架上分别进行配置。综合来看，城轨综检车检测系统的配置方案如下。
（1）配置方案 1。该方案为搭载钢轨探伤与车辆动力学响应检测系统的 3 节车配置方案，如表 1 所示，检测功能较为完善，能够实现“线 - 网 - 隧”全断面关键基础设施运行状态的高质量同步检测。在该种配置方案中，钢轨探伤系统安装于中间车拖车转向架，车辆动力学响应检测系统分别安装于首尾 2 节车的拖车转向架。
（2）配置方案 2。该方案为不安装钢轨探伤系统的3 节车配置方案，车辆动力学响应检测系统分别集成于首尾 2 节车的拖车转向架上，其余转向架为动力转向架，同时轨道动态几何状态检测等系统与方案一配置情况保持一致。
（3）配置方案 3。该方案为不安装钢轨探伤系统的3 节车配置方案，将车辆动力学响应检测系统集成于首车或尾车，只占用 1 个拖车转向架，其余转向架均为动力转向架，以保证列车在复杂工况下的牵引制动性能。
（4）配置方案 4。该方案为搭载钢轨探伤与单侧车辆动力学响应检测系统的 2 节车配置方案，如表 2 所示，钢轨探伤系统与车辆动力学响应检测系统分别集成于两车的拖车转向架上，各节车均为半动车配置情况。
（5）配置方案 5。该方案为不安装钢轨探伤系统的2 节车配置方案，车辆动力学响应检测系统集成于 A 车的拖车转向架上，剩余转向架均为动力转向架，其余检测系统配置情况同方案 4 一致。
（6）配置方案 6。该方案为不集成钢轨探伤系统与车辆动力学响应检测系统的 2 节车配置方案，两车均采用全动力配置。
2.2检测系统编组方案
为探究不同配置方案的适用性，需进一步将上述检测系统配置方案转化为编组方案展开研究。
2.3列车动力学性能要求
在表 3 的基础上需要进行不同编组方案下动力学性能的核验，以验证其能否满足实际线路的运行需求。本部分的计算主要依据重庆市轨道交通线路条件规定的动力学性能指标，同时也参考了已投入实际应用的铁科院 3B 城轨综检车的动力学性能要求，以保证本文对于城轨综检车编组方案分析的普遍适用性。
2.4列车动力学性能计算
依据上文给出的动力学性能要求，以方案 2 为例，依次对表 3 中规定的 6 种编组方案进行动力学性能核算，其计算条件如下。
（1）车载人员质量按 60 kg / 人计算。
（2）车辆自重：考虑实际搭载检测设备及司机室等实际质量影响，3 编组列车自重依次为 36、35、36 t。
（3）载荷：AW0，即空车（含检测设备）；AW2，即额定载荷，每辆车荷载 10 人；AW3，即超员载荷，每辆车荷载 30 人。
2.4.1牵引性能计算
牵引计算公式如下：
如式（3）所示，列车的换算质量等于列车的惯性质量与考虑载荷下列车质量的总和。结合式（1）和式（2）可知，在确定各部分质量的前提下，牵引黏着系数与加速度大致呈正相关，为验证其列车动力学性能，可以根据经验公式代入最小黏着系数（牵引工况为 0.16）得到平均起动加速度的最小值，观察其能否满足大于0.9 m/s2 的要求。
通过计算可知，三编组动拖比 2 : 1 列车的换算质量为 117.7 t，黏着牵引力为 124.47 kN，平均起动加速度a = 1.012 ＞0.9 m/s2，满足牵引性能要求。
2.4.2制动性能计算
制动计算公式如下：
式（5）、式（6）中，FB 为黏着制动力，取黏着系数为0.14，其余参数的计算同牵引工况一致，可算得在额定工况下黏着制动力为 108.91 kN，制动加速度 a = 0.92 ＜1.00 m/s2。由此可得，当黏着系数较小时，列车的制动加速度略微不能满足要求。
2.4.3列车故障运行能力计算
对于列车故障运行能力，应重点检验列车在故障情况下的起动能力。在损失 2 台动力转向架的情况下，动拖比为 2 : 1 的 3 节编组列车牵引力为正常情况下的一半。列车坡道起动加速度 a 与坡道附加阻力 fi 计算公式如下：
式（8）中，i 为坡度。上文所得的牵引力为考虑允许范围内选择较小的黏着系数得到的数值，以此来获取最小的加速度限值，判断其能否满足动力学性能的要求。在考虑故障运行能力时，应考虑其在损失动力情况下最大的黏着牵引力，该最大牵引力由公式（2）计算为140 kN，由此可得列车在损失动力后的牵引力为 70 kN，起动加速度 a = 0.096 1 ＞ 0.083 3 m/s2。因此，动拖比为2:1 的 3 节编组列车在损失 2 个动力转向架的动力时，在定员载荷下能够正常起动。
需注意的是，上述计算基于允许最小黏着系数算得的加速度限值，若最终计算得到的加速度过大，可以等效为正常加速度情况下得到的黏着系数较小（根据公式得到该结论），因此各编组方案下算得的加速度值不宜过大。
根据上述计算结果可知，编组方案 1 难以满足牵引制动及故障运行条件下的动力学性能要求；方案 2 算得的制动减速度略小；在方案 3 中，列车具有足够的故障运行能力，但其牵引制动平均加速度较大；方案 4 算得列车牵引制动性能及故障运行能力均不能满足动力学性能要求；方案 5 在损失 2 台动力转向架后其动力配置情况不具有在重庆线路最大坡度 5% 情况下的起动能力；方案 6 采用全动的 2 节编组城轨综检车能够满足故障情况下的起动能力，但平均加速度较大，在不当的行驶工况中容易造成车轮与钢轨之间的打滑。
2.5小结
从功能需求的角度将城轨综检车分为 6 种编组配置方案。根据结果，方案 1、4、5 不满足列车的动力学性能要求，方案6 不能满足钢轨探伤和车辆动力学响应检测系统的搭载需求。方案 2 为目前常用的城轨综检车模式，但应对重庆复杂的线路条件适应性较差，在集成钢轨探伤系统后会极大增大拖车质量，进一步制约列车的起动、制动加速度。如果需要安装车辆动力学响应检测系统，综合考虑可选择方案 2 和方案 3，但由于方案 3 为车辆动力学响应检测系统单侧布置，影响动力学性能检测的准确性，方案 2 为最优配置方案，在实际选型中，应依据搭载的多个检测系统进行编组方案的综合选择，而 2 节编组方案受限于动力学性能要求及搭载空间，不能完全适用于重庆市轨道交通线路的实际工况。
3、基于互联互通的选型关键因素分析
3.1车辆型式分析
城市轨道交通包括地铁系统、轻轨系统、单轨系统、有轨电车、磁浮系统、自动导向轨道系统和市域快速轨道系统。目前，国内运行的轨道交通车型主要分为 A 型、B 型、C 型、L 型以及其他类型的车辆，各车型的主要特点如表 6 所示。
城轨综检车致力于实现线网级的多线综合检测功能，由于城轨线路间各系统制式的差别较大，跨线运行存在一定的难度，城轨综检车的选型应考虑车辆的应用范围及车辆制式，根据实际调研，重庆市轨道交通 1号、6 号线为 B 型车，曾家—两江影视城等快线使用城轨快线车辆，而重庆特有的 As 型车是介于 A、B 型车辆之间的新车型，具有爬坡能力强、转弯半径小、载客量大等特点，被广泛应用于重庆市轨道交通 4 号、5号、9 号、10 号线等线路，并作为互联互通线路的统一车型。
城轨综检车以电客车为载体，目前重庆市轨道交通运营电客车的车型包括 As 型、城轨快线车及 B 型车（不考虑重庆单轨系统），选择车型时需要考虑的关键因素如下。
3.1.1限界条件
选择车型应符合《地铁限界标准》（CJJ/T 96-2018）规定的限界条件。重庆 As 型车车体的最大宽度为 3 m，结合表 5 可知，城轨快线所属的市域快轨列车以及 B 型车车体宽度在 2.8 m 以上，为实现线网级的应用，所选车型的宽度须控制在2.8 m 以内。
3.1.2线路条件
列车应适应实际线路条件，包括曲线半径及坡度。应用于重庆市轨道交通的城轨综检车需适应于 1 号、6 号线的 B 型车线路，4 号、5 号、10 号线的 As 型车线路，15 号线市域快轨线路及后续开通的运营线路，其中As 型、B 型车的线路适应性对比如表 7 所示。
若城轨综检车选择 As 型车，为实现互联互通，需要考虑改造转向架结构或悬挂参数、地板面高度等，以适应 B 车型线路的最小曲线半径和站台高度。若采用 B型车，则需要增大动力配置、增大牵引功率来适应 As型大坡度线路。
3.1.3车辆成本
城轨综检车在满足以上限界及空间布置的条件下，需要尽可能降低设备购置成本及维护成本。依据目前国内城轨市场情况，As 型车定价约为 800 万元 / 辆，A 型车费用约为 750 万元 / 辆，B 型车约为 600 万元 / 辆。从维护保养角度分析，As 型车全寿命周期成本大于 B 型车，能耗与车辆自重及检测设备重量有关，从能耗角度分析，As 型车综合能耗大于 B 型车。
因此，结合重庆市轨道交通实际线路状况，通过对比不同线路条件、限界条件及车辆成本，选择 B 型车作为城轨综检车的载体可以兼顾线路的互联互通性以及检测系统的集成化。
3.2车辆速度目标分析
城轨综检车速度目标的选取需要考虑实际运营电客车的线路运营速度及城轨综检车搭载的检测设备对于速度目标的要求。
3.2.1线路运营速度
根据调研，重庆市轨道交通 B 型车线路设计速度为 80 ～ 120 km/h，As 型车线路为 100 km/h，城轨综检车的速度取决于运营电客车的实际运行速度且最高速度不应超过对应线路的最大设计速度。
3.2.2检测系统精度及速度要求
目前城轨综检车搭载检测设备的速度要求如表 8 所示，为满足精度需要，钢轨探伤系统、隧道移动三维激光检测系统检测速度不宜超过 80 km/h，其余检测系统的适应速度较高，可以满足城轨线路最高运营速度的要求。
综上所述，城轨综检车在进行隧道移动三维激光检测及钢轨探伤检测作业时，检测速度不宜超过80 km/h，在其余检测系统开展作业时，城轨综检车可以完全实现真实运营条件下的等速检测。
3.3车辆供电制式分析
城轨综检车欲实现线网级的跨线运行检测，其供电制式应与互联互通的重庆市轨道交通线路相统一。根据调研，重庆市在建的 15 号、26 号、27 号、28 号城轨快线所用的城轨快线列车采用 AC25kV 的供电制式，且该 4 条城轨快线并不属于重庆市互联互通项目建设范围，其余线路都采用 DC1500V 供电制式，全市没有采用 DC750V 电压等级的供电线路，综合考虑经济性和线路兼容性，城轨综检车应采用 DC1500V 供电制式，同时依据重庆市轨道交通线路全部采用架空接触网受流方式，城轨综检车应选择架空接触网。
3.4车辆通信信号系统分析
搭载列车超速防护系统（ATP）及列车自动驾驶系统（ATO）的城轨综检车可在 ATP 子系统的防护下，开展与运营电客车相同运行工况下的等速检测，实现城轨综检车线网级的应用及线路的资源共享。参考重庆市轨道交通线路互联互通的实践经验，城轨综检车也应该选择基于统一标准的互联互通通信系统并遵守《城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M）规范》以及《 LTE-M系统总体架构及系统功能规范》（CZJS/T 0062-2016）的相关规定。在 ATP、ATO 模式下基于统一 CBTC 标准的城轨综检车将更好地满足线路通信信号的检测需求。
4、结 论
从功能需求角度对城轨综检车开展编组方案对比研究，在重庆市轨道交通建设互联互通线路的基础上进行选型关键因素分析，得到如下结论。
（1）面向实际检测需求提出城轨综检车 6 种配置方案，方案 1、4、5、6 不能完全适应于重庆市轨道交通实际线路工况，可根据实际搭载检测系统的需要将方案2 或方案 3 作为基础的配置方案。
（2）为实现线路互联互通，车辆型式的选择应充分考虑线路及限界条件，在兼顾线路、限界、车辆成本等因素的基础上，选择 B 型车作为城轨综检车的基本车型较为合适。
（3）城轨综检车在进行钢轨探伤及隧道综合检测时最高运行速度不宜超过 80 km/h，在其余检测工况下可以实现真实运营条件下的等速检测。
（4）城轨综检车应采用 DC1500V 供电制式，受流方式为架空接触网。
（5）城轨综检车应选择结合 ATO、ATP 车载信号系统的统一 CBTC 标准的通信信号系统。
1、选型思路及原则
2、面向功能需求的列车编组方案分析
式（1）、 式（2） 中，FT 为列车的起动牵引力；f 为列车的起动阻力；a 为列车起动加速度；m 为列车的换算质量；μ为摩擦系数；g 为重力加速度，通常取 9.81 m/s2 ；mm 为动车换算质量。在额定载荷工况下，列车的换算质量、起动阻力公式（按49×10-3kN/t 计算）如下：
式（3）、式（4）中，mm0、mh0、mt0 分别为动车、半动车、拖车的空车质量，3 节编组列车空车质量依次为m10、m20、m30，在额定载荷（AW2）下 3 节编组列车质量依次为 m1、m2、m3。
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