南京地鐵車輛設計審查要點

摘　要　地鐵車輛的設計影響到地鐵的今后運營與維修,因此把好設計關十分重要。在參與南京地鐵與ALSTOM 的設計聯絡中,就設計過程中的車輛制動,電磁兼容,設備安裝及與其他系統接口等問題進行了總結。用戶與制造商應在設計階段加強協商與交流,以提高車輛的可靠性與適用性。
關鍵詞　地鐵車輛,設計審評,電磁適應性

目前國內A 型地鐵車輛均由國外車輛制造商設計并制造,技術上總體來說是成熟、可靠的,然而在投入運行后都發現了很多問題。其主要原因是: 車輛制造商對地鐵運營的經驗不足,對用戶的系統配套設備也不完全了解;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,而應在車輛的設計過程中就從運營和維修角度嚴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帶來的不便。本文作者參加了南京地鐵與ALSTOM 的設計聯絡與審查。現將審查要點與體會整理出來,供國內地鐵同行在車輛設計中參考。
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定要求) 。在設計中,應考慮地鐵列車制動風管在鐵路運輸中與鐵路車輛風管的連通問題。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和鐵道車輛不同,牽引機車不易控制,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) 車輛由于在設計中沒有考慮這一問題,在鐵路運輸中出現麻煩。經過協商后,采用140 m 的軟管跨過6 節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 設計聯絡時提出了這一問題。經過協商,每輛車在主風管與空氣制動設備之間增設了一個截斷塞門,以滿足運輸過程中的制動要求。
1. 2 　車輛在隧道內的救援方式
由于隧道內的空間比較狹小,車輛在脫軌后復位相對比較困難,應考慮在車輛的1、2 位端部牽引梁處設計車輛脫軌復位頂車裝置。為方便在隧道外的車輛復位,在轉向架的兩側邊梁處也應考慮復位頂車裝置。
1. 3 　車輛在隧道內的制動手動緩解
南京地鐵的隧道內沒有維修通道,維修人員不能到車下進行操作,當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 最初的設計將制動緩解閥的操作手柄設置在轉向架上。南京地鐵在設計聯絡時堅決要求ALSTOM 將制動緩解閥的操作手柄設置在車內。ALSTOM 最后同意修改設計,將操作手柄設置在二位端B 側電氣柜上,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備、信號設備、通信設備、供電設備、附近設備、鄰區外部設備及乘客的物品和器具等。所有的車載設備應能在地鐵線路的電磁環境中可靠工作,功能和性能不受影響, 并且不影響地鐵線路的其他設備系統。

圖1 　南京地鐵車輛制動緩解閥
　　電磁干擾因素有輻射干擾、感應干擾、傳導干擾、靜電釋放等4 種。供貨商應該在設計開始時提交一份至少要包括下列內容的EMC(電磁適應性) 計劃: EMC 組織機構、人員和資質;在整個合同期間擬采取的總體方法和步驟、進度計劃;對EMC 要采取的詳細方法和步驟; 說明設計中應考慮的射頻干擾和敏感性設備; 說明對電磁干擾敏感的系統之間的接口和達到EMC 的方法。在設計階段,車輛制造商應該提交一份EMC 設計審核文件。該文件要說明如何滿足輻射電磁干擾、磁場、感應式干擾、傳導干擾、信號兼容性、通信兼容性等要求。為確保和表明EMC 符合標準,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備級進行。測試后應提供實驗報告,并將所有測試結果、計算、理論分析和設計研究組合到一份文件,表明EMC 全面符合標準,并將該文件呈交用戶。
3 　車輛設備的要求
3. 1 　蓄電池箱的設計及安裝位置
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行的,箱體的設計應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行,在可升降的專用小推車的協助下將整個箱體卸下來。整個過程費時又費力。后來經過協商和談判將蓄電池箱設計成帶滾動支架的可抽拉式,不需工具就能拉出。
3. 2 　電氣設備箱/ 電氣柜的設計
設備箱的設計應該考慮檢修的方便性、可測試性、可互換性,同時還應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度。另外,AL STOM 在設備箱/ 電氣柜布置設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Ⅱ 位端右側電氣柜的下部由于安裝了滅火器,難以接近進行檢修和更換下部的電氣零部件; 左側電氣柜的下部由于檢查門比較小,難以接近進行檢修和更換安裝在側墻上的零部件; 司機室電氣柜內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行檢修和更換。南京地鐵在設計聯絡和審查中提出了這些問題。由于這些設計涉及AL S TOM 的已定型部件產品和客室/ 司機室布置,若要修改,對交貨期會有影響。經過協商,南京地鐵沒有堅持要求修改。
3. 3 　電氣絕緣( 車頂絕緣距離)
車輛頂部與接觸網之間的電氣絕緣距離必須滿足GB 50157 -92 《地下鐵道設計規范》第8. 3. 14 條(當時GB 50157 -2003 尚未頒布) 或IEC 913 -1988 《電力牽引架空線》第2. 1. 6 條。即對于接觸網標稱電壓為1 500 DC 的地鐵車輛,車體與線路帶電部分(接觸網) 之間的最小間隙在靜態狀態下不小于150 mm , 在動態狀態下不小于100 mm 。ALSTOM 在投標階段的設計方案中車頂(帶受電弓和空調單元) 與接觸網之間的間隙在靜態狀態下為93 mm 、在動態狀態下為60 mm 。雖然ALSTOM 說明該設計符合法國標準NF F60 -101 《鐵路車輛絕緣配合2裝置和設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計以滿足IEC 913 -1988 的規定。為此, AL2 STOM 通過降低空調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,蓄電池的隔離開關應該設置在蓄電池與熔斷器的中間,以使兩者隔離。ALSTOM 的設計沒有考慮到這一細節, 將隔離開關設置在熔斷器和蓄電池的外側,如圖2 所示。這樣的設置將導致熔斷器的更換帶電操作。

圖2 　原AL STOM 設計車輛隔離開關位置圖
　
3. 5 　電子控制單元的維修接口
控制單元是列車的神經元,一旦出現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行故障分析和處理,最好在車上設置牽引、輔助、制動等電子控制單元的維修接口。而AL2 STOM 為南京地鐵設計的車輛上這些電子控制部件及其維修接口只設置在車體下面。當列車因故障停在隧道內時,無法到車下讀取數據,因為隧道內沒有維修通道。當然,大多數故障處理與數據下載的工作按運營規則是不會安排在運營線路上進行的。
3. 6 　司機顯示器
司機顯示器(DDU) 在列車運行中的主要功能是給司機顯示列車的基本運行數據、故障和評估,以及列車狀態信息,司機也能通過鍵盤或觸摸屏發送控制指令。如何最大限度利用顯示器為運行服務, 需要充分調研列車司機的需求,了解各系統在各種故障情況下DDU 應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查不正常事件產生的原因,列車上通常設有事件記錄儀。不正常事件的發生通常是突發性的,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的不當措施引起的。事件記錄儀的功能要達到記錄列車各系統設備的狀態和司機的操作(即按鈕和開關的狀態) 。事件記錄儀的設置可謂“ 養兵千日,用兵一時”。為了有效記錄列車各系統設備的狀態和司機的操作,并最終幫助事件調查人員提供有價值的數據,最好采用實時記錄數據的方式,將列車一天的狀態信息記錄下來。若結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的要求。在項目執行階段,AL STOM 提供的方案是采用事件觸發進行記錄的方式,僅有三個觸發條件: ① 司機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從有電轉變至無電; ③ 電路維護測試電路狀態轉變。在設計聯絡階段,經過協商,又增加了9 個觸發條件。雖然考慮的范圍擴大了,但由于存儲器的容量限制,事件記錄的數量有限,當列車在某天觸發事件記錄儀進行記錄的故障出現的次數較多時,事件記錄儀的記錄可能會溢出。
4 　與其它系統的接口
4. 1 　車輛與信號系統的接口
車輛與其它系統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的A TC 之間的功能接口比較復雜,主要有數字信息交換接口類型及協議、列車制動動態參數與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、駕駛模式的轉換、零速信號的來源、無人自動折返功能的實現、兩個系統的牽引/ 制動力矩電流環的一致,等等。為了在項目執行階段避免因解決接口問題而增加費用,應該在后招標、后確定的合同確定之前將接口問題談好,形成詳細的接口技術規格。因為不同的供貨商有不同的設計理念和不同的配套產品,當出現矛盾時,為了維護自身的利益,都不愿修改設計和產品。如果沒有合同條款的約定,勢必在推諉中延誤項目的執行。
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) 對客室廣播的優先權問題。即OCC 對客室的廣播是自動的,還是由司機控制。如果用戶希望通過車輛與無線通信之間的數字接口將車輛的故障數據實時傳輸到OCC 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,并確定兩個系統之間的數據接口及協議。若有此功能接口,可利用該數據接口在OCC 將服務信息和廣告信息即時傳輸到車輛內的旅客信息顯示屏上。
4. 3 　車輛與供電系統的接口
車輛與供電系統之間的接口需要考慮遠期高峰小時變電所的容量、受電弓與接觸網的匹配、電磁兼容等問題。每個問題都需要兩個供貨商認真、細致地配合。如受電弓和接觸網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量、尺寸、單位受流能力有關外,還與接觸網的數量(單線、還是雙線) 有關。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,還應該注意一些細節問題。如: 司機室側門鎖和司機室隔門緊急解鎖機構是否利于操作;內部玻璃窗的四周是否全部進行了密封;客室側門機構蓋板開啟是否方便;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,所以一定要把好設計關,科學論證、仔細審查,力求實現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。

參考文獻
1 　GB 50157 -92 地下鐵道設計規范
2 　沙　斐. 機電一體化系統的電磁兼容技術. 北京:中國電力出版社,1999