孫梅玉 鐘元木 劉天賦

（1.中車工業(yè)研究院有限公司，100067，北京；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，266111，青島//第一作者，高級(jí)工程師）

地鐵車輛的頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)分析*

孫梅玉1鐘元木2劉天賦1

（1.中車工業(yè)研究院有限公司，100067，北京；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，266111，青島//第一作者，高級(jí)工程師）

以地鐵車輛為主要分析對(duì)象，總結(jié)了車輛全生命周期環(huán)節(jié)中的頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)。從適應(yīng)性、安全性、舒適性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等6個(gè)方面對(duì)頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了分析，得出了影響車輛整體性能的關(guān)鍵因素。

地鐵車輛；頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)；安全性指標(biāo)；舒適性指標(biāo)；環(huán)保性指標(biāo)

在地鐵車輛的設(shè)計(jì)過程中，首先需根據(jù)用戶招標(biāo)技術(shù)條件、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等提煉出車輛的頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)［1-2］，然后對(duì)頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行逐層分解，進(jìn)而指導(dǎo)車輛的系統(tǒng)集成、車體、轉(zhuǎn)向架、牽引傳動(dòng)、制動(dòng)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)和核心部件的設(shè)計(jì)（如圖1所示）。研究地鐵車輛頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)，開展正向設(shè)計(jì)，有助于提升地鐵裝備安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用、節(jié)能環(huán)保等整體性能，有利于地鐵的輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化。

圖1 地鐵車輛設(shè)計(jì)流程示意圖

1 頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)分解

根據(jù)在地鐵全生命周期流程中的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)積累，本文將地鐵車輛頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)按適應(yīng)性、安全性、舒適性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性6個(gè)方面進(jìn)行歸類（如圖2所示），分析不同特性包含的指標(biāo)內(nèi)容，并依據(jù)已有文件對(duì)個(gè)別指標(biāo)給出參考標(biāo)準(zhǔn)或參考數(shù)值范圍等。

2 頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)分析

2.1 適應(yīng)性指標(biāo)

適應(yīng)性主要是地鐵車輛在車輛外的特定環(huán)境條件下正常運(yùn)行的能力。車輛外界因素分為氣候等自然環(huán)境條件、車輛運(yùn)行的線路條件及車輛運(yùn)營條件，車輛的適應(yīng)性也相應(yīng)分為環(huán)境適應(yīng)性、線路適應(yīng)性、運(yùn)營適應(yīng)性。各項(xiàng)指標(biāo)的影響因素如圖3所示。

圖2 地鐵車輛頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)影響因素

圖3 地鐵車輛適應(yīng)性指標(biāo)的影響因素

對(duì)北京、上海及廣州等城市的地鐵線路技術(shù)條件進(jìn)行分析，可得出共性的環(huán)境條件要求。

（1）環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)。環(huán)境溫度范圍一般為-5～45℃，北方寒冷地區(qū)低溫限值可達(dá)-25℃，極限最低溫度為-40℃。環(huán)境濕度方面按GB/T 7928規(guī)定應(yīng)≤90%，沿海地區(qū)一般按99%。北京、上海及廣州的城市最大風(fēng)速為90 km/h。海拔高度一般≤1 200 m；當(dāng)高度＞1 200 m時(shí)，電工電子產(chǎn)品及空壓機(jī)等部件需按系數(shù)進(jìn)行海拔高度修正。其他氣候條件按產(chǎn)品應(yīng)用地域的實(shí)際情況考慮。

（2）線路適應(yīng)性指標(biāo)。一般地鐵限界執(zhí)行CJJ 96—2003標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)城市建設(shè)規(guī)劃，分別執(zhí)行A型、B型或C型地鐵限界；設(shè)計(jì)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)包絡(luò)計(jì)算；該指標(biāo)主要影響車輛外形尺寸、車輛定距等參數(shù)，也將影響車頂空調(diào)的安裝方式。軸重方面，A型軸重≤16 t，B型軸重≤14 t，軸重指標(biāo)主要影響整車重量分配、轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。線路最大坡度為40‰，特殊路段坡度有45‰或50‰；坡度指標(biāo)主要影響牽引系統(tǒng)及制動(dòng)系統(tǒng)能力的設(shè)計(jì)，特別是故障模式或救援模式下的電機(jī)牽引性能。曲線超高一般為120 mm，個(gè)別為150 mm；曲線超高會(huì)影響行車速度、旅客舒適度等。根據(jù)GB 50157—2013規(guī)定，正線的最小曲線半徑為300 m，輔助線最小曲線半徑為150 m；一般對(duì)影響曲線通過能力的部件主要有轉(zhuǎn)向架、車鉤及貫通道等。

（3）運(yùn)營適應(yīng)性指標(biāo)。站臺(tái)高度一般為1 080 mm，地鐵地板面高度需與站臺(tái)高度協(xié)調(diào)，根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第 4.1.13條規(guī)定，車輛客室地板面高度在任何使用情況下均不應(yīng)低于站臺(tái)面高度。為保證該要求，除了考慮車輪直徑的影響外，還需要考慮空氣彈簧與高度閥等的設(shè)置要求及正常工作要求。目前，國內(nèi)地鐵軌道交通供電電壓主要有DC 1 500 V、DC 750 V兩種，多為接觸網(wǎng)供電或第三軌供電。運(yùn)營需求決定了車輛的速度、運(yùn)能、牽引能力等指標(biāo)。車輛速度要基于線路的站間距和運(yùn)行時(shí)間等進(jìn)行合理選擇和設(shè)定。同時(shí)結(jié)合客流情況和站臺(tái)參數(shù)，選擇合適的車輛編組形式。在牽引能力方面，需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸要求選擇合適容量的牽引逆變器和牽引電機(jī)。而在制動(dòng)能力方面，隨著制動(dòng)初速的提高，也要由踏面制動(dòng)更換為盤形制動(dòng)。救援和重聯(lián)的要求主要影響車鉤、供電系統(tǒng)、制動(dòng)管路及網(wǎng)絡(luò)控制等的設(shè)計(jì)。

2.2 安全性指標(biāo)

安全性在RAMS（可靠性、可用性、可維護(hù)性及安全性）中定義為“產(chǎn)品所具有的不導(dǎo)致人員傷亡、系統(tǒng)損壞、重大財(cái)產(chǎn)損失、不危害員工健康與環(huán)境的能力”。

地鐵車輛的安全分為主動(dòng)安全和被動(dòng)安全。主動(dòng)安全包括運(yùn)行安全、制動(dòng)安全、氣動(dòng)安全、結(jié)構(gòu)安全、預(yù)警系統(tǒng)、故障導(dǎo)向安全。被動(dòng)安全包括防火安全［3］、碰撞安全及防脫軌安全保護(hù)等。地鐵車輛安全性指標(biāo)如圖4所示。

地鐵設(shè)計(jì)過程中，常用的安全指標(biāo)參數(shù)及要求包括：脫軌系數(shù)≤0.8；輪重減載率≤0.6；平均全常用制動(dòng)減速度（包括響應(yīng)時(shí)間）≥1.0 m/s2；平均全常用制動(dòng)減速度（不包括響應(yīng)時(shí)間）≥1.1 m/s2；平均緊急制動(dòng)減速度（包括響應(yīng)時(shí)間）≥1.2 m/s2或≥1.3 m/s2；平均快速制動(dòng)減速度（包括響應(yīng)時(shí)間）≥1.3 m/s2；沖擊極限為0.75 m/s3；速度更高的地鐵車輛，可參照動(dòng)車組設(shè)定尾車升力系數(shù)接近于零；車體強(qiáng)度滿足EN 12663標(biāo)準(zhǔn)；動(dòng)車構(gòu)架強(qiáng)度滿足UIC 615標(biāo)準(zhǔn)，拖車構(gòu)架強(qiáng)度滿足UIC 515（拖車）標(biāo)準(zhǔn)；車軸強(qiáng)度滿足EN 13104（動(dòng)軸）/EN 13103（非動(dòng)軸）標(biāo)準(zhǔn)；車輪強(qiáng)度滿足EN 13260、EN 13979-1標(biāo)準(zhǔn)；防火安全和碰撞安全分別遵循EN 45545、EN15227標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 地鐵車輛安全性指標(biāo)

2.3 舒適性指標(biāo)

旅客在對(duì)交通工具提出更方便、更快捷要求的同時(shí)，對(duì)乘車環(huán)境及舒適度也提出了更高要求。影響舒適性指標(biāo)的主要因素包括振動(dòng)、噪聲、壓力、溫度、濕度及照度等。在人機(jī)工程方面的舒適性指標(biāo)影響因素主要體現(xiàn)在可通過性、可到達(dá)性、可操作性、可接觸性等方面。具體舒適性指標(biāo)內(nèi)容見圖5。

地鐵車輛車內(nèi)噪聲指標(biāo)分解主要與司機(jī)室、客室端部及中部、貫通道等部位的結(jié)構(gòu)相關(guān)。其中司機(jī)室內(nèi)噪聲控制重點(diǎn)關(guān)注前窗玻璃、司機(jī)室門、地板、密封等；客室端部及中部降噪主要與玻璃窗、客室側(cè)門、結(jié)構(gòu)密封、結(jié)構(gòu)斷面等相關(guān)；貫通道部分的噪聲控制主要與風(fēng)擋、外端墻相關(guān)。

提高地鐵車輛的舒適度，要以乘客為核心，根據(jù)不同的人文特點(diǎn)和需求，進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。同時(shí)，還要為司乘人員提供便捷的操作條件。具體實(shí)現(xiàn)途徑為：提高輔助供電系統(tǒng)的冗余度，采用環(huán)境舒適度綜合調(diào)控系統(tǒng)及智能光感應(yīng)照明系統(tǒng)，提高信息傳輸速度，優(yōu)化地鐵車輛內(nèi)部空間等。

圖5 地鐵車輛舒適性指標(biāo)

2.4 可靠性指標(biāo)

可靠性在RAMS中定義為“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”?？煽啃灾笜?biāo)包括故障可能性、可維修性及可用性等方面。影響地鐵的故障可能性指標(biāo)包括清客下線故障指標(biāo)、3 min以上延誤故障（晚點(diǎn)）指標(biāo)及維修故障（碎修、列檢）指標(biāo)。為了提高車輛的可靠性，還需對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。為了滿足可靠性要求，需在設(shè)計(jì)過程中，可將相關(guān)指標(biāo)分解到地鐵的結(jié)構(gòu)疲勞、磨損磨耗及抗老化等方面。

可維修性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，按規(guī)定的程序及方法進(jìn)行維修時(shí)，保持或恢復(fù)到其規(guī)定狀態(tài)的能力，即產(chǎn)品是否易修的能力。地鐵產(chǎn)品的可維修性指標(biāo)包括在線更換單元時(shí)間、修復(fù)性維修（不抬車）時(shí)間、修復(fù)性維修（抬車）時(shí)間、平均修復(fù)時(shí)間等。通過分析北京、上海及廣州等城市的地鐵線路統(tǒng)計(jì)結(jié)果，一般在線更換單元為0.5 h左右；修復(fù)性維修（不抬車）為3 h左右；修復(fù)性維修（抬車）在6 h左右。

可用性是反映可維修產(chǎn)品使用效率的可靠性指標(biāo)，能綜合反映產(chǎn)品的可靠性與維修性。目前地鐵車輛可用性要求為96%（維修及檢修停用時(shí)間共計(jì)為15 d/a），隨著軌道交通技術(shù)的不斷進(jìn)步，可用性指標(biāo)將不斷提升。

地鐵車輛電磁兼容需滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。其中，地鐵車輛對(duì)外輻射的電磁兼容需滿足EN 50121標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)客室電磁環(huán)境的要求來說，地鐵車輛靜態(tài)磁場(chǎng)需滿足標(biāo)準(zhǔn)BSEN 45502-2中對(duì)人體植入式醫(yī)療設(shè)備（心臟起搏器）的要求；時(shí)變磁場(chǎng)需滿足標(biāo)準(zhǔn)ICNIRP對(duì)300 GHz以下時(shí)變電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)暴露限值的要求。

列車行車密度的提高對(duì)車輛的可靠性、可維護(hù)性和可用性也提出了更高的要求。這就要不斷優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，采用合理的連接方式、模塊化的部件及高性能的材料，設(shè)計(jì)過程中還要通過優(yōu)化設(shè)備布置等手段，為檢修和維護(hù)提供便利條件，縮短地鐵車輛檢修時(shí)間。

2.5 環(huán)保性指標(biāo)

隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提升，綠色出行理念逐漸深入人心。這對(duì)地鐵車輛的環(huán)保性提出更高要求。地鐵車輛的環(huán)保性指標(biāo)可分為車外噪聲、環(huán)境振動(dòng)、電磁輻射、材料環(huán)保、節(jié)能高效、可持續(xù)發(fā)展等，如圖6所示。

圖6 地鐵車輛環(huán)保性指標(biāo)

地鐵車輛車外噪聲主要是在行車過程中，由軌道結(jié)構(gòu)和列車各個(gè)部分的振動(dòng)經(jīng)由大氣和大地的傳播而產(chǎn)生的。根據(jù)噪聲發(fā)生源與發(fā)生機(jī)構(gòu)，鐵路噪聲可以分為輪軌噪聲、空氣動(dòng)力學(xué)噪聲、電弧噪聲、橋隧結(jié)構(gòu)物噪聲、機(jī)器噪聲等。目前國內(nèi)地鐵設(shè)計(jì)過程中，主要執(zhí)行 GB 7928、VDV-154和 ISO 3095《鐵路應(yīng)用-聲學(xué)-軌道車輛外部噪聲測(cè)量》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。車輛設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)從輪軌關(guān)系、車載設(shè)備等方面控制和降低噪聲，盡量減少對(duì)沿線環(huán)境的影響［4］。

地鐵引起的環(huán)境振動(dòng)主要是輪軌相互作用引起的軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)?？赏ㄟ^降低簧下質(zhì)量、保持良好的輪軌表面狀態(tài)、采用減振軌道結(jié)構(gòu)等措施來控制環(huán)境振動(dòng)。地鐵車輛振動(dòng)與沖擊的測(cè)量或試驗(yàn)執(zhí)行ISO 2631、UIC 513和IEC 61373標(biāo)準(zhǔn)要求。

地鐵車輛電磁輻射不止影響舒適度評(píng)價(jià)，還影響環(huán)保性評(píng)價(jià)。地鐵的電磁輻射指標(biāo)要保證車輛與周圍基礎(chǔ)建設(shè)的電磁兼容，避免出現(xiàn)電磁危害。車輛電磁輻射的管理有兩種途徑：一種是從源頭控制，加強(qiáng)對(duì)電磁輻射的抑制能力；一種是降低或直接阻斷電磁波輻射的傳輸。電磁輻射相關(guān)設(shè)計(jì)要滿足EN 50121、GB 8702標(biāo)準(zhǔn)要求。

材料及部件的防火、耐火、防煙、防毒要求應(yīng)符合DIN 5510標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。地鐵車輛應(yīng)使用無鹵低煙阻燃或無鹵低煙耐火電線或電纜，不使用可燃材料或燃燒后會(huì)產(chǎn)生毒氣的材料。地鐵內(nèi)裝材料的選擇按照標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3139—2006《機(jī)車車輛內(nèi)裝材料及室內(nèi)空氣有害物質(zhì)限量》的要求。

通過采用新型材料（如碳纖維）降低重量、合理優(yōu)化車輛外形降低運(yùn)行阻力、采用制動(dòng)或振動(dòng)能量回收、提高牽引傳動(dòng)效率等途徑實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效。

為提高資源的利用效率、降低環(huán)境負(fù)荷、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，在地鐵車輛設(shè)計(jì)過程中，要多關(guān)注車輛的可再利用率和可回收利用率，多采用可拆解性結(jié)構(gòu)，優(yōu)化材料選擇和利用，避免過度設(shè)計(jì)。在軌道交通領(lǐng)域，國外車輛制造廠商已經(jīng)將材料的回收利用率作為重要的、先進(jìn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，如法國的AGV高速列車材料回收利用率可達(dá)90%。

2.6 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

經(jīng)濟(jì)性是指從設(shè)計(jì)、制造到整個(gè)使用壽命周期的成本控制能力。全壽命周期經(jīng)濟(jì)性包括生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性（包括設(shè)計(jì)、制造等）、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)如圖7所示。

圖7 地鐵車輛經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

在設(shè)計(jì)、制造過程中，可通過規(guī)范流程、優(yōu)化配置資源、減少資源的重復(fù)投入、提升資源利用率等措施來降低生產(chǎn)成本。要實(shí)現(xiàn)降低能量消耗的目標(biāo)，可通過選用新型材料、優(yōu)化車輛布局、合理配置各部件等措施來實(shí)現(xiàn)整車的輕量化；通過優(yōu)化車輛外形可減小氣動(dòng)阻力；通過優(yōu)化車輪與軌道間的接觸，可減小機(jī)械阻力；采用新型能量回收技術(shù)，可提升制動(dòng)或振動(dòng)能量回收利用率；提升空調(diào)節(jié)能水平等也是有效措施。

在維修階段，應(yīng)優(yōu)化修程修制，建立地鐵車輛在線監(jiān)測(cè)［5］及綜合故障診斷系統(tǒng)，利用信息化和數(shù)字化手段，實(shí)現(xiàn)車輛由計(jì)劃修向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)語

本文從適應(yīng)性、安全性、舒適性、可靠性/可維護(hù)性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)地鐵車輛的頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了分解和分析。

適應(yīng)性方面綜合考慮了各種外界因素，如自然環(huán)境、線路特點(diǎn)、運(yùn)營需求等。安全性方面，對(duì)車輛從災(zāi)害故障識(shí)別、障礙物檢測(cè)、脫軌檢測(cè)、防碰撞監(jiān)控、應(yīng)急處置能力等提出要求。舒適性方面，重點(diǎn)從乘客、司機(jī)、維修人員角度出發(fā)，提出了振動(dòng)、噪聲、壓力、溫度、濕度、照度、人機(jī)工程參數(shù)等指標(biāo)。在可靠性/可用性方面，從列車運(yùn)維角度出發(fā)，通過提高車輛的服務(wù)水平、降低車輛故障率、提升故障診斷和預(yù)測(cè)水平等途徑，以提升RAMS指標(biāo)。環(huán)保性方面，主要從節(jié)能、減振降噪、材料綠色可回收等方面進(jìn)行控制；經(jīng)濟(jì)性方面，從生產(chǎn)、運(yùn)行、維護(hù)三個(gè)階段分析了影響地鐵經(jīng)濟(jì)性的因素。

在以后的研究過程中，還需要對(duì)地鐵車輛的頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)一步分析和細(xì)化，并研究如何將頂層指標(biāo)正確分解到車輛的各子系統(tǒng)或零部件上去。通過頂層指標(biāo)到具體部位的循環(huán)反饋和不斷優(yōu)化，提升車輛的整體性能。

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Analysis of Top-level Design Specifications for Metro Vehicle

SUN Meiyu，ZHONG Yuanmu，LIU Tianfu

Taking metro vehicle as the analysis object，toplevel design specifications in the life cycle of metro vehicle aresummarized from 6 aspects，including theadaptable index，safety index，comfort index，environmental protection index，economy and reliability index.The key factors that affect the overall performance of the metro vehicle are detected.

metro vehicle；top-level design specification；safety index；comfort index；environmental protection index

First-author′s address CRRC Institute，100067，Beijing，China

U270.2

10.16037/j.1007-869x.2017.12.001

*國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAG12B01-01）

2017-07-01）