下一代地鐵列車低碳設計

劉玉文，梁建英，王安軍

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111；2.武漢光谷交通建設有限公司，湖北武漢 430073）

1 引言

低碳交通的核心目標是節能減排——低排放、低能耗、高能效，具備“清潔低碳型燃料比例高”“交通工具排放效率高”“信息化利用程度高”的“三高”特征。

隨著社會對城軌車輛高速、高效、智能、低碳和廣泛環境適應性的期待越來越高，下一代地鐵列車研究聚焦低碳技術，包括靈活編組、輕量高適應性走行系統、高強輕量承載結構與輕質高強復合材料相結合的高性能車體、雙源制供電的新型傳動、全能饋動力制動和新型復合材料高效能基礎制動、全息化狀態監測和在途預警主動運維支持、輕量化高能效輔助供電等低碳關鍵技術，踐行并初步達成低碳交通的核心目標和基本特征。

2 低碳軌道交通車輛

低碳軌道交通車輛并不是新的車輛類型，而是新的車輛設計理念。以節約資源和減少排放為出發點，設計安全、舒適、低能耗、低污染的軌道交通車輛，以提高車輛的能源利用率，改善車輛的能源結構，優化車輛的人均能耗。列車能耗主要包括輔助系統設備能耗和克服列車運行阻力能耗。與列車運行阻力正相關的是列車外形和平順度，各系統及部件結構、效率，以及車輛整備質量。因而，低碳軌道交通車輛設計理念之一是在保證安全性和可靠性的前提下實現輕量化設計。本文重點討論列車輕量化的低碳技術，同時給出在列車靈活編組、系統效率提高、氣動阻力降低等低碳技術設計方面的實現途徑。

3 下一代地鐵列車輕量化技術

下一代地鐵列車的輕量化設計主要從材料選擇和結構優化2方面實現突破。材料選擇是指尋找更輕、更強、更穩定耐候的新材料；結構優化是指以輕量化為基礎，提升強度、優化振動與噪聲、治理輻射等。目標系統及部件主要包括車體及附件、轉向架、牽引供電系統、門窗風擋、內飾結構。

根據重量管理頂層指標，下一代地鐵列車輕量化設計從結構強度優化減重及新材料、新結構應用減重等方面入手，實現重量分配與管理的目的。

3.1 材料選擇

車輛在運營過程中要經受復雜的地理、氣候、運用工況，以及列車-線路-弓網之間復雜作用關系的考驗，需要解決振動沖擊、疲勞、腐蝕、風沙、積雪結冰、電磁干擾、雷電侵襲等適應性問題。同時，車輛各系統及部件選用的材料必須滿足沖擊、防火、隔聲、隔熱等技術要求。車體材料必須滿足車體使用壽命、靜強度、剛度等要求。在全壽命周期中，必須保證設備在工作載荷下不產生疲勞失效，具有一定的拉伸載荷力和極小的變形性。因此，要突破傳統金屬材料的局限，達到高效、可靠、節能、環保的目的，需要尋求綜合性能優良的新型材料與結構。

碳纖維等復合材料具有輕量化、高強度、高耐候的優異綜合性能，其與鋼、鋁的性能指標比較見表1。

表1 纖維復合材料與金屬材料性能對比

碳纖維復合材料在航空、航天、船舶、汽車、體育等領域的應用已歷經數年，隨著技術持續發展，已解決材料結構設計、制造工藝、服役性能及維護等多方面問題，對軌道交通領域具有良好的借鑒意義。

軌道交通領域，中車四方生產的復興號動車組碳纖維增強復合材料（CFRP）設備艙，可單件、也可模塊及整體拆裝，抽拉式底板和折頁式裙板，便于組裝、維護；同時，較鋁合金減重35%，可承受振動、沖擊和高溫、高濕、風沙雨雪侵蝕。CFRP在國外發達國家的軌道車輛上也得到廣泛應用，如德國福伊特公司的碳纖維復合材料過渡車鉤總重23 kg，比鋼鐵過渡車鉤減重約 50%；日本鐵道綜合技術研究所與東日本客運鐵道公司聯合研制的CFRP高速列車車頂使每節車廂減重300～500 kg。

總之，CFRP的應用在非承載的內飾工件，次承載結構（如頭罩、吸能元件、過渡車鉤、受電弓等），以及司機室、車體、轉向架等大型部件方面均有不同程度的應用嘗試。

3.2 結構優化

碳纖維復合材料的設計技術、成型技術和整體裝配技術是影響其使用的關鍵因素，下一代地鐵列車成功突破車體、司機室、構架及設備艙等大部件CFRP結構設計和多種制造工藝的關鍵點，為列車主結構向CFRP遷移奠定技術基礎。

3.2.1 CFRP 司機室

下一代地鐵列車CFRP司機室采用材料、設計、工藝一體化，外殼、內裝、臺柜、底架結構一體化，承載一體化的方案。通過研究大尺寸復雜結構非熱壓罐成型技術（OOA），5模塊成型后膠接連結，有效減少零部件、提高裝配精度和效率、實現輕量化、耐撞擊、集成度高、商品化程度高的預期。地面舾裝、整體裝車、撞擊滿足EN 15227的要求，較傳統鋁合金司機室減重30%以上。

3.2.2 CFRP 車體

下一代地鐵列車突破復合材料輕量化設計，研制氣密性、高強度、高剛度、輕量化的CFRP車體，系統掌握材料、鋪層及結構的設計、成型、檢驗及試驗驗證技術。

列車車體采用全CFRP模塊化結構（除枕梁），分模塊成型，膠鉚組裝，車體承載與安裝結構一體化，整體承載，管線分層布置，底架可翻轉施工，提高組裝質量和效率。探索大型承載部件拉擠、纏繞、編織及共膠接、共固化等整體成型技術，解決大尺度部件組裝及連接問題，實現靈活、高效生產及質量控制，成型精度高，適于批量生產。

采用CFRP結構碳纖維車體可以使單車減重35%，強度滿足EN 12663的要求，氣密性指標大于50 s，氣密強度±4 kPa，整備車體一階垂彎9.2 Hz。CFRP車體斷面如圖1所示，CFRP車體如圖2所示。

圖1 CFRP車體斷面（單位：mm）

圖2 CFRP車體

3.2.3 碳纖維轉向架

下一代地鐵碳纖維轉向架為二軸兩系懸掛無搖枕轉向架，包括碳纖維復合材料構架，碳纖維附加氣室，一系雙彈簧彈性拉板式定位結構，二系空簧、全主動橫向減振器、抗側滾扭桿及4點式高度閥和差壓閥高度調整裝置，橡膠堆式中央牽引裝置。基礎制動采用輪盤制動，碳陶制動盤，每軸設停放制動。

該轉向架的設計優勢主要體現在重量輕、安全系數高、結構簡潔、線路適應性強、輪軌作用力小、構架耐腐蝕性好、全壽命費用低等方面。實施的輕量化技術如下。

（1）碳纖維轉向架構架采用新材料和新結構，側梁、橫梁、附加氣缸及制動吊座采用高模量CFRP，編織+樹脂傳遞模塑成型工藝（RTM）高壓及干濕法纏繞 +高溫固化等技術，組裝技術以機械連接為主、膠接為輔，整體減重40%。

（2）輪對組成中的軸箱體及端蓋、牽引拉桿采用輕質合金化設計，其中輕質合金牽引拉桿與同等條件下的碳鋼材質相比，減重30%以上。

3.2.4 CFRP 設備艙

下一代地鐵列車設備艙的設計繼承復興號設備艙模塊化理念，可單件或分模塊及整體拆裝。在材料體系、結構設計和成型工藝等方面得到優化，采用拉擠、真空輔助樹脂灌注成型（VARI）等一系列先進成型固化技術，提升技術指標、產品質量和生產效率，減重30%。

3.2.5 碳陶制動盤

基于輕量化低碳設計，為下一代地鐵列車研制的碳陶制動盤，性能滿足國際鐵路聯盟（UIC）標準要求，完成速度140 km/h線路試驗，較鋼盤減重約60%，具有輕量化（每車減重1 t）、性能好（50 MJ/盤）、耐高溫（1 600 ℃）、適應力強（全環境適用）的特點。

3.2.6 C/C 復合材料滑板

基于輕量化低碳設計，為下一代地鐵列車研制輕質、耐磨受電弓C/C滑板，碳纖維預制體為增強體，化學氣相沉積形成碳條，力學性能提升2～3倍，壽命提高1 倍，成功突破2.5維碳纖維預制體設計和石墨化處理工藝的關鍵點，通過沖擊功試驗和300 km/h摩擦磨損等臺架試驗的驗證。

4 靈活編組

本著低碳設計的理念，下一代地鐵列車開發“靈活編組”功能，列車以2節為最小的編組單元，能夠根據運營需求實現“2+N”節靈活編組，在2節至12節范圍內任意搭配車廂數量，整個過程編組解編所需時間小于5 min。

靈活配置列車編組，在方便運營和調度的同時，實現低峰期采用小編組列車，跟傳統的固定8編組A型地鐵列車相比，顯著降低運行能耗，降低運營和維護成本，是低碳交通實現的重要策略。

5 碳化硅永磁牽引系統和輔助系統

下一代列車采用單臂弓受流、架空網DC1500V+儲能裝置DC750V雙源制供電，SIC軸控牽引變流器，永磁同步電機驅動，2M1T作為一個動力單元。這套牽引系統具有三大特點，分別是動力強大，可滿足140 km/h牽引需求，啟動加速度達1.0 m /s2；輕量化，整備質量減重約15%；效率高，傳動效率提高5%。這種高效能、低消耗的設計特色，滿足低碳車輛的發展趨勢。

輔助系統方面，能耗以空調能耗占主導，占比90%以上；下一代列車空調機組采用變頻控制橢圓管換熱空調，額定能效比（2.61），相對于已統計的參照機組（平均額定能效比2.21）提高18%；按全年綜合運行工況計算，節能31.5%；制冷季下一代機組較參照機組節能25.9%；制熱季節能39%。這種低能耗特點契合低碳車輛的要求。

儲能裝置滿足15 km牽引運行，可實現無電網運行，自動力回送，跨線運行。跨線運行能減少城市備用車的數量，也是低碳交通的實現手段。

6 氣動阻力降低

為進一步達到節能降耗的低碳效果，下一代地鐵列車構建了廣義映射模型，從車型、頭部長度、鼻錐、裙板距軌面高度等方面進行分析，對列車頭型外形進行氣動性能優化設計（圖3），對空調導流罩結構進行系統構型（即流線斷面優化，見圖4），并首次在地板下增加車下設備艙結構，這些措施使列車氣動阻力得以有效減小，下一代地鐵列車阻力系數較普通A型地鐵車輛降低31～35%，

圖3 氣動性能優化

圖4 流線斷面優化

7 智能運維系統

通過對列車進行健康監測，優化修程，降低全壽命周期費用，也是低碳設計的具體實現途徑之一。

基于輕量化低碳的設計理念，下一代地鐵列車設計以高可用性為目標，高可靠性為基礎，通過集成和接入各類傳感信息（如軸溫、振動、橫向失穩、受電弓紅外監控、轉向架紅外監控、視頻、毫米波雷達等），全方位感知無人駕駛狀態下地鐵列車的各方面參數；構建列車在途智能檢測預警與高效維保系統平臺，形成基于列車狀態的主動維保系統。

基于狀態修理論、物聯網技術、數字信號處理和高可靠的多鏈路聚合寬帶無線通信技術，使列車關鍵系統狀態實時檢測和預警系統在實際的地鐵運營環境中得到有效應用。該低碳設計理念使列車維修模式實現從“計劃修”到“狀態修”的轉變，從而降低運營方人力、物力消耗，提高列車的可用性，降低列車的全壽命維護費用，實現低碳交通的終極目標。

8 結語

低碳設計是一個系統工程，下一代地鐵列車除采用上述低碳設計措施，還實施一系列低碳相關工程技術，為低碳軌道交通列車的設計初步探明道路。