地鐵車輛段試車線的功能及設計要求

地鐵車輛段試車線的功能及設計要求地鐵運營由于行車密度大、事故救援困難等原因，對列車的安全性和可靠性要求非常高。地鐵車輛段試車線是地鐵列車進行動態(tài)調(diào)試和試驗的線路，新車和檢修后的列車都要在試車線進行系統(tǒng)調(diào)試及性能試驗后才能上線運營。對試車線的長度、曲線半徑、坡度等都有較高要求，但試車線的布置又受用地條件的控制，布置困難。因此在地鐵車輛段設計中，對試車線的功能進行合理分析，優(yōu)化布置方案是需要重點解決的問題。對地鐵車輛段試車線的功能和設計技術要求進行較為全面和系統(tǒng)的分析研究對地鐵車輛段的設計具有重要的意義。現(xiàn)行《地鐵設計規(guī)范》(GB50157-2003)對車輛段試車線設計規(guī)定如下：(1)試車線應為平直線路，困難條件下允許在線路端部設部分曲線，其線路應滿足列車試驗速度的要求；試車線的其他技術標準宜與正線標準一致；(2)試車線有效長度應根據(jù)車輛性能和技術參數(shù)以及試車綜合作業(yè)要求計算確定。試車線兩端宜設緩沖滑動式車擋；(3)試車線應在適當位置設置檢查坑和試車設備房屋，試車線檢查坑長度不應小于1/2列車長度加5m，檢查坑深度應為1.2~1.5m，坑內(nèi)應有照明和良好的排水設施。以上規(guī)定在實際的工程設計中執(zhí)行困難，首先《規(guī)范》對列車試驗速度未作規(guī)定，在條文說明中也沒有具體解釋，而試車速度是決定試車線長度的最關鍵因素。關于試車線應為平直線路的規(guī)定在設計中也很難執(zhí)行，在實際工程設計中試車線大量使用曲線，以適應用地條件。關于試車線檢查坑的設置規(guī)定在采用環(huán)線移動閉塞系統(tǒng)和直線電機運載系統(tǒng)也難以執(zhí)行。本節(jié)將結(jié)合在廣州地鐵車輛段工程的設計實踐，對地鐵車輛段試車線的功能和設計技術要求進行較為全面和系統(tǒng)的分析及總結(jié)，提出地鐵車輛段試車線設計的技術要求建議。一、試車線的功能分析試車線的功能一般包括新車動態(tài)調(diào)試和試驗以及運營列車檢修后的動態(tài)調(diào)試和試驗兩部分。1．廣州地鐵新車調(diào)試及驗收項目表9-1廣州地鐵新車調(diào)試及驗收項目一覽表2．廣州地鐵列車檢修后的動調(diào)和試車項目(1)廣州地鐵列車年檢試車項目如表9-2所示表9-2廣州地鐵列車年檢試車項目(2)廣州地鐵列車架修試車項目表如表9-3所示表9-3廣州地鐵列車架修試車項目表3．日本地鐵列車檢修后的動調(diào)和試車項目表9-4日本地鐵列車檢修后調(diào)試及驗收項目表4．車載信號系統(tǒng)的動調(diào)和試驗項目廣州地鐵3號線列車車載信號系統(tǒng)在動態(tài)調(diào)試和試驗項目如下：(1)模擬中間為車站，兩端進行站后折返作業(yè)(包括無人/有人駕駛自動折返、ATP監(jiān)督下的人工駕駛模式折返)；(2)兩端為車站，中間為區(qū)間線路，對車載信號系統(tǒng)進行速度等級的ATP功能、ATO全自動駕駛試驗；(3)ATO精確停車試驗；(4)車門試驗，允許開左側(cè)、右側(cè)、雙側(cè)車門；(5)對不同的列車編組(長、短車)的屏蔽門監(jiān)控試驗；(6)緊急制動試驗(包括制動距離)；(7)車—地雙向通信及駕駛模式間轉(zhuǎn)換等功能的測試。5．試車功能分析根據(jù)以上所列的新車和檢修車的調(diào)試及試車要求，試車功能主要包括功能檢查(包括車門、旁路開關、緊急按鈕等)，在設置有屏蔽門的線路上，功能檢查還包括車門與屏蔽門的模擬試驗；牽引性能試驗和制動性能試驗；車載信號系統(tǒng)試驗等三大部分。二、試車線的設計技術要求分析1．功能檢查對試車線設計技術要求分析從功能檢查的要求來看，主要是對旁路開關、車門開關及保護、速度表、警惕按鈕等控制功能進行動作檢查，對車門與屏蔽門的配合進行模擬試驗，對試車速度和線路條件的要求較低，不是試車線設計的控制因素。2．牽引及制動性能試驗對試車線設計技術要求分析(1)地鐵列車的牽引及制動曲線示例本示例為最高運行速度100km/h的B型車，4輛編組，2動2拖。(2)根據(jù)牽引制動曲線分析試車線的技術要求根據(jù)牽引工況特性曲線，動車的牽引力、電機電壓、電機電流和線電流在恒力矩區(qū)的最高速度點(即進入恒功區(qū)的速度點，本示例圖中約為42.5km/h)達到最大，因此試車速度應達到恒功點，以測試牽引設備的最大負荷狀態(tài)。根據(jù)制動工況的特性曲線，電制動力、電機電壓、電機電流和線電流同樣在恒力矩區(qū)的最高速度點達到最大，此點速度比牽引模式下的恒力矩速度要高，在本示例中約為56km/h。因此制動工況下的試車速度應達到該臨界速度。圖9-4地鐵列車牽引曲線圖9-5地鐵列車電制動特性曲線以上的臨界速度均為AW2荷載條件下的速度，在試車線試車時，可以人工加載到AW2荷載狀態(tài)，但一般只在新車的型式試驗時做載荷試驗，一般為無荷載，即為AW0狀態(tài)試驗。根據(jù)AW2的特性進行推算，AW0工況下達到最大電流電壓時，在示例的牽引特性下，牽引和制動工況下最大電流時的列車速度分別為60km/h和80m/h。根據(jù)其他的牽引曲線資料，最高運行速度為80km/h的列車(動拖比1:1)，AW0工況下達到最大電流的速度為52km/h(牽引)和70km/h(電制動)。但AW0工況下的電機最大電流仍小于AW2工況下的電機最大電流。如果要對整個牽引和制動過程進行試驗，以測定VVVF逆變器及控制和保護系統(tǒng)的功能，則試車的最高速度應為列車的最高運行速度。即使這樣，在一般AW0工況下試驗，牽引制動特性仍然與AW2的實際運行工況有差別。要完全模擬AW2的實際運行工況，必須進行加載試驗。(3)列車空氣制動系統(tǒng)試驗對試車線的技術要求空氣制動分為常用制動、快速制動和緊急制動，常用制動和快速制動一般為電空混合制動，緊急制動一般僅使用空氣制動，以保證其可靠性。從電制動的曲線可以看出，需要補充的空氣制動力在高速時最大，在速度小于5km/h后，電制動不起作用，全部為空氣制動力。因此從空氣制動系統(tǒng)的功能試驗來看，應該進行最高運行速度的常用制動試驗。為了試驗緊急制動的距離，也應該從最高運行速度作為制動初始速度，當不能滿足條件時，可以通過試驗速度的制動距離推算最高速度的制動距離，但和牽引試驗一樣，AW0工況下的試驗是不能完全模擬AW2的實際運營工況的。(4)列車防滑、防空轉(zhuǎn)系統(tǒng)試驗對試車線的技術要求由于輪軌間的粘著系數(shù)隨速度的升高而降低，因此列車的防滑和防空轉(zhuǎn)系統(tǒng)在列車高速運行時最為重要，從防滑、防空轉(zhuǎn)系統(tǒng)的試驗要求出發(fā)，列車也應在最高運行速度下進行試驗。3．車載信號系統(tǒng)試驗對試車線的技術要求(1)在模擬中間為車站，兩端進行站后折返作業(yè)時，對試車線長度的要求可視為車站的長度加上兩端站后折返線的長度，不是控制因素。(2)對兩端車站，中間為區(qū)間的模擬行車試驗，最好能夠試驗最高行車速度，如果試車線長度不能滿足要求時，也可在試驗中設定試驗的最高速度，其設置較為靈活。(3)其他功能試驗不是試車線長度的控制因素。4．試車線功能分析的初步結(jié)論試車線的功能主要是對新車和檢修后的列車進行動態(tài)調(diào)試和性能試驗，主要試驗項目可以分為功能檢查、牽引性能試驗和制動性能試驗、車載信號系統(tǒng)試驗等3大類。從上面的分析看，最高試車速度可以分為3個檔，第一檔為滿足列車最高運行速度的試驗，試驗速度定義為Vh；第二檔為電制動工況下的最大電流速度，試驗速度定義為Vm；第三檔為牽引工況下的最大電流速度，試驗速度定義為V1。根據(jù)牽引特性曲線，各種工況的對應速度如表9-5所示。表9-5試驗速度表三、試車線設計長度的計算分析1．決定試牽線設計長度的基本因素試車過程包括起動階段、轉(zhuǎn)換階段和制動階段。其中列車起動距離和制動距離可以根據(jù)牽引特性曲線和最高試車速度計算，轉(zhuǎn)換階段走行距離根據(jù)最高速度和轉(zhuǎn)換時間計算。其中最高速度是影響試車線長度的主要因素，根據(jù)前面分析，計算在AW0和AW2工況下，3種試車速度下試車線的長度。由于不同的列車具有不同的特性曲線，本次僅選取最高運行速度為80km/h和100km/h的1:1動拖比列車進行示例計算。2．起動階段長度L1的計算根據(jù)列車牽引曲線計算不同荷載工況下的起動加速距離如表9-6所示。表9-6起動距離L1計算表3．制動階段的長度計算L2考慮一定的安全裕度，常用制動速度按0.8m/s2計算。列車制動距離如表9-7所示。表9-7制動距離L2計算表4．起動轉(zhuǎn)換為制動模式時的列車走行距離L3考慮司機操作時間和設備響應時間總共為5s，此時列車仍在加速，加速度按0.5m/s2計算，列車走行距離如表9-8所示。表9-8模式轉(zhuǎn)換走行距離L3計算表5．滑動式車擋安裝距離L4(1)車擋長度(含摩擦塊)：6m(2)滑移距離(按25km/h撞擊速度計算)：17.28m合計：L4=23.28md。6．安全距離L5列車試車時距離車擋安全距離：Ls=10m×2。7．列車長度L6一般情況下最短為4輛編組B型車80m，最長為6輛編組A型車140m。8．試車線總長度LL=L1+L2+L3+L4+L5+L6計算列車長度采用L6=120m時，在示例的牽引曲線下試車線的計算長度如表9-9所示。表9-9試車線長度計算表四、試車線曲線半徑及坡度的設計要求1．試牽線的曲線半徑和坡度在實際工程設計中，受用地條件限制，許多試車線都設置了曲線。曲線半徑直接控制試車速度，所以曲線半徑的大小應根據(jù)模擬牽引計算得出的通過曲線段的最高試車速度確定，并按正線標準設置緩和曲線和超高。為了方便列車性能的測試，試車線一般應設計為平坡，在工程實踐中也比較容易做到。2．關于試車線檢查坑的設置為了方便在列車動態(tài)調(diào)試和試車作業(yè)過程中對列車的車底進行技術檢查和臨時故障處理，試車線設置一段檢查坑是有利的。但當試車線設置有信號環(huán)線或直線電機的感應板時，對檢查坑內(nèi)的作業(yè)影響較大，建議取消試車線檢查坑。試車過程中必須進行徹底檢查引或故障處理時，可送回車庫作業(yè)。廣州地鐵1、2號線試車線設有檢查坑，3、4、5、6號線都沒有設置，香港地鐵及國外的許多地鐵車輛試車線也都沒有設置檢查坑。五、小結(jié)(1)地鐵車輛段試車線對保證列車運營的安全性和可靠性具有十分重要的作用，有條件時，試車線設計應盡可能滿足高速試車需求。當用地條件受控時，可針對不同性質(zhì)的地鐵車輛段對各項試車功能的重要性進行分析，按滿足基本試車要求確定車輛段試車線的設計方案，高速試車可放在正線上完成。(2)試車線的設計長度可分為3個層次，第一層為滿足全速度試車(可進行列車型式試驗)的試車線。第二層次為滿足AW0最大制動電流試驗速度的試車線；第三層次為滿足AW0最大起動電流試