城市軌道交通車輛關(guān)鍵部件及控制系統(tǒng)開發(fā)成果小結(jié)

1、城市軌道交通車輛關(guān)鍵部件及控制系統(tǒng)開發(fā)主要研究單位： 上海申通地鐵集團(tuán)有限公司同濟(jì)大學(xué)上海羅約電氣科技有限公司南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司南京康尼機(jī)電股份有限公司上海工程技術(shù)大學(xué)主要研究人員： 周俊龍,朱小娟,王生華,余強(qiáng),王建兵,沈豪,王偉,馬偉杰,陳鞍龍,浦漢亮,沈培德,陶生桂,吳剛,張偉一、研究背景（一）項(xiàng)目背景作為城市公共交通系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，城市軌道交通有地鐵、輕軌、市郊鐵路、有軌電車以及懸浮列車等多種類型，號(hào)稱“城市交通的主動(dòng)脈”。國外城市軌道交通起步較早，德國、美國、日本等國都已形成完善的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)，且都有自己的車輛、控制等核心技術(shù)。我國城市軌道交通建設(shè)起步較

2、晚，且軌道交通設(shè)備在建設(shè)初期主要依靠進(jìn)口，自從實(shí)施城市軌道交通設(shè)備國產(chǎn)化政策以來，城軌車輛國產(chǎn)化取得了一定成績。目前國產(chǎn)車輛多為合資，靠引進(jìn)核心技術(shù)或關(guān)鍵部件進(jìn)行組裝，城市軌道交通在車輛和控制方面仍然處于初級發(fā)展階段。2009年，上海地鐵車輛急劇增加到1600多輛（2011年5月近3000輛），其中完全進(jìn)口車輛約500輛，并均已進(jìn)入架大修階段；由合作合資供貨商提供的2500多輛車的核心部件仍然需要進(jìn)口采購。加速國產(chǎn)化和自主創(chuàng)新進(jìn)程，通過對車輛關(guān)鍵部件的研究、開發(fā)、集成、創(chuàng)新，逐步形成自己的車輛核心技術(shù)，為城軌車輛整體的國產(chǎn)化提供技術(shù)保證，是當(dāng)務(wù)之急。（二）立項(xiàng)依據(jù)及必要性根據(jù)上海交通總體發(fā)展趨

3、勢和軌道交通需求的客運(yùn)量分析，大容量城市軌道交通體系是上海城市建設(shè)中的重點(diǎn)發(fā)展方向，上海軌道交通建設(shè)里程，約為846公里。市內(nèi)軌道交通總長度，約為560公里，其中，地鐵380公里，輕軌170余公里。這些線路建成以后，軌道交通系統(tǒng)的客運(yùn)量，將占公共交通客運(yùn)總量的65%以上。將形成“十字加環(huán)”和若干放射線組成的便捷、快速的軌道交通骨干網(wǎng)絡(luò)，覆蓋上海大多數(shù)區(qū)域的線網(wǎng)格局。但進(jìn)口車輛和關(guān)鍵部件，直接導(dǎo)致備品備件昂貴，阻礙了我國軌道交通事業(yè)的發(fā)展。必須加速國產(chǎn)化和自主創(chuàng)新進(jìn)程，通過對車輛關(guān)鍵部件的研究、替代，逐步形成自己的車輛核心技術(shù)，為城軌車輛整體的國產(chǎn)化提供技術(shù)保證，是當(dāng)務(wù)之急。本課題項(xiàng)目立足于城市

4、軌道交通的車輛，涉及車輛的運(yùn)行和控制系統(tǒng)。課題對車輛車輪、關(guān)鍵部件主/輔助逆變器、齒輪箱、門控單元和車載安全控制的技術(shù)進(jìn)行研究，并進(jìn)行創(chuàng)新和突破，希望籍此為現(xiàn)有上海城軌車輛關(guān)鍵部件的備件和國產(chǎn)化提供一條途徑，并為車輛和車載控制系統(tǒng)的全面自主創(chuàng)新奠定一定的技術(shù)基礎(chǔ)，綜上分析具有重要意義。（三）項(xiàng)目性質(zhì)本項(xiàng)目屬于城市軌道交通技術(shù)領(lǐng)域，車輛關(guān)鍵部件技術(shù)專題，市科委資助項(xiàng)目。二、主要研究內(nèi)容（一）項(xiàng)目目標(biāo)項(xiàng)目通過對統(tǒng)型降噪車輪、IGBT車輛輔助逆變器、齒輪箱、門控單元（EDCU）、列車控制系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)監(jiān)控部件和車地通信檢測系統(tǒng)的自主研究，形成一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的城軌車輛關(guān)鍵部件和控制系統(tǒng)的樣機(jī)，并通

5、過運(yùn)行試驗(yàn)考核，推進(jìn)軌道交通車輛關(guān)鍵部件和車載控制系統(tǒng)的自主制造能力，解決列車部件依靠進(jìn)口的局面，降低維護(hù)、維修成本。（二）研究內(nèi)容項(xiàng)目主要通過調(diào)查研究國內(nèi)外城軌車輛部件的運(yùn)用狀況及列車信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際情況，采取技術(shù)剖析、理論計(jì)算、接口研究、樣機(jī)集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制、軟件開發(fā)、實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)、裝車運(yùn)行考核試驗(yàn)及數(shù)據(jù)對比分析等方法，針對城軌車輛關(guān)鍵部件及列車信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)和難點(diǎn)，開展車輛核心部件的關(guān)鍵技術(shù)及列車信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)的研究，最終，將研究成果應(yīng)用于上海地鐵車輛，通過實(shí)際應(yīng)用來檢驗(yàn)成果的適用性和合理性，形成系列研究成果，研究技術(shù)路線見圖1。圖1 技術(shù)路線圖各子課題的研究內(nèi)容如

6、下所述：1 上海地鐵統(tǒng)型車輪及減噪方案研究（1）上海地鐵車輪現(xiàn)狀研究；（2）上海地鐵車輪、軸關(guān)系與統(tǒng)型車輪幾何尺寸研究；（3）上海地鐵統(tǒng)型車輪研究；（4）上海地鐵統(tǒng)型車輪減噪方案研究；（5）上海地鐵統(tǒng)型車輪生產(chǎn)、加工工藝研究；（6）上海地鐵統(tǒng)型、減噪車輪應(yīng)用效果評估；2 AC01/02型電動(dòng)列車IGBT輔助逆變器開發(fā)研制（1）對由IPM構(gòu)成的模塊化的結(jié)構(gòu)、主電路以及驅(qū)動(dòng)電路分析研究及其性能測試，剖析其故障的機(jī)理與原因；（2）對A車輔逆的三相四線逆變器與B車輔逆的三相逆變器進(jìn)行仿真分析研究，包括其濾波電路的參數(shù)對其性能的影響等分析研究；（3）對IPM驅(qū)動(dòng)電路與接口的分析研究以及用IGBT替代后的

7、驅(qū)動(dòng)電路與接口進(jìn)行分析研究、設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試等，包括相應(yīng)的光纖驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其對應(yīng)的軟關(guān)斷和過流短路及欠壓保護(hù)等研究；（4）在相同的緊湊空間內(nèi)，對采用IGBT的模塊化結(jié)構(gòu)需重新設(shè)計(jì)、布置與制作；（5）對IGBT模塊及其驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行測試和裝車運(yùn)營試驗(yàn)；（6）IPM的模塊化和IGBT的模塊化兩者的性能及其經(jīng)濟(jì)性的比較與分析；3 AC01/02型電動(dòng)列車齒輪箱開發(fā)研制（1）進(jìn)口齒輪箱工藝技術(shù)的消化吸收；（2）齒輪箱總體結(jié)構(gòu)的布局設(shè)計(jì)的優(yōu)化；（3）齒輪的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、材料選擇及齒輪的嚙合修形；（4）齒輪箱的密封形式及潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究；（5）齒輪箱箱體鑄造技術(shù)、齒輪熱處理技術(shù)、加工工藝、組裝工藝的研究；（6）樣

8、機(jī)制造、測試及首批產(chǎn)品的裝車運(yùn)用；4 AC03、AC05和AC11型列車門控單元開發(fā)研究（1）對AC03、AC05和AC11型列車原裝門控單元（EDCU）的結(jié)構(gòu)原理及接口參數(shù)進(jìn)行研究，并剖析其與列車控制系統(tǒng)的接口數(shù)據(jù)通訊協(xié)議；（2）以AC03、AC05和AC11型列車車門的技術(shù)功能要求為基礎(chǔ)，分別對上述三種車型的門控單元（EDCU）進(jìn)行國產(chǎn)化自主開發(fā)設(shè)計(jì)研究；（3）分別對AC03、AC05和AC11車型的國產(chǎn)化門控單元進(jìn)行樣機(jī)研制；（4）分別開發(fā)適應(yīng)于AC03、AC05和AC11車型的國產(chǎn)化門控單元的控制軟件和用戶維護(hù)軟件 ；（5）分別通過與相應(yīng)列車控制系統(tǒng)（TCMS）的MVB接口、RS485

9、接口或者M(jìn)VB+RS485冗余主從網(wǎng)絡(luò)接口功能測試，并通過裝車試驗(yàn)以驗(yàn)證其所有功能是否滿足運(yùn)營需要，以確保其可完全替代原裝進(jìn)口產(chǎn)品； 5 AC02/05車列車控制系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)監(jiān)控部件研制（1）車載ATC系統(tǒng)剖析研究；（2）車載嵌入式安全數(shù)據(jù)監(jiān)控技術(shù)研究；（3）車載數(shù)據(jù)監(jiān)控部件的自主設(shè)計(jì)、開發(fā)；（4）車載控制數(shù)據(jù)分析、回放軟件的開發(fā)；（5）樣機(jī)的裝車試驗(yàn)；6 車地通信檢測裝置的研發(fā)（1）分析車地通信系統(tǒng)原理，研究通信鏈路、車載及軌旁發(fā)送接收電路，通過現(xiàn)場測試，取得相關(guān)數(shù)據(jù)；（2）在實(shí)驗(yàn)室搭建試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行試驗(yàn)，確定車地通信檢測技術(shù)參數(shù)；（3）研究檢測裝置的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)電路圖，開發(fā)信號(hào)發(fā)送和接收

10、軟件，完成功能樣機(jī)的研制，并進(jìn)行檢測試驗(yàn)；（4）對比測試結(jié)果與通信鏈路、車載軌旁參數(shù)的關(guān)系，研究并制定測試調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)；（三）關(guān)鍵技術(shù)、難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)本項(xiàng)目研究內(nèi)容的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：1 城市軌道交通車輛統(tǒng)型車輪技術(shù)（包括具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的輪軌匹配、輪軸匹配、圓坯連鑄、工藝工程仿真、抗早期剝離熱處理等技術(shù)）2 城市軌道交通車輛統(tǒng)型車輪上的降噪技術(shù)3 實(shí)現(xiàn)由IGBT替代IPM輔助逆變器的技術(shù)4 帶光纖驅(qū)動(dòng)并具有軟驅(qū)動(dòng)特性的IGBT驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)5 滿足既有安裝接口的齒輪箱結(jié)構(gòu)“立改臥”技術(shù)；6 齒輪材料及熱處理與箱體鑄造工藝技術(shù)；7 具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MVB軟硬件接口技術(shù)；8 雙冗余MVB主-從門控制單

11、元（EDCU）車門網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)；9 嵌入式系統(tǒng)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)；10 車載數(shù)據(jù)到圖形化顯示、回放模型技術(shù)；11 步進(jìn)式通信信號(hào)頻率、幅度掃描檢測技術(shù)；12 通信信號(hào)與控制參數(shù)的最優(yōu)匹配技術(shù)三、主要研究成果項(xiàng)目完成了6個(gè)子課題研究報(bào)告和個(gè)總課題研究報(bào)告，開發(fā)的樣機(jī)均通過了裝車驗(yàn)證（見下圖），申請了項(xiàng)專利和軟件著作權(quán)，在國家核心期刊發(fā)表了11篇論文，培養(yǎng)了名研究生完成學(xué)術(shù)論文。編號(hào)名稱數(shù)量說明1上海地鐵統(tǒng)型、減噪車輪3個(gè)3個(gè)不同形式減噪形式的車輪，用于對比試驗(yàn)、研究；2上海地鐵統(tǒng)型、減噪車輪48個(gè)48個(gè)統(tǒng)型、減噪車輪用于列車正線裝車試驗(yàn)3AC01/02型電動(dòng)列車齒輪箱3臺(tái)1臺(tái)進(jìn)行型式試驗(yàn)，2臺(tái)進(jìn)

12、行裝車試驗(yàn)4AC01/02型電動(dòng)列車輔助逆變器2臺(tái)三種IGBT驅(qū)動(dòng)電路，即HCP316J、1ED和962AL等驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路，以及研制的IGBT模塊和構(gòu)成的2臺(tái)IGBT輔助逆變器。5AC03、AC05和AC11型列車門控單元15套現(xiàn)已開發(fā)出基于總線通訊的兩種門控單元樣機(jī)，RS485型門控單元13套(AC03和AC11型車門控單元和AC05型車從門控單元)和MVB+RS485型門控單元2套(AC05型車門主門控單元)；已完成AC03、AC05和AC11型車門控應(yīng)用及維護(hù)軟件，并已通過裝車調(diào)試和驗(yàn)收。6車載數(shù)據(jù)采集記錄板2套安裝與2號(hào)線車載ATP機(jī)籠內(nèi)，采集和記錄車載運(yùn)行數(shù)據(jù)。SD卡容量1G，能滿保存7天的數(shù)據(jù)量記錄。采樣頻率為400ms/次。7地面分析回放軟件1套運(yùn)行在PC上，對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及回放。8車地通信檢測裝置1套輕型手推軌道檢測車；車地通信檢測裝置工程樣機(jī)（2臺(tái)）四、應(yīng)用前景與效益預(yù)測1. 項(xiàng)目開發(fā)的統(tǒng)型減噪車輪已完成各項(xiàng)試驗(yàn)，現(xiàn)已在上海軌道交通3號(hào)線、9號(hào)線投入運(yùn)營。目前項(xiàng)目開發(fā)的統(tǒng)型車輪已在上海軌道交通1號(hào)線、2號(hào)線等9條線的運(yùn)營列車上及未來的12、13及16號(hào)線列車上成功運(yùn)用，并應(yīng)用在廣州地鐵、深圳地鐵、南京地鐵等部分線路上。減噪車輪已作為地鐵列車車輪的采購標(biāo)準(zhǔn)，將在后續(xù)上海軌道交通新購列車中推廣運(yùn)用。2. 項(xiàng)