地鐵車輛段試車線的功能及設(shè)計(jì)要求

地鐵車輛段試車線的功能及設(shè)計(jì)要求地鐵運(yùn)營由于行車密度大、事故救援困難等原因，對(duì)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(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試和試驗(yàn)的線路，新車和檢修后的列車都要在試車線進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試及性能試驗(yàn)后才能上線運(yùn)營。對(duì)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(shè)計(jì)中，對(duì)試車線的功能進(jìn)行合理分析，優(yōu)化布置方案是需要重點(diǎn)解決的問題。對(duì)地鐵車輛段試車線的功能和設(shè)計(jì)技術(shù)要求進(jìn)行較為全面和系統(tǒng)的分析研究對(duì)地鐵車輛段的設(shè)計(jì)具有重要的意義?，F(xiàn)行《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157-2003)對(duì)車輛段試車線設(shè)計(jì)規(guī)定如下：(1)試車線應(yīng)為平直線路，困難條件下允許在線路端部設(shè)部分曲線，其線路應(yīng)滿足列車試驗(yàn)速度的要求；試車線的其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)宜與正線標(biāo)準(zhǔn)一致；(2)試車線有效長度應(yīng)根據(jù)車輛性能和技術(shù)參數(shù)以及試車綜合作業(yè)要求計(jì)算確定。試車線兩端宜設(shè)緩沖滑動(dòng)式車擋；(3)試車線應(yīng)在適當(dāng)位置設(shè)置檢查坑和試車設(shè)備房屋，試車線檢查坑長度不應(yīng)小于1/2列車長度加5m，檢查坑深度應(yīng)為1.2~1.5m，坑內(nèi)應(yīng)有照明和良好的排水設(shè)施。以上規(guī)定在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中執(zhí)行困難，首先《規(guī)范》對(duì)列車試驗(yàn)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(guān)鍵因素。關(guān)于試車線應(yīng)為平直線路的規(guī)定在設(shè)計(jì)中也很難執(zhí)行，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中試車線大量使用曲線，以適應(yīng)用地條件。關(guān)于試車線檢查坑的設(shè)置規(guī)定在采用環(huán)線移動(dòng)閉塞系統(tǒng)和直線電機(jī)運(yùn)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(shè)計(jì)實(shí)踐，對(duì)地鐵車輛段試車線的功能和設(shè)計(jì)技術(shù)要求進(jìn)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(shè)計(jì)的技術(shù)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(dòng)態(tài)調(diào)試和試驗(yàn)以及運(yùn)營列車檢修后的動(dòng)態(tài)調(diào)試和試驗(yàn)兩部分。1．廣州地鐵新車調(diào)試及驗(yàn)收項(xiàng)目表9-1廣州地鐵新車調(diào)試及驗(yàn)收項(xiàng)目一覽表2．廣州地鐵列車檢修后的動(dòng)調(diào)和試車項(xiàng)目(1)廣州地鐵列車年檢試車項(xiàng)目如表9-2所示表9-2廣州地鐵列車年檢試車項(xiàng)目(2)廣州地鐵列車架修試車項(xiàng)目表如表9-3所示表9-3廣州地鐵列車架修試車項(xiàng)目表3．日本地鐵列車檢修后的動(dòng)調(diào)和試車項(xiàng)目表9-4日本地鐵列車檢修后調(diào)試及驗(yàn)收項(xiàng)目表4．車載信號(hào)系統(tǒng)的動(dòng)調(diào)和試驗(yàn)項(xiàng)目廣州地鐵3號(hào)線列車車載信號(hào)系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)調(diào)試和試驗(yàn)項(xiàng)目如下：(1)模擬中間為車站，兩端進(jìn)行站后折返作業(yè)(包括無人/有人駕駛自動(dòng)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(duì)車載信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行速度等級(jí)的ATP功能、ATO全自動(dòng)駕駛試驗(yàn)；(3)ATO精確停車試驗(yàn)；(4)車門試驗(yàn)，允許開左側(cè)、右側(cè)、雙側(cè)車門；(5)對(duì)不同的列車編組(長、短車)的屏蔽門監(jiān)控試驗(yàn)；(6)緊急制動(dòng)試驗(yàn)(包括制動(dòng)距離)；(7)車—地雙向通信及駕駛模式間轉(zhuǎn)換等功能的測(cè)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(guān)、緊急按鈕等)，在設(shè)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(yàn)；牽引性能試驗(yàn)和制動(dòng)性能試驗(yàn)；車載信號(hào)系統(tǒng)試驗(yàn)等三大部分。二、試車線的設(shè)計(jì)技術(shù)要求分析1．功能檢查對(duì)試車線設(shè)計(jì)技術(shù)要求分析從功能檢查的要求來看，主要是對(duì)旁路開關(guān)、車門開關(guān)及保護(hù)、速度表、警惕按鈕等控制功能進(jìn)行動(dòng)作檢查，對(duì)車門與屏蔽門的配合進(jìn)行模擬試驗(yàn)，對(duì)試車速度和線路條件的要求較低，不是試車線設(shè)計(jì)的控制因素。2．牽引及制動(dòng)性能試驗(yàn)對(duì)試車線設(shè)計(jì)技術(shù)要求分析(1)地鐵列車的牽引及制動(dòng)曲線示例本示例為最高運(yùn)行速度100km/h的B型車，4輛編組，2動(dòng)2拖。(2)根據(jù)牽引制動(dòng)曲線分析試車線的技術(shù)要求根據(jù)牽引工況特性曲線，動(dòng)車的牽引力、電機(jī)電壓、電機(jī)電流和線電流在恒力矩區(qū)的最高速度點(diǎn)(即進(jìn)入恒功區(qū)的速度點(diǎn)，本示例圖中約為42.5km/h)達(dá)到最大，因此試車速度應(yīng)達(dá)到恒功點(diǎn)，以測(cè)試牽引設(shè)備的最大負(fù)荷狀態(tài)。根據(jù)制動(dòng)工況的特性曲線，電制動(dòng)力、電機(jī)電壓、電機(jī)電流和線電流同樣在恒力矩區(qū)的最高速度點(diǎn)達(dá)到最大，此點(diǎn)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(dòng)工況下的試車速度應(yīng)達(dá)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(dòng)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(shí)，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(yàn)時(shí)做載荷試驗(yàn)，一般為無荷載，即為AW0狀態(tài)試驗(yàn)。根據(jù)AW2的特性進(jìn)行推算，AW0工況下達(dá)到最大電流電壓時(shí)，在示例的牽引特性下，牽引和制動(dòng)工況下最大電流時(shí)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(yùn)行速度為80km/h的列車(動(dòng)拖比1:1)，AW0工況下達(dá)到最大電流的速度為52km/h(牽引)和70km/h(電制動(dòng))。但AW0工況下的電機(jī)最大電流仍小于AW2工況下的電機(jī)最大電流。如果要對(duì)整個(gè)牽引和制動(dòng)過程進(jìn)行試驗(yàn)，以測(cè)定VVVF逆變器及控制和保護(hù)系統(tǒng)的功能，則試車的最高速度應(yīng)為列車的最高運(yùn)行速度。即使這樣，在一般AW0工況下試驗(yàn)，牽引制動(dòng)特性仍然與AW2的實(shí)際運(yùn)行工況有差別。要完全模擬AW2的實(shí)際運(yùn)行工況，必須進(jìn)行加載試驗(yàn)。(3)列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)試車線的技術(shù)要求空氣制動(dòng)分為常用制動(dòng)、快速制動(dòng)和緊急制動(dòng)，常用制動(dòng)和快速制動(dòng)一般為電空混合制動(dòng)，緊急制動(dòng)一般僅使用空氣制動(dòng)，以保證其可靠性。從電制動(dòng)的曲線可以看出，需要補(bǔ)充的空氣制動(dòng)力在高速時(shí)最大，在速度小于5km/h后，電制動(dòng)不起作用，全部為空氣制動(dòng)力。因此從空氣制動(dòng)系統(tǒng)的功能試驗(yàn)來看，應(yīng)該進(jìn)行最高運(yùn)行速度的常用制動(dòng)試驗(yàn)。為了試驗(yàn)緊急制動(dòng)的距離，也應(yīng)該從最高運(yùn)行速度作為制動(dòng)初始速度，當(dāng)不能滿足條件時(shí)，可以通過試驗(yàn)速度的制動(dòng)距離推算最高速度的制動(dòng)距離，但和牽引試驗(yàn)一樣，AW0工況下的試驗(yàn)是不能完全模擬AW2的實(shí)際運(yùn)營工況的。(4)列車防滑、防空轉(zhuǎn)系統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)試車線的技術(shù)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(yùn)行時(shí)最為重要，從防滑、防空轉(zhuǎn)系統(tǒng)的試驗(yàn)要求出發(fā)，列車也應(yīng)在最高運(yùn)行速度下進(jìn)行試驗(yàn)。3．車載信號(hào)系統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)試車線的技術(shù)要求(1)在模擬中間為車站，兩端進(jìn)行站后折返作業(yè)時(shí)，對(duì)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(duì)兩端車站，中間為區(qū)間的模擬行車試驗(yàn)，最好能夠試驗(yàn)最高行車速度，如果試車線長度不能滿足要求時(shí)，也可在試驗(yàn)中設(shè)定試驗(yàn)的最高速度，其設(shè)置較為靈活。(3)其他功能試驗(yàn)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(duì)新車和檢修后的列車進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試和性能試驗(yàn)，主要試驗(yàn)項(xiàng)目可以分為功能檢查、牽引性能試驗(yàn)和制動(dòng)性能試驗(yàn)、車載信號(hào)系統(tǒng)試驗(yàn)等3大類。從上面的分析看，最高試車速度可以分為3個(gè)檔，第一檔為滿足列車最高運(yùn)行速度的試驗(yàn)，試驗(yàn)速度定義為Vh；第二檔為電制動(dòng)工況下的最大電流速度，試驗(yàn)速度定義為Vm；第三檔為牽引工況下的最大電流速度，試驗(yàn)速度定義為V1。根據(jù)牽引特性曲線，各種工況的對(duì)應(yīng)速度如表9-5所示。表9-5試驗(yàn)速度表三、試車線設(shè)計(jì)長度的計(jì)算分析1．決定試牽線設(shè)計(jì)長度的基本因素試車過程包括起動(dòng)階段、轉(zhuǎn)換階段和制動(dòng)階段。其中列車起動(dòng)距離和制動(dòng)距離可以根據(jù)牽引特性曲線和最高試車速度計(jì)算，轉(zhuǎn)換階段走行距離根據(jù)最高速度和轉(zhuǎn)換時(shí)間計(jì)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(jì)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(yùn)行速度為80km/h和100km/h的1:1動(dòng)拖比列車進(jìn)行示例計(jì)算。2．起動(dòng)階段長度L1的計(jì)算根據(jù)列車牽引曲線計(jì)算不同荷載工況下的起動(dòng)加速距離如表9-6所示。表9-6起動(dòng)距離L1計(jì)算表3．制動(dòng)階段的長度計(jì)算L2考慮一定的安全裕度，常用制動(dòng)速度按0.8m/s2計(jì)算。列車制動(dòng)距離如表9-7所示。表9-7制動(dòng)距離L2計(jì)算表4．起動(dòng)轉(zhuǎn)換為制動(dòng)模式時(shí)的列車走行距離L3考慮司機(jī)操作時(shí)間和設(shè)備響應(yīng)時(shí)間總共為5s，此時(shí)列車仍在加速，加速度按0.5m/s2計(jì)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(jì)算表5．滑動(dòng)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(jì)算)：17.28m合計(jì)：L4=23.28md。6．安全距離L5列車試車時(shí)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(jì)算列車長度采用L6=120m時(shí)，在示例的牽引曲線下試車線的計(jì)算長度如表9-9所示。表9-9試車線長度計(jì)算表四、試車線曲線半徑及坡度的設(shè)計(jì)要求1．試牽線的曲線半徑和坡度在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，受用地條件限制，許多試車線都設(shè)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(yīng)根據(jù)模擬牽引計(jì)算得出的通過曲線段的最高試車速度確定，并按正線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置緩和曲線和超高。為了方便列車性能的測(cè)試，試車線一般應(yīng)設(shè)計(jì)為平坡，在工程實(shí)踐中也比較容易做到。2．關(guān)于試車線檢查坑的設(shè)置為了方便在列車動(dòng)態(tài)調(diào)試和試車作業(yè)過程中對(duì)列車的車底進(jìn)行技術(shù)檢查和臨時(shí)故障處理，試車線設(shè)置一段檢查坑是有利的。但當(dāng)試車線設(shè)置有信號(hào)環(huán)線或直線電機(jī)的感應(yīng)板時(shí)，對(duì)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(jìn)行徹底檢查引或故障處理時(shí)，可送回車庫作業(yè)。廣州地鐵1、2號(hào)線試車線設(shè)有檢查坑，3、4、5、6號(hào)線都沒有設(shè)置，香港地鐵及國外的許多地鐵車輛試車線也都沒有設(shè)置檢查坑。五、小結(jié)(1)地鐵車輛段試車線對(duì)保證列車運(yùn)營的安全性和可靠性具有十分重要的作用，有條件時(shí)，試車線設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能滿足高速試車需求。當(dāng)用地條件受控時(shí)，可針對(duì)不同性質(zhì)的地鐵車輛段對(duì)各項(xiàng)試車功能的重要性進(jìn)行分析，按滿足基本試車要求確定車輛段試車線的設(shè)計(jì)方案，高速試車可放在正線上完成。(2)試車線的設(shè)計(jì)長度可分為3個(gè)層次，第一層為滿足全速度試車(可進(jìn)行列車型式試驗(yàn))的試車線。第二層次為滿足AW0最大制動(dòng)電流試驗(yàn)速度的試車線；第三層次為滿足AW0最大起動(dòng)電流試