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： 上海申通地鐵集團有限公司同濟大學上海羅約電氣科技有限公司南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司南京康尼機電股份有限公司上海工程技術(shù)大學主要研究人員： 周俊龍,朱小娟,王生華,余強,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）項目背景作為城市公共交通系統(tǒng)的一個重要組成部分，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，號稱“城市交通的主動脈”。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)初期主要依靠進口，自從實施城市軌道交通設(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，靠引進核心技術(shù)或關(guān)鍵部件進行組裝，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），其中完全進口車輛約500輛，并均已進入架大修階段；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口采購。加速國產(chǎn)化和自主創(chuàng)新進程，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，是當務(wù)之急。（二）立項依據(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)的客運量，將占公共交通客運總量的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。但進口車輛和關(guān)鍵部件，直接導致備品備件昂貴，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，是當務(wù)之急。本課題項目立足于城市

4、軌道交通的車輛，涉及車輛的運行和控制系統(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)進行研究，并進行創(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）項目性質(zhì)本項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，市科委資助項目。二、主要研究內(nèi)容（一）項目目標項目通過對統(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產(chǎn)權(quán)的城軌車輛關(guān)鍵部件和控制系統(tǒng)的樣機，并通

5、過運行試驗考核，推進軌道交通車輛關(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口的局面，降低維護、維修成本。（二）研究內(nèi)容項目主要通過調(diào)查研究國內(nèi)外城軌車輛部件的運用狀況及列車信號監(jiān)控系統(tǒng)的實際情況，采取技術(shù)剖析、理論計算、接口研究、樣機集成創(chuàng)新設(shè)計、樣機試制、軟件開發(fā)、實驗室模擬試驗、臺架試驗、裝車運行考核試驗及數(shù)據(jù)對比分析等方法，針對城軌車輛關(guān)鍵部件及列車信號監(jiān)控系統(tǒng)的特點和難點，開展車輛核心部件的關(guān)鍵技術(shù)及列車信號監(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，通過實際應(yīng)用來檢驗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)動電路分析研究及其性能測試，剖析其故障的機理與原因；（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)動電路與接口的分析研究以及用IGBT替代后的

7、驅(qū)動電路與接口進行分析研究、設(shè)計、制作與調(diào)試等，包括相應(yīng)的光纖驅(qū)動技術(shù)及其對應(yīng)的軟關(guān)斷和過流短路及欠壓保護等研究；（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、布置與制作；（5）對IGBT模塊及其驅(qū)動電路進行測試和裝車運營試驗；（6）IPM的模塊化和IGBT的模塊化兩者的性能及其經(jīng)濟性的比較與分析；3 AC01/02型電動列車齒輪箱開發(fā)研制（1）進口齒輪箱工藝技術(shù)的消化吸收；（2）齒輪箱總體結(jié)構(gòu)的布局設(shè)計的優(yōu)化；（3）齒輪的強度設(shè)計、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、機制造、測試及首批產(chǎn)品的裝車運用；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）進行國產(chǎn)化自主開發(fā)設(shè)計研究；（3）分別對AC03、AC05和AC11車型的國產(chǎn)化門控單元進行樣機研制；（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MVB+RS485冗余主從網(wǎng)絡(luò)接口功能測試，并通過裝車試驗以驗證其所有功能是否滿足運營需要，以確保其可完全替代原裝進口產(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、開發(fā)；（4）車載控制數(shù)據(jù)分析、回放軟件的開發(fā)；（5）樣機的裝車試驗；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）在實驗室搭建試驗平臺，進行試驗，確定車地通信檢測技術(shù)參數(shù)；（3）研究檢測裝置的設(shè)計方案，設(shè)計電路圖，開發(fā)信號發(fā)送和接收

10、軟件，完成功能樣機的研制，并進行檢測試驗；（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)試標準；（三）關(guān)鍵技術(shù)、難點及創(chuàng)新點本項目研究內(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 實現(xiàn)由IGBT替代IPM輔助逆變器的技術(shù)4 帶光纖驅(qū)動并具有軟驅(qū)動特性的IGBT驅(qū)動電路技術(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 步進式通信信號頻率、幅度掃描檢測技術(shù)；12 通信信號與控制參數(shù)的最優(yōu)匹配技術(shù)三、主要研究成果項目完成了6個子課題研究報告和個總課題研究報告，開發(fā)的樣機均通過了裝車驗證（見下圖），申請了項專利和軟件著作權(quán)，在國家核心期刊發(fā)表了11篇論文，培養(yǎng)了名研究生完成學術(shù)論文。編號名稱數(shù)量說明1上海地鐵統(tǒng)型、減噪車輪3個3個不同形式減噪形式的車輪，用于對比試驗、研究；2上海地鐵統(tǒng)型、減噪車輪48個48個統(tǒng)型、減噪車輪用于列車正線裝車試驗3AC01/02型電動列車齒輪箱3臺1臺進行型式試驗，2臺進

12、行裝車試驗4AC01/02型電動列車輔助逆變器2臺三種IGBT驅(qū)動電路，即HCP316J、1ED和962AL等驅(qū)動模塊構(gòu)成的驅(qū)動電路，以及研制的IGBT模塊和構(gòu)成的2臺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，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)用及維護軟件，并已通過裝車調(diào)試和驗收。6車載數(shù)據(jù)采集記錄板2套安裝與2號線車載ATP機籠內(nèi)，采集和記錄車載運行數(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套運行在PC上，對記錄數(shù)據(jù)進行分析及回放。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（2臺）四、應(yīng)用前景與效益預(yù)測1. 項目開發(fā)的統(tǒng)型減噪車輪已完成各項試驗，現(xiàn)已在上海軌道交通3號線、9號線投入運營。目前項目開發(fā)的統(tǒng)型車輪已在上海軌道交通1號線、2號線等9條線的運營列車上及未來的12、13及16號線列車上成功運用，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準，將在后續(xù)上海軌道交通新購列車中推廣運用。2. 項