城市轨道交通车辆关键部件及控制系统开发-成果小结.doc
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城市轨道交通车辆关键部件及控制系统开发
主要研究单位：
上海申通地铁集团有限公司
同济大学
上海罗约电气科技有限公司
南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司
南京康尼机电股份有限公司
上海工程技术大学
主要研究人员：
周俊龙,朱小娟,王生华,余强,王建兵,沈豪,王伟,马伟杰,陈鞍龙,浦汉亮,沈培德,陶生桂,吴刚,张伟
一、研究背景
（一）项目背景
作为城市公共交通系统的一个重要组成部分，城市轨道交通有地铁、轻轨、市郊铁路、有轨电车以及悬浮列车等多种类型，号称“城市交通的主动脉”。
国外城市轨道交通起步较早，德国、美国、日本等国都已形成完善的城市轨道交通网络，且都有自己的车辆、控制等核心技术。
我国城市轨道交通建设起步较晚，且轨道交通设备在建设初期主要依靠进口，自从实施城市轨道交通设备国产化政策以来，城轨车辆国产化取得了一定成绩。
目前国产车辆多为合资，靠引进核心技术或关键部件进行组装，城市轨道交通在车辆和控制方面仍然处于初级发展阶段。
2009年，上海地铁车辆急剧增加到1600多辆（2011年5月近3000辆），其中完全进口车辆约500辆，并均已进入架大修阶段；由合作合资供货商提供的2500多辆车的核心部件仍然需要进口采购。
加速国产化和自主创新进程，通过对车辆关键部件的研究、开发、集成、创新，逐步形成自己的车辆核心技术，为城轨车辆整体的国产化提供技术保证，是当务之急。
（二）立项依据及必要性
根据上海交通总体发展趋势和轨道交通需求的客运量分析，大容量城市轨道交通体系是上海城市建设中的重点发展方向，上海轨道交通建设里程，约为846公里。
市内轨道交通总长度，约为560公里，其中，地铁380公里，轻轨170余公里。
这些线路建成以后，轨道交通系统的客运量，将占公共交通客运总量的65%以上。
将形成“十字加环”和若干放射线组成的便捷、快速的轨道交通骨干网络，覆盖上海大多数区域的线网格局。
但进口车辆和关键部件，直接导致备品备件昂贵，阻碍了我国轨道交通事业的发展。
必须加速国产化和自主创新进程，通过对车辆关键部件的研究、替代，逐步形成自己的车辆核心技术，为城轨车辆整体的国产化提供技术保证，是当务之急。
本课题项目立足于城市轨道交通的车辆，涉及车辆的运行和控制系统。
课题对车辆车轮、关键部件主/辅助逆变器、齿轮箱、门控单元和车载安全控制的技术进行研究，并进行创新和突破，希望籍此为现有上海城轨车辆关键部件的备件和国产化提供一条途径，并为车辆和车载控制系统的全面自主创新奠定一定的技术基础，综上分析具有重要意义。
（三）项目性质
本项目属于城市轨道交通技术领域，车辆关键部件技术专题，市科委资助项目。
二、主要研究内容
（一）项目目标
项目通过对统型降噪车轮、IGBT车辆辅助逆变器、齿轮箱、门控单元（EDCU）、列车控制系统安全数据监控部件和车地通信检测系统的自主研究，形成一批具有自主知识产权的城轨车辆关键部件和控制系统的样机，并通过运行试验考核，推进轨道交通车辆关键部件和车载控制系统的自主制造能力，解决列车部件依靠进口的局面，降低维护、维修成本。
（二）研究内容
项目主要通过调查研究国内外城轨车辆部件的运用状况及列车信号监控系统的实际情况，采取技术剖析、理论计算、接口研究、样机集成创新设计、样机试制、软件开发、实验室模拟试验、台架试验、装车运行考核试验及数据对比分析等方法，针对城轨车辆关键部件及列车信号监控系统的特点和难点，开展车辆核心部件的关键技术及列车信号监控系统的研究，最终，将研究成果应用于上海地铁车辆，通过实际应用来检验成果的适用性和合理性，形成系列研究成果，研究技术路线见图1。
图1技术路线图
各子课题的研究内容如下所述：
1上海地铁统型车轮及减噪方案研究
（1）上海地铁车轮现状研究；
（2）上海地铁车轮、轴关系与统型车轮几何尺寸研究；
（3）上海地铁统型车轮研究；
（4）上海地铁统型车轮减噪方案研究；
（5）上海地铁统型车轮生产、加工工艺研究；
（6）上海地铁统型、减噪车轮应用效果评估；
2AC01/02型电动列车IGBT辅助逆变器开发研制
（1）对由IPM构成的模块化的结构、主电路以及驱动电路分析研究及其性能测试，剖析其故障的机理与原因；
（2）对A车辅逆的三相四线逆变器与B车辅逆的三相逆变器进行仿真分析研究，包括其滤波电路的参数对其性能的影响等分析研究；
（3）对IPM驱动电路与接口的分析研究以及用IGBT替代后的驱动电路与接口进行分析研究、设计、制作与调试等，包括相应的光纤驱动技术及其对应的软关断和过流短路及欠压保护等研究；
（4）在相同的紧凑空间内，对采用IGBT的模块化结构需重新设计、布置与制作；
（5）对IGBT模块及其驱动电路进行测试和装车运营试验；
（6）IPM的模块化和IGBT的模块化两者的性能及其经济性的比较与分析；
3AC01/02型电动列车齿轮箱开发研制
（1）进口齿轮箱工艺技术的消化吸收；
（2）齿轮箱总体结构的布局设计的优化；
（3）齿轮的强度设计、材料选择及齿轮的啮合修形；
（4）齿轮箱的密封形式及润滑系统设计研究；
（5）齿轮箱箱体铸造技术、齿轮热处理技术、加工工艺、组装工艺的研究；
（6）样机制造、测试及首批产品的装车运用；
4AC03、AC05和AC11型列车门控单元开发研究
（1）对AC03、AC05和AC11型列车原装门控单元（EDCU）的结构原理及接口参数进行研究，并剖析其与列车控制系统的接口数据通讯协议；
（2）以AC03、AC05和AC11型列车车门的技术功能要求为基础，分别对上述三种车型的门控单元（EDCU）进行国产化自主开发设计研究；
（3）分别对AC03、AC05和AC11车型的国产化门控单元进行样机研制；
（4）分别开发适应于AC03、AC05和AC11车型的国产化门控单元的控制软件和用户维护软件；
（5）分别通过与相应列车控制系统（TCMS）的MVB接口、RS485接口或者MVB+RS485冗余主从网络接口功能测试，并通过装车试验以验证其所有功能是否满足运营需要，以确保其可完全替代原装进口产品；
5AC02/05车列车控制系统安全数据监控部件研制
（1）车载ATC系统剖析研究；
（2）车载嵌入式安全数据监控技术研究；
（3）车载数据监控部件的自主设计、开发；
（4）车载控制数据分析、回放软件的开发；
（5）样机的装车试验；
6车地通信检测装置的研发
（1）分析车地通信系统原理，研究通信链路、车载及轨旁发送接收电路，通过现场测试，取得相关数据；
（2）在实验室搭建试验平台，进行试验，确定车地通信检测技术参数；
（3）研究检测装置的设计方案，设计电路图，开发信号发送和接收软件，完成功能样机的研制，并进行检测试验；
（4）对比测试结果与通信链路、车载轨旁参数的关系，研究并制定测试调试标准；
（三）关键技术、难点及创新点
本项目研究内容的关键技术主要包括：
1．城市轨道交通车辆统型车轮技术（包括具有自主知识产权的轮轨匹配、轮轴匹配、圆坯连铸、工艺工程仿真、抗早期剥离热处理等技术）
2．城市轨道交通车辆统型车轮上的降噪技术
3．实现由IGBT替代IPM辅助逆变器的技术
4．带光纤驱动并具有软驱动特性的IGBT驱动电路技术
5．满足既有安装接口的齿轮箱结构“立改卧”技术；
6．齿轮材料及热处理与箱体铸造工艺技术；
7．具有自主知识产权的MVB软硬件接口技术；
8．双冗余MVB主-从门控制单元（EDCU）车门网络系统技术；
9．嵌入式系统大容量数据存储技术；
10．车载数据到图形化显示、回放模型技术；
11．步进式通信信号频率、幅度扫描检测技术；
12．通信信号与控制参数的最优匹配技术
三、主要研究成果
项目完成了6个子课题研究报告和１个总课题研究报告，开发的样机均通过了装车验证（见下图），申请了８项专利和软件著作权，在国家核心期刊发表了11篇论文，培养了４名研究生完成学术论文。
编号
名称
数量
说明
1
上海地铁统型、减噪车轮
3个
3个不同形式减噪形式的车轮，用于对比试验、研究；
2
上海地铁统型、减噪车轮
48个
48个统型、减噪车轮用于列车正线装车试验
3
AC01/02型电动列车齿轮箱
3台
1台进行型式试验，2台进行装车试验
4
AC01/02型电动列车辅助逆变器
2台
三种IGBT驱动电路，即HCP316J、1ED和962AL等驱动模块构成的驱动电路，以及研制的IGBT模块和构成的2台IGBT辅助逆变器。
5
AC03、AC05和AC11型列车门控单元
15套
现已开发出基于总线通讯的两种门控单元样机，RS485型门控单元13套（AC03和AC11型车门控单元和AC05型车从门控单元）和MVB+RS485型门控单元2套（AC05型车门主门控单元）；已完成AC03、AC05和AC11型车门控应用及维护软件，并已通过装车调试和验收。
6
车载数据采集记录板
2套
安装与2号线车载ATP机笼内，采集和记录车载运行数据。
SD卡容量1G，能满保存7天的数据量记录。
采样频率为400ms/次。
7
地面分析回放软件
1套
运行在PC
上，对记录数据进行分析及回放。
8
车地通信检测装置
1套
轻型手推轨道检测车；车地通信检测装置工程样机（2台）
四、应用前景与效益预测
1.项目开发的统型减噪车轮已完成各项试验，现已在上海轨道交通3号线、9号线投入运营。
目前项目开发的统型车轮已在上海轨道交通1号线、2号线等9条线的运营列车上及未来的12、13及16号线列车上成功运用，并应用在广州地铁、深圳地铁、南京地铁等部分线路上。
减噪车轮已作为地铁列车车轮的采购标准，将在后续上海轨道交通新购列车中推广运用。
2.项目所研制的IGBT模块构成的IGBT辅助逆变器，已在上海轨道交通1号线投入运营。
3.项目开发的AC01/02型电动列车齿轮箱，已在上海轨道交通1号线投入运营。
4.项目开发的两种门控单元已通过调试，并分别在3号线、4号线及5号线上装车投运。
5.项目开发的车载数据采集记录板，已在2号线AC02车上装车运行。
6.车地通信检测装置已应用于地铁日常维护工作中。
本项目成果取得了良好的经济效益和社会效益。
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